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        基于ARM的移動(dòng)式充電寶監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        2018-02-28 11:25:32許楫畢蔚蓉苗偉杰沈曉枉
        電子技術(shù)與軟件工程 2018年13期
        關(guān)鍵詞:分布式系統(tǒng)

        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(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)可移動(dòng)式充電寶的監(jiān)測(cè)、控制和管理。可移動(dòng)式充電寶是一種專門為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的應(yīng)急電源裝置,一般通過(guò)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(bǔ)充能源。本文介紹的分布式監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)式充電寶內(nèi)部電池組的監(jiān)測(cè)、控制和診斷功能,實(shí)現(xiàn)和電動(dòng)汽車的通信聯(lián)絡(luò)和充電過(guò)程的控制,支持電能計(jì)量和計(jì)費(fèi)等輔助功能。系統(tǒng)功能完善,系統(tǒng)集成度和自動(dòng)化程度高。通過(guò)在實(shí)際的大功率移動(dòng)充電寶中的驗(yàn)證測(cè)試,表明本文設(shè)計(jì)的方案性能穩(wěn)定,功能完善,滿足實(shí)際作業(yè)需求。

        【關(guān)鍵詞】移動(dòng)式充電寶 分布式系統(tǒng) 狀態(tài)監(jiān)視CAN總線

        1 引言

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

        由于電動(dòng)汽車的顯著優(yōu)勢(shì),目前電動(dòng)汽車已經(jīng)快速發(fā)展成為一種非常重要的交通工具。各主要國(guó)家都把推廣和發(fā)展電動(dòng)汽車作為重要的發(fā)展戰(zhàn)略,作為節(jié)能減排的重要手段。我國(guó)目前的各種電動(dòng)汽車已經(jīng)達(dá)到幾千萬(wàn)輛?,F(xiàn)有的電動(dòng)汽車大多用電池作為儲(chǔ)能裝置,在電動(dòng)汽車使用過(guò)程中,由于人為疏忽或設(shè)備故障,會(huì)出現(xiàn)在因?yàn)殡娔芎谋M而停止在路途途中情況,需要補(bǔ)充能源才能到達(dá)附近的充/換電點(diǎn)。針對(duì)上述可能的意外情況,國(guó)家電網(wǎng)公司等單位提出了研制可自由移動(dòng)式的充電單元作為應(yīng)急搶修裝備的設(shè)想,即為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)一種專用的移動(dòng)式充電寶。本文提出并設(shè)計(jì)了一種適合移動(dòng)充電寶使用的功能完善的監(jiān)測(cè)控制裝置,可以對(duì)大型充電寶內(nèi)部的電池組、電能轉(zhuǎn)換裝置等進(jìn)行協(xié)同控制。

        2 移動(dòng)式充電寶監(jiān)控系統(tǒng)的組成和功能

        移動(dòng)式充電寶作為一種電動(dòng)汽車的應(yīng)急能源裝置,其主要構(gòu)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(dòng)汽車充電接口控制電路、監(jiān)控系統(tǒng)等基本部分構(gòu)成。移動(dòng)式充電寶中電池組是最重要的組成部分,容量達(dá)、體積和重量也非常大,所以對(duì)電池組的監(jiān)視、控制在移動(dòng)式充電寶中具有非常重要的作用。

        作為移動(dòng)式充電寶的核心組成單元,監(jiān)控系統(tǒng)一般組成如圖2所示。監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)由一個(gè)高性能CPU單元為核心,配置必要的存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘和電源。并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展若干必要的外部設(shè)備。根據(jù)對(duì)移動(dòng)時(shí)充電寶作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)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(kuò)展性,適應(yīng)于不同規(guī)模的電動(dòng)汽車充電寶。

        在圖2所表示的方案中,配置了常規(guī)充電控制必須的鍵盤、液晶顯示器、刷卡計(jì)費(fèi)、電能計(jì)量、語(yǔ)音提示、報(bào)警等常規(guī)接口;同時(shí)還可以連接車載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和GPS定位裝置,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式充電寶的定位和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,便于對(duì)大范圍移動(dòng)的充電寶車輛進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和控制。

        移動(dòng)式充電寶一般設(shè)置了多個(gè)電動(dòng)汽車充電接口,內(nèi)部電池組由數(shù)量眾多的單體電池通過(guò)串/并聯(lián)方式組合而成,作為監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)充電接口進(jìn)行監(jiān)視和控制,對(duì)電池和電能變換單元進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)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(méi)有合適的芯片可以滿足上述要求,同時(shí)也不便于檢修和擴(kuò)展。為此,在圖2中采用了以CAN總線為基礎(chǔ)的分布式監(jiān)控方案,每個(gè)電池狀態(tài)監(jiān)視單元,逆變或DC/DC控制單元,充電接口單元等分別設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線接口和自定義的用戶層協(xié)議實(shí)現(xiàn)與主CPU單元之間數(shù)據(jù)、信號(hào)、控制指令和控制參數(shù)的傳輸。

        CAN總線網(wǎng)絡(luò)屬于一種較為常用的總線式通訊網(wǎng)絡(luò)。在上世紀(jì)80年代初由德國(guó)BOSCH公司提出,主要用于為解決汽車內(nèi)部控制器與測(cè)量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題;CAN總線網(wǎng)絡(luò)能有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)控制的串行通信,具有成本低、可靠性高、抗干擾能力和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外的工業(yè)過(guò)程中具有非常廣泛的應(yīng)用。CAN總線與其他各種現(xiàn)場(chǎng)總線相比,性價(jià)格比相對(duì)較高,通過(guò)在其基礎(chǔ)上定義符合用戶要求的應(yīng)用層協(xié)議,基本上可以解決大多數(shù)中低速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)的需求。

        在移動(dòng)式充電寶監(jiān)控系統(tǒng)中,通過(guò)CAN總線擴(kuò)展連接的外部監(jiān)控單元包括:

        (1)充電槍接口控制單元,實(shí)現(xiàn)對(duì)接口的控制,完成與充電汽車的通信聯(lián)絡(luò)和連接監(jiān)測(cè),控制充電槍的通斷狀態(tài);現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用的電動(dòng)汽車充電接口有國(guó)標(biāo)、美標(biāo)、歐標(biāo)等不同類型,相互間還存在一定細(xì)微的差異。為此可以通過(guò)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(dòng)汽車提供充電電源,主要實(shí)現(xiàn)把電池存儲(chǔ)的低壓直流電轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的工頻正弦交流電,同時(shí)對(duì)逆變過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。

        (3) DC/DC變換單元,主要為直流電動(dòng)汽車提供充電電源,主要實(shí)現(xiàn)把電池存儲(chǔ)的低壓直流電轉(zhuǎn)換為較高電壓的直流電,同時(shí)變換過(guò)程的溫度、電壓和電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。

        (4)電池監(jiān)視單元,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組和單體電池的狀態(tài)參數(shù),電壓、溫度等,進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視和評(píng)估。電池監(jiān)視單元測(cè)量的單體電池電壓也是均衡充電控制系統(tǒng)重要的參數(shù)采集傳感器。

        在上述擴(kuò)展模塊基礎(chǔ)上,還配置有均衡充電控制回路,該回路通過(guò)串行接口連接到主CPU單元,內(nèi)部包含了電源保護(hù)、整流、直流變換和均衡控制等部分,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組單元的平穩(wěn)充電。

        3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        主控系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖3所示,主控系統(tǒng)CPU單元選用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列的STM32F407VGT6芯片。該芯片是一種基于ARM CortexTM-M4內(nèi)核的高性能微控制器,工作頻率可達(dá)到210DMIPS@168 MHz,內(nèi)部集成了單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元提升了計(jì)算能力,可以高效地完成一系列復(fù)雜的計(jì)算和控制任務(wù);內(nèi)部集成了1 MB Flash和192Kb SRAM,減少了外圍擴(kuò)展電路,基本滿足充電寶狀態(tài)監(jiān)視和控制任務(wù)的要求。

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