基于ARM的电动汽车智能快速充电系统研究

肖金球， 刘士游， 陈聪伟， 雷 岩

(1.苏州科技学院，江苏苏州215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏苏州215009)

基于ARM的电动汽车智能快速充电系统研究

肖金球1,2， 刘士游1,2， 陈聪伟1， 雷 岩1

(1.苏州科技学院，江苏苏州215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏苏州215009)

能源问题、城市污染问题及二氧化碳的排放问题使电动汽车在交通市场上具有很大的优越性，但电动汽车蓄电池快速智能充电问题限制了电动汽车工业的发展。提出了以ARM处理器为核心，结合嵌入式操作系统的一种快速智能充电系统，该充电系统减少了汽车蓄电池的充电时间。LCD触摸屏实现人机交互并显示蓄电池的电压、电流和温度，GSM通信以短信的方式通知车主蓄电池的充电情况，实现远程操控与智能充电。

ARM；电动汽车；GSM；智能充电；电池检测

与传统的内燃汽车相比电动汽车具有功耗低、节能环保、结构简单且便于普及等特点，从而得到了很大的发展。由于电动汽车的动力来源是蓄电池，因此蓄电池的使用安全性、使用成本及蓄电能力都影响着电动汽车的推广。而目前现有的电动汽车充电系统采用的都是即插即充模式[1]，这种大规模无序的充电方式不仅会引发一系列的安全问题而且对汽车蓄电池的寿命产生了巨大的影响。对此本文在原有充电系统的基础上进行了优化，采用以ARM7TDMI为核心的LPC2138处理器，提高了整个充电系统的处理速度。对蓄电池的电压、电流以及内部温度进行实时的检测，如若发生异常LPC2138处理器会发出相应的控制指令，增强了整个充电系统的稳定性与安全性。

1 智能充电系统总体设计

智能充电系统的设计，主要目的是实现铅酸蓄电池组的智能充电[2]，在较短的时间内完成对蓄电池的充电。对蓄电池组的初始状态做出检测，确定蓄电池组的初始荷电状态、端电压和内部温度。在智能充电系统充电的过程中对蓄电池进行实时监测，并对蓄电池参数进行实时采样。结合蓄电池性能指标(额定电压、电流、温度等)的资料数据，处理器就可以分析得到当前蓄电池及其连接线路的性能状况和负载驱动能力并将分析结果显示在触摸屏上。发生异常时自动转入停充状态，且GSM通信将以短信的形式告知车主。通过触摸屏设定充电电压、电流及充电时间的大小。从而实现了智能化充电。智能充电系统结构框图如图1所示。

图1 智能充电系统结构框图

铅酸电池由于其性能上的优势已成为电动汽车的首选，本文采用铅酸电池为动力电池组。由铅酸电池的电化学理论[3-4]可知，在充电电流大于蓄电池的可接受电流时，多出的电能将用于水的电解反应导致电池极板上产生气泡，电池内部温度上升，产生极化现象，对蓄电池造成了很大的损害。因此不能再用传统的恒压、恒流充电方式对蓄电池进行充电。对此本文采用脉冲充电方式，所谓脉冲充电就是充电-停充-充电反复进行。正脉冲充电产生的电池极化由放电负脉冲及时消除，可以减小充电过程中产生的极化现象。从而达到了缩短充电时间，提高充电效率的目的。脉冲充电形式如图2所示。

图2 脉冲充电示意图

2 智能充电系统硬件设计

2.1 ARM硬件系统设计

嵌入式系统是目前比较热门的研究领域[5]，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点被广泛应用到诸如网络通信、工业控制、汽车电子等行业。它是软件与硬件的综合体，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可根据自己的需求进行裁剪。本智能充电系统以LPC2138处理器为硬件核心，其硬件结构框图如图3所示。其中JTAG、UART、FLASH、SDRAM等构成了ARM的最小系统。通过JTAG直接控制ARM的内部总线、I/O口等信息，从而达到对整个系统进行调制的目的。UART用来实现串口通信[6]。LCD触摸屏、辅助电路、SIM100等为扩展部分。其中LCD触摸屏实现了人机交互，SIM100用来实现GSM通信。

图3 ARM嵌入式硬件结构图

2.2 主充电电路设计

智能充电系统的主充电电路如图4所示，该电路由两个全桥电路、一个由4个绝缘栅型双极晶体管(IGBT)组成的全桥逆变电路、高频变压器等组成。220 V市电首先经过全桥电路进行整流，再经过大电容滤波得到直流电，但此时的直流电中纹波比较大。直流电通过全桥逆变电路[7]，得到电压可调的高频交流电，经高频变压器耦合到副边，再经全桥整流，最后通过电感电容滤波得到纹波很小的直流电压。

2.3 参数检测电路设计

参数检测电路对蓄电池的电压、电流以及温度进行检测。电压检测采用电压比较器[8]，将检测到的信号传送到LPC2138处理器的P0.1端口进行处理。采用电流传感器对蓄电池的电流进行实时的检测并传送至P0.2端口，对蓄电池的内部温度采用热敏电阻进行检测。由于LPC2138处理器内部集成了A/D转换器，因此就不需要搭建额外的转换电路[9]，直接将检测到的信号传送至处理器进行处理。其检测电路如图5所示。

图4 主充电电路

图5 检测电路

2.4 GSM通信设计

GSM(Global System for Mobile communication)系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善且应用最广泛的一种系统。基于GSM的短信息服务，是一种在移动网络上传送简短信息的无线应用，是一种信息在移动网络上储存和转寄的过程。本文采用中兴通讯推出的GSM无线双频调制解调器MZ28来实现通信功能[10-11]。其硬件结构如图6所示。

图6 GSM通讯硬件结构图

3 智能充电系统软件设计

智能充电系统的软件按功能可分为5个部分：蓄电池参数检测任务(电压数据检测、电流数据检测、温度数据检测)、数据存储与处理任务、UART通讯任务、异常报警任务和GSM通信任务，其主程序流程图如图7所示。

3.1 系统软件开发流程

(1)源代码编写：编写源程序[4](C/C++或汇编)。

(2)程序编译：通过专用编译器编译程序。

(3)程序下载：通过USB、UART等方式下载到目标板上。

(4)软硬件调试：通过JTAG等方式调试程序。

(5)下载固化：程序无误，下载到指定产品上。

3.2 任务优先级设计

在系统执行任务前首先对任务的优先级[8]进行规划，防止系统发生紊乱。根据任务的关联性、关键性、紧迫性、繁琐性和快捷性来确定任务的优先级，其结果如表1所示。

3.3 GSM通信指令

根据GSM 07.05的定义，SMS短信息的发送和接收模式共有三种：Block模式、基于AT命令的于AT命令的Text模式。Text模式发送接收短信息的步骤分为初始化GSM模块、发送文本短信息和接收短信息。其指令如下：

其中PRINT语句的功能是通过URAT串行口发送字符串。

图7 主程序流程图

表1 任务优先级规划

4 实验结果分析

选用额定容量为40 000 mAh的铅酸电池进行充电实验，在充电过程中电压、电流以及电容量的变化情况如图8所示，蓄电池内部温度的变化如图9所示。从充电曲线看，随着充电时间的增加充电电流在慢慢的减小，达到了最佳充电曲线的要求。并且与其他充电方式进行了比较，结果如表2所示。

从表1中数据可知脉冲充电较恒流恒压充电有很大的优势，充电时间节约了两个小时，充电效率较恒流恒压充电提高了8.62%。

5 结束语

本文以LPC2138处理器为核心，构建电动汽车智能充电系统的软硬件平台，分析了ARM硬件结构、主充电电路、GSM通信及检测电路，阐述了智能充电系统的设计方法与实现理论。与原有充电系统相比本智能充电系统对蓄电池参数进行实时的监测，提高了充电系统的稳定性与安全性。脉冲充电对铅酸电池起到了保护与延长寿命的作用。实验结果证明了该智能充电系统的可行性，且具有重要的实际应用价值，为电动汽车的快速发展提供了有利的条件。

图8 充电性能实验电压、电流的变化

图9 蓄电池温度的变化

表2 两种充电方式的比较

[1]田永盛.一种单片机控制的铅酸电池充电电源[J].电子设计工程，2011，19(3)：48-50.

[2]刘国栋.电动汽车电池智能充电系统研究[D].武汉：武汉科技大学，2005.

[3]HU X S，LI S B，PENG H，et al.Charging time and loss optimization for for LiNMC and LiFePO4batteries based on equivalent circuit models[J].Journal of Power Sources，2013，239：449-457.

[4]张承宁，钟静宏，张旺.电动车辆铅酸电池亏快速充电系统[J].机械工程学报，2006，42：103-105.

[5]齐春生，韩华生，闫谨，等.基于ARM-Linux平台的电动汽车智能充电技术[J].计算机与应用，2012，32(S1)：189-191.

[6]LUNZ B，YAN Z X，GERSCHLER J B，et al.Influence of plug-in hybrid electric vehicle charging strategies on charging and battery degradation costs[J].Energy Policy，2012，46：511-519.

[7]江秀道.电动汽车智能充电系统研究[D].南昌：南昌大学控制工程，2011.

[8]黄会雄，袁力辉，罗安.基于(C/OS-Ⅱ电动汽车电池快速充电系统的研究[J].计算机工程与设计，2009，30(16)：3741-3744.

[9]杨婷，景占荣，高田.电动汽车车载智能快速充电器的研究与设计[J].现代电力，2010，27(5)：62-66.

[10]陈超，谢瑞，何湘宁.电动汽车车载锂电池分段充电策略研究[J].机电工程，2011，28(7)：887-900.

[11]OLIVEIRA D Q，SOUZA A C Z D，DELBONI L F N.Optimal plug-in hybrid electric vehicles recharge in distribution power systems[J].Electric Power Systems Research，2013，98：77-85.

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

苏州市工业基础研究项目资助（20123425）

肖金球（1963—），男，江苏省人，硕士，教授，高级工程师，主要研究方向为智能仪器与自动检测系统；刘士游（1989—），男，江苏省人，硕士，主要研究方向为智能测控技术。