基于ARM的電動汽車智能快速充電系統(tǒng)研究

肖金球， 劉士游， 陳聰偉， 雷 巖

(1.蘇州科技學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.蘇州市智能測控工程技術(shù)研究中心，江蘇蘇州215009)

基于ARM的電動汽車智能快速充電系統(tǒng)研究

肖金球1,2， 劉士游1,2， 陳聰偉1， 雷 巖1

(1.蘇州科技學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.蘇州市智能測控工程技術(shù)研究中心，江蘇蘇州215009)

能源問題、城市污染問題及二氧化碳的排放問題使電動汽車在交通市場上具有很大的優(yōu)越性，但電動汽車蓄電池快速智能充電問題限制了電動汽車工業(yè)的發(fā)展。提出了以ARM處理器為核心，結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)的一種快速智能充電系統(tǒng)，該充電系統(tǒng)減少了汽車蓄電池的充電時間。LCD觸摸屏實現(xiàn)人機(jī)交互并顯示蓄電池的電壓、電流和溫度，GSM通信以短信的方式通知車主蓄電池的充電情況，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控與智能充電。

ARM；電動汽車；GSM；智能充電；電池檢測

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃汽車相比電動汽車具有功耗低、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單且便于普及等特點(diǎn)，從而得到了很大的發(fā)展。由于電動汽車的動力來源是蓄電池，因此蓄電池的使用安全性、使用成本及蓄電能力都影響著電動汽車的推廣。而目前現(xiàn)有的電動汽車充電系統(tǒng)采用的都是即插即充模式[1]，這種大規(guī)模無序的充電方式不僅會引發(fā)一系列的安全問題而且對汽車蓄電池的壽命產(chǎn)生了巨大的影響。對此本文在原有充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，采用以ARM7TDMI為核心的LPC2138處理器，提高了整個充電系統(tǒng)的處理速度。對蓄電池的電壓、電流以及內(nèi)部溫度進(jìn)行實時的檢測，如若發(fā)生異常LPC2138處理器會發(fā)出相應(yīng)的控制指令，增強(qiáng)了整個充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

1 智能充電系統(tǒng)總體設(shè)計

智能充電系統(tǒng)的設(shè)計，主要目的是實現(xiàn)鉛酸蓄電池組的智能充電[2]，在較短的時間內(nèi)完成對蓄電池的充電。對蓄電池組的初始狀態(tài)做出檢測，確定蓄電池組的初始荷電狀態(tài)、端電壓和內(nèi)部溫度。在智能充電系統(tǒng)充電的過程中對蓄電池進(jìn)行實時監(jiān)測，并對蓄電池參數(shù)進(jìn)行實時采樣。結(jié)合蓄電池性能指標(biāo)(額定電壓、電流、溫度等)的資料數(shù)據(jù)，處理器就可以分析得到當(dāng)前蓄電池及其連接線路的性能狀況和負(fù)載驅(qū)動能力并將分析結(jié)果顯示在觸摸屏上。發(fā)生異常時自動轉(zhuǎn)入停充狀態(tài)，且GSM通信將以短信的形式告知車主。通過觸摸屏設(shè)定充電電壓、電流及充電時間的大小。從而實現(xiàn)了智能化充電。智能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

鉛酸電池由于其性能上的優(yōu)勢已成為電動汽車的首選，本文采用鉛酸電池為動力電池組。由鉛酸電池的電化學(xué)理論[3-4]可知，在充電電流大于蓄電池的可接受電流時，多出的電能將用于水的電解反應(yīng)導(dǎo)致電池極板上產(chǎn)生氣泡，電池內(nèi)部溫度上升，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，對蓄電池造成了很大的損害。因此不能再用傳統(tǒng)的恒壓、恒流充電方式對蓄電池進(jìn)行充電。對此本文采用脈沖充電方式，所謂脈沖充電就是充電-停充-充電反復(fù)進(jìn)行。正脈沖充電產(chǎn)生的電池極化由放電負(fù)脈沖及時消除，可以減小充電過程中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象。從而達(dá)到了縮短充電時間，提高充電效率的目的。脈沖充電形式如圖2所示。

圖2 脈沖充電示意圖

2 智能充電系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ARM硬件系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)是目前比較熱門的研究領(lǐng)域[5]，具有軟件代碼小，高度自動化，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到諸如網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、汽車電子等行業(yè)。它是軟件與硬件的綜合體，以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可根據(jù)自己的需求進(jìn)行裁剪。本智能充電系統(tǒng)以LPC2138處理器為硬件核心，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中JTAG、UART、FLASH、SDRAM等構(gòu)成了ARM的最小系統(tǒng)。通過JTAG直接控制ARM的內(nèi)部總線、I/O口等信息，從而達(dá)到對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制的目的。UART用來實現(xiàn)串口通信[6]。LCD觸摸屏、輔助電路、SIM100等為擴(kuò)展部分。其中LCD觸摸屏實現(xiàn)了人機(jī)交互，SIM100用來實現(xiàn)GSM通信。

圖3 ARM嵌入式硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 主充電電路設(shè)計

智能充電系統(tǒng)的主充電電路如圖4所示，該電路由兩個全橋電路、一個由4個絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)組成的全橋逆變電路、高頻變壓器等組成。220 V市電首先經(jīng)過全橋電路進(jìn)行整流，再經(jīng)過大電容濾波得到直流電，但此時的直流電中紋波比較大。直流電通過全橋逆變電路[7]，得到電壓可調(diào)的高頻交流電，經(jīng)高頻變壓器耦合到副邊，再經(jīng)全橋整流，最后通過電感電容濾波得到紋波很小的直流電壓。

2.3 參數(shù)檢測電路設(shè)計

參數(shù)檢測電路對蓄電池的電壓、電流以及溫度進(jìn)行檢測。電壓檢測采用電壓比較器[8]，將檢測到的信號傳送到LPC2138處理器的P0.1端口進(jìn)行處理。采用電流傳感器對蓄電池的電流進(jìn)行實時的檢測并傳送至P0.2端口，對蓄電池的內(nèi)部溫度采用熱敏電阻進(jìn)行檢測。由于LPC2138處理器內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，因此就不需要搭建額外的轉(zhuǎn)換電路[9]，直接將檢測到的信號傳送至處理器進(jìn)行處理。其檢測電路如圖5所示。

圖4 主充電電路

圖5 檢測電路

2.4 GSM通信設(shè)計

GSM(Global System for Mobile communication)系統(tǒng)是目前基于時分多址技術(shù)的移動通訊體制中比較成熟、完善且應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)?；贕SM的短信息服務(wù)，是一種在移動網(wǎng)絡(luò)上傳送簡短信息的無線應(yīng)用，是一種信息在移動網(wǎng)絡(luò)上儲存和轉(zhuǎn)寄的過程。本文采用中興通訊推出的GSM無線雙頻調(diào)制解調(diào)器MZ28來實現(xiàn)通信功能[10-11]。其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 GSM通訊硬件結(jié)構(gòu)圖

3 智能充電系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能充電系統(tǒng)的軟件按功能可分為5個部分：蓄電池參數(shù)檢測任務(wù)(電壓數(shù)據(jù)檢測、電流數(shù)據(jù)檢測、溫度數(shù)據(jù)檢測)、數(shù)據(jù)存儲與處理任務(wù)、UART通訊任務(wù)、異常報警任務(wù)和GSM通信任務(wù)，其主程序流程圖如圖7所示。

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

(1)源代碼編寫：編寫源程序[4](C/C++或匯編)。

(2)程序編譯：通過專用編譯器編譯程序。

(3)程序下載：通過USB、UART等方式下載到目標(biāo)板上。

(4)軟硬件調(diào)試：通過JTAG等方式調(diào)試程序。

(5)下載固化：程序無誤，下載到指定產(chǎn)品上。

3.2 任務(wù)優(yōu)先級設(shè)計

在系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)前首先對任務(wù)的優(yōu)先級[8]進(jìn)行規(guī)劃，防止系統(tǒng)發(fā)生紊亂。根據(jù)任務(wù)的關(guān)聯(lián)性、關(guān)鍵性、緊迫性、繁瑣性和快捷性來確定任務(wù)的優(yōu)先級，其結(jié)果如表1所示。

3.3 GSM通信指令

根據(jù)GSM 07.05的定義，SMS短信息的發(fā)送和接收模式共有三種：Block模式、基于AT命令的于AT命令的Text模式。Text模式發(fā)送接收短信息的步驟分為初始化GSM模塊、發(fā)送文本短信息和接收短信息。其指令如下：

其中PRINT語句的功能是通過URAT串行口發(fā)送字符串。

圖7 主程序流程圖

表1 任務(wù)優(yōu)先級規(guī)劃

4 實驗結(jié)果分析

選用額定容量為40 000 mAh的鉛酸電池進(jìn)行充電實驗，在充電過程中電壓、電流以及電容量的變化情況如圖8所示，蓄電池內(nèi)部溫度的變化如圖9所示。從充電曲線看，隨著充電時間的增加充電電流在慢慢的減小，達(dá)到了最佳充電曲線的要求。并且與其他充電方式進(jìn)行了比較，結(jié)果如表2所示。

從表1中數(shù)據(jù)可知脈沖充電較恒流恒壓充電有很大的優(yōu)勢，充電時間節(jié)約了兩個小時，充電效率較恒流恒壓充電提高了8.62%。

5 結(jié)束語

本文以LPC2138處理器為核心，構(gòu)建電動汽車智能充電系統(tǒng)的軟硬件平臺，分析了ARM硬件結(jié)構(gòu)、主充電電路、GSM通信及檢測電路，闡述了智能充電系統(tǒng)的設(shè)計方法與實現(xiàn)理論。與原有充電系統(tǒng)相比本智能充電系統(tǒng)對蓄電池參數(shù)進(jìn)行實時的監(jiān)測，提高了充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。脈沖充電對鉛酸電池起到了保護(hù)與延長壽命的作用。實驗結(jié)果證明了該智能充電系統(tǒng)的可行性，且具有重要的實際應(yīng)用價值，為電動汽車的快速發(fā)展提供了有利的條件。

圖8 充電性能實驗電壓、電流的變化

圖9 蓄電池溫度的變化

表2 兩種充電方式的比較

[1]田永盛.一種單片機(jī)控制的鉛酸電池充電電源[J].電子設(shè)計工程，2011，19(3)：48-50.

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Research on smart fast charging system for electric vehicle based on ARM

XIAO Jin-qiu1,2,LIU Shi-you1,2,CHEN Cong-wei1,LEI Yan1

Energy issues,urban pollution and carbon dioxide emissions make electric vehicles have great advantages in the transport market.However,the development of the electric vehicles industry is restricted by the problem of fast smart charging for electric vehicles battery.The fast smart charging system using ARM processor as core combined with the embedded operation system was proposed,reducing charging time.LCD touch screen was used to achieve human-computer interaction and display battery voltage, current and temperature. GSM communication was designed to notify owners the charging condition of battery,achieving the remote control and smart charging.

ARM;electric vehicle;GSM;smart charging;battery detection

TM 910

A

1002-087 X(2015)04-0815-03

2014-09-05

蘇州市工業(yè)基礎(chǔ)研究項目資助（20123425）

肖金球（1963—），男，江蘇省人，碩士，教授，高級工程師，主要研究方向為智能儀器與自動檢測系統(tǒng)；劉士游（1989—），男，江蘇省人，碩士，主要研究方向為智能測控技術(shù)。