基于ARM的移动式充电宝监控系统硬件设计

许楫 毕蔚蓉 苗伟杰 沈晓枉

摘要 本文介绍了一种基于ARM处理器的分布式监控系统，实现对可移动式充电宝的监测、控制和管理。可移动式充电宝是一种专门为电动汽车设计的应急电源装置，一般通过车载方式为行驶途中由于电池能源耗尽不能行驶的车辆补充能源。本文介绍的分布式监控系统可以实现对移动式充电宝内部电池组的监测、控制和诊断功能，实现和电动汽车的通信联络和充电过程的控制，支持电能计量和计费等辅助功能。系统功能完善，系统集成度和自动化程度高。通过在实际的大功率移动充电宝中的验证测试，表明本文设计的方案性能稳定，功能完善，满足实际作业需求。

【关键词】移动式充电宝 分布式系统 状态监视CAN总线

1 引言

电动汽车（EV）主要包括大型的电动公共交通车辆和家用小车两种，是一种在本世纪快速发展的清洁、高效的交通工具，采用电力作为主要的驱动方式。随着全球人口的快速增长，石油供给将会出现严重的瓶颈，而且石油燃料驱动的车辆排出大量尾气，严重污染环境，为了降低排放，净化空气环境发展电动汽车不但是必要的，而且是必须的。在城市交通中使用电动汽车基本可实现零排放或极低排放。

由于电动汽车的显著优势，目前电动汽车已经快速发展成为一种非常重要的交通工具。各主要国家都把推广和发展电动汽车作为重要的发展战略，作为节能减排的重要手段。我国目前的各种电动汽车已经达到几千万辆。现有的电动汽车大多用电池作为储能装置，在电动汽车使用过程中，由于人为疏忽或设备故障，会出现在因为电能耗尽而停止在路途途中情况，需要补充能源才能到达附近的充/换电点。针对上述可能的意外情况，国家电网公司等单位提出了研制可自由移动式的充电单元作为应急抢修装备的设想，即为电动汽车设计一种专用的移动式充电宝。本文提出并设计了一种适合移动充电宝使用的功能完善的监测控制装置，可以对大型充电宝内部的电池组、电能转换装置等进行协同控制。

2 移动式充电宝监控系统的组成和功能

移动式充电宝作为一种电动汽车的应急能源装置，其主要构成如图1所示。包括充电控制电路、电池组、逆变电路（或DC/DC变换电路）、电动汽车充电接口控制电路、监控系统等基本部分构成。移动式充电宝中电池组是最重要的组成部分，容量达、体积和重量也非常大，所以对电池组的监视、控制在移动式充电宝中具有非常重要的作用。

作为移动式充电宝的核心组成单元，监控系统一般组成如图2所示。监控系统系统由一个高性能CPU单元为核心，配置必要的存储单元、时钟和电源。并在此基础上扩展若干必要的外部设备。根据对移动时充电宝作业任务特点和基本功能需求的深入分析，本文提出了如图2所示的分布式方案，改方案具有良好的可扩展性，适应于不同规模的电动汽车充电宝。

在图2所表示的方案中，配置了常规充电控制必须的键盘、液晶显示器、刷卡计费、电能计量、语音提示、报警等常规接口;同时还可以连接车载无线网络和GPS定位装置，实现移动式充电宝的定位和数据远程传输，便于对大范围移动的充电宝车辆进行集中监测和控制。

移动式充电宝一般设置了多个电动汽车充电接口，内部电池组由数量众多的单体电池通过串/并联方式组合而成，作为监控系统对充电接口进行监视和控制，对电池和电能变换单元进行监视、测量是必须的。如果把上述接口功能直接连接到CPU单元，几乎没有合适的芯片可以满足上述要求，同时也不便于检修和扩展。为此，在图2中采用了以CAN总线为基础的分布式监控方案，每个电池状态监视单元，逆变或DC/DC控制单元，充电接口单元等分别设计成模块化结构，通过标准的CAN总线接口和自定义的用户层协议实现与主CPU单元之间数据、信号、控制指令和控制参数的传输。

CAN总线网络属于一种较为常用的总线式通讯网络。在上世纪80年代初由德国BOSCH公司提出，主要用于为解决汽车内部控制器与测量设备之间的数据交换问题;CAN总线网络能有效支持分布式控制系统或实时控制的串行通信，具有成本低、可靠性高、抗干扰能力和实时性强的特点，在国内外的工业过程中具有非常广泛的应用。CAN总线与其他各种现场总线相比，性价格比相对较高，通过在其基础上定义符合用户要求的应用层协议，基本上可以解决大多数中低速数据交换网络的需求。

在移动式充电宝监控系统中，通过CAN总线扩展连接的外部监控单元包括：

（1）充电枪接口控制单元，实现对接口的控制，完成与充电汽车的通信联络和连接监测，控制充电枪的通断状态;现在国内使用的电动汽车充电接口有国标、美标、欧标等不同类型，相互间还存在一定细微的差异。为此可以通过配置不同的充电枪接口控制单元完成充电控制。

（2）逆變控制单元，主要为交流电动汽车提供充电电源，主要实现把电池存储的低压直流电转换为标准的工频正弦交流电，同时对逆变过程的状态参数进行监视。

（3） DC/DC变换单元，主要为直流电动汽车提供充电电源，主要实现把电池存储的低压直流电转换为较高电压的直流电，同时变换过程的温度、电压和电流等参数进行监视。

（4）电池监视单元，主要实现对电池组和单体电池的状态参数，电压、温度等，进行测量、监视和评估。电池监视单元测量的单体电池电压也是均衡充电控制系统重要的参数采集传感器。

在上述扩展模块基础上，还配置有均衡充电控制回路，该回路通过串行接口连接到主CPU单元，内部包含了电源保护、整流、直流变换和均衡控制等部分，实现对电池组单元的平稳充电。

3 硬件系统设计

3.1 主控系统设计

主控系统的基本构成如图3所示，主控系统CPU单元选用意法半导体公司的STM32系列的STM32F407VGT6芯片。该芯片是一种基于ARM CortexTM-M4内核的高性能微控制器，工作频率可达到210DMIPS@168 MHz，内部集成了单周期DSP指令和浮点单元提升了计算能力，可以高效地完成一系列复杂的计算和控制任务;内部集成了1 MB Flash和192Kb SRAM，减少了外围扩展电路，基本满足充电宝状态监视和控制任务的要求。