基于ARM的移動式充電寶監控系統硬件設計

許楫 畢蔚蓉 苗偉杰 沈曉枉

摘要 本文介紹了一種基于ARM處理器的分布式監控系統，實現對可移動式充電寶的監測、控制和管理。可移動式充電寶是一種專門為電動汽車設計的應急電源裝置，一般通過車載方式為行駛途中由于電池能源耗盡不能行駛的車輛補充能源。本文介紹的分布式監控系統可以實現對移動式充電寶內部電池組的監測、控制和診斷功能，實現和電動汽車的通信聯絡和充電過程的控制，支持電能計量和計費等輔助功能。系統功能完善，系統集成度和自動化程度高。通過在實際的大功率移動充電寶中的驗證測試，表明本文設計的方案性能穩定，功能完善，滿足實際作業需求。

【關鍵詞】移動式充電寶 分布式系統 狀態監視CAN總線

1 引言

電動汽車（EV）主要包括大型的電動公共交通車輛和家用小車兩種，是一種在本世紀快速發展的清潔、高效的交通工具，采用電力作為主要的驅動方式。隨著全球人口的快速增長，石油供給將會出現嚴重的瓶頸，而且石油燃料驅動的車輛排出大量尾氣，嚴重污染環境，為了降低排放，凈化空氣環境發展電動汽車不但是必要的，而且是必須的。在城市交通中使用電動汽車基本可實現零排放或極低排放。

由于電動汽車的顯著優勢，目前電動汽車已經快速發展成為一種非常重要的交通工具。各主要國家都把推廣和發展電動汽車作為重要的發展戰略，作為節能減排的重要手段。我國目前的各種電動汽車已經達到幾千萬輛。現有的電動汽車大多用電池作為儲能裝置，在電動汽車使用過程中，由于人為疏忽或設備故障，會出現在因為電能耗盡而停止在路途途中情況，需要補充能源才能到達附近的充/換電點。針對上述可能的意外情況，國家電網公司等單位提出了研制可自由移動式的充電單元作為應急搶修裝備的設想，即為電動汽車設計一種專用的移動式充電寶。本文提出并設計了一種適合移動充電寶使用的功能完善的監測控制裝置，可以對大型充電寶內部的電池組、電能轉換裝置等進行協同控制。

2 移動式充電寶監控系統的組成和功能

移動式充電寶作為一種電動汽車的應急能源裝置，其主要構成如圖1所示。包括充電控制電路、電池組、逆變電路（或DC/DC變換電路）、電動汽車充電接口控制電路、監控系統等基本部分構成。移動式充電寶中電池組是最重要的組成部分，容量達、體積和重量也非常大，所以對電池組的監視、控制在移動式充電寶中具有非常重要的作用。

作為移動式充電寶的核心組成單元，監控系統一般組成如圖2所示。監控系統系統由一個高性能CPU單元為核心，配置必要的存儲單元、時鐘和電源。并在此基礎上擴展若干必要的外部設備。根據對移動時充電寶作業任務特點和基本功能需求的深入分析，本文提出了如圖2所示的分布式方案，改方案具有良好的可擴展性，適應于不同規模的電動汽車充電寶。

在圖2所表示的方案中，配置了常規充電控制必須的鍵盤、液晶顯示器、刷卡計費、電能計量、語音提示、報警等常規接口;同時還可以連接車載無線網絡和GPS定位裝置，實現移動式充電寶的定位和數據遠程傳輸，便于對大范圍移動的充電寶車輛進行集中監測和控制。

移動式充電寶一般設置了多個電動汽車充電接口，內部電池組由數量眾多的單體電池通過串/并聯方式組合而成，作為監控系統對充電接口進行監視和控制，對電池和電能變換單元進行監視、測量是必須的。如果把上述接口功能直接連接到CPU單元，幾乎沒有合適的芯片可以滿足上述要求，同時也不便于檢修和擴展。為此，在圖2中采用了以CAN總線為基礎的分布式監控方案，每個電池狀態監視單元，逆變或DC/DC控制單元，充電接口單元等分別設計成模塊化結構，通過標準的CAN總線接口和自定義的用戶層協議實現與主CPU單元之間數據、信號、控制指令和控制參數的傳輸。

CAN總線網絡屬于一種較為常用的總線式通訊網絡。在上世紀80年代初由德國BOSCH公司提出，主要用于為解決汽車內部控制器與測量設備之間的數據交換問題;CAN總線網絡能有效支持分布式控制系統或實時控制的串行通信，具有成本低、可靠性高、抗干擾能力和實時性強的特點，在國內外的工業過程中具有非常廣泛的應用。CAN總線與其他各種現場總線相比，性價格比相對較高，通過在其基礎上定義符合用戶要求的應用層協議，基本上可以解決大多數中低速數據交換網絡的需求。

在移動式充電寶監控系統中，通過CAN總線擴展連接的外部監控單元包括：

（1）充電槍接口控制單元，實現對接口的控制，完成與充電汽車的通信聯絡和連接監測，控制充電槍的通斷狀態;現在國內使用的電動汽車充電接口有國標、美標、歐標等不同類型，相互間還存在一定細微的差異。為此可以通過配置不同的充電槍接口控制單元完成充電控制。

（2）逆變控制單元，主要為交流電動汽車提供充電電源，主要實現把電池存儲的低壓直流電轉換為標準的工頻正弦交流電，同時對逆變過程的狀態參數進行監視。

（3） DC/DC變換單元，主要為直流電動汽車提供充電電源，主要實現把電池存儲的低壓直流電轉換為較高電壓的直流電，同時變換過程的溫度、電壓和電流等參數進行監視。

（4）電池監視單元，主要實現對電池組和單體電池的狀態參數，電壓、溫度等，進行測量、監視和評估。電池監視單元測量的單體電池電壓也是均衡充電控制系統重要的參數采集傳感器。

在上述擴展模塊基礎上，還配置有均衡充電控制回路，該回路通過串行接口連接到主CPU單元，內部包含了電源保護、整流、直流變換和均衡控制等部分，實現對電池組單元的平穩充電。

3 硬件系統設計

3.1 主控系統設計

主控系統的基本構成如圖3所示，主控系統CPU單元選用意法半導體公司的STM32系列的STM32F407VGT6芯片。該芯片是一種基于ARM CortexTM-M4內核的高性能微控制器，工作頻率可達到210DMIPS@168 MHz，內部集成了單周期DSP指令和浮點單元提升了計算能力，可以高效地完成一系列復雜的計算和控制任務;內部集成了1 MB Flash和192Kb SRAM，減少了外圍擴展電路，基本滿足充電寶狀態監視和控制任務的要求。