基于嵌入式ARM的电动汽车智能充电系统的设计

合集下载

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

工业技术
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
80
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.06.080
基于嵌入式ARM的电动汽车智能充电系统的设计
①
郝常秀
(烟台汽车工程职业学院山东烟台 265500)
摘要：本文围绕电动汽车智能充电系统的设计方案、电动汽车智能充电系统的硬件设计、电动汽车智能充电系统软件的设计三个方面展开讨论，对基于嵌入式ARM的电动汽车智能充电系统进行了设计，同时提出了一些笔者自己的见解，希望能够对今后我国电动汽车的发展提供一些理论借鉴。

关键词：嵌入式ARM 电动汽车智能充电系统安全性中图分类号：U469.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)02(c)-0080-02
①作者简介：郝常秀（1987，5—）女，汉族，山东烟台人，本科，助教，研究方向：车辆。

蓄电池为电动汽车提供了最基本的动力，电动汽车在推广过程中会受到蓄电池三大要素的影响，分别为蓄电池的使用成本、蓄电能力、安全性。

当前，我们可以根据电动汽车和电网之间的互动等级将其划分为三种不同的模式，分别是即插即充模式、集中充电模式以及智能充电模式，其中最常见的为第一种模式，它在办公即民用领域使用最为广泛，然而由于基础设施的不全面性，导致了即插即充模式在使用过程中存在一些安全隐患，并制约着汽车电池寿命的发展。

在本文中，笔者所提出的LPC2138处理器是以ARM7TDMI为核心的，能够对蓄电池的电流、电压、内部温度进行实时监测，并在原有电动汽车充电系统的基础上实施智能化改进，从而使得电动汽车充电的安全性能得到提升，并提升充电速度。

1 电动汽车智能充电系统的设计方案
电动汽车智能充电系统可以在短时间内实现蓄电池的智能充电，并针对电池的电流、电压、温度进行实时监测，在发现异常时会立刻自动切断电源，停止充电。

具体为：对蓄电池组的初始状态进行检测、在充电过程中实时监测蓄电池的状态并进行采样、ARM处理器基于采样数据以及蓄电池自身情况进行分析并显示、驾驶员借助触摸屏控制蓄电池的充电电压、电流以及时间，形成电动汽车的智能化充电系统。

本研究将当前最受欢迎的铅酸电池作为研究对象。

由于传统的恒压、恒流充电方式不适用于铅酸电池中，容易导致蓄电池内部温度快速上升，从而形成极化现象，破坏蓄电池的正常性能，从而降低蓄电池的寿命。

2 电动汽车智能充电系统的硬件设计
2.1 ARM处理器
ARM处理器是由英ACORN企业设计的一款RISC微处理器，它的耗能非常低，因此使用成本也较低。

ARM处理器的全称为Advanced RISC Machine，就其本身而言是32位设计，同时也在其中配置了16位的指令集。

通常情况下，它相比于等价32位代码来说能够实现35%的节省，然而却可以将32位系统的全部优势都保留下来。

ARM处理器具有以下特征；体积小、耗能低、成本低、性能高；能够支持Thumb （16位）/ARM （32位）的双指令
集合，并有效地兼容8位/16位器件；使用的寄存器数量较
多，指令执行效率更高；大部分数据操作都是通过寄存器来执行的；对地址的寻找方法较为简单灵活，在完成任务时具备非常高的执行效率；指令的长度保持不变。

2.2 依托ARM实现的系统硬件设计
所谓嵌入式系统，它能够彻底嵌入至受控期间当中，是一种为了特定应用而量身设计的计算机系统，能够起到设备监控、辅助的作用，在工厂中应用十分广泛。

依托ARM实现的电动汽车智能充电系统硬件所采用的处理器型号为LPC2138，它是系统硬件当中的核心部分。

其中，ARM中的最小系统是由FLASH、UART、JTAG、SDRAM所构成的。

串口能够借助UART来实现通信目的；JTAG的作用在于对I/O口以及内部总线信息进行直接控制，可以对整个系统进行调整。

依托ARM实现的电动汽车智能充电系统的拓展部分主要由四个部分组成，分别为LCD触摸屏、SIM100、辅助电流以及电源。

其中，LCD触摸屏能够实现人机交互；SIM100可以实现GSM，它可以通过短信息等方式将汽车充电状态告知驾驶员。

2.3 智能充电系统的主充电电路设计
主充电电路的关键在于它能够直接影响到整个智能充电系统的整体性能，它包括全桥逆变电路、两个全桥电路及高频变压器等几个部件，它的工作原理主要为：首先，全桥电路负责220V市电的整流任务，随后通过大电容滤波器来获取具有较大纹波的直流电；将具有较高纹波的直流电在全桥逆变电路中通过，其中，Q1至Q4为四个1GBT 功率的开关管，Q1与Q2存在180°的相位差，它所输出的交流电压会随着Q1以及Q2输出值的改变而发生相应的变化。

Q3以及Q4两者负责导通从而形成续流回路以及高频交流电，其中高频交流电是可以进行调节的；当高频交流电在被高频变压器进行耦合之后会经过全桥电路实现整流，最后再流向电感以及电容率波从而编程不具备较大纹波的直流电压，从而实现为蓄电池充电的目的。

2.4 智能充电系统的检测电路设计
智能充电系统的设计过程中，需要使用参数检测电路针对蓄电池的电流、电压、温度等参数实施全面检测，LPC2138处理器的P0.1端口在收到通过电压比对器检测到的电压信号之后再对其实施处理；LPC2138处理器当中
Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
工业技术
科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald
81
的P0.2端口在收到通过电压比对器检测到的电流信号之后再对其实施处理；蓄电池温度则需要通过热敏电阻来实现实施检测控制，同时需要将监测数据传送至P0.5端口当中。

3 电动汽车智能充电系统软件的设计
电动汽车智能充电系统软件主要涵盖五大功能，具体阐述如下：首先，它能够对蓄电池中的电流、电压以及温度等参数进行实时检测；其次，它能够执行由UART发布的通信指令；第三，它能够对数据进行运行，同时执行数据储存工作；第四，当检测到异常情况发生时，它可以立刻发出警报；第五，它能够执行由GSM发出的通信指令。

电流会依据电芯的饱和情情况，在充电过程中不断变小。

系统设计安排充电电流低于0.05C时自动完成充电。

4 实验分析与对比
本论文的研究对象为铅酸蓄电池。

对蓄电池的电流、电压、温度以及容量等参数进行实时监测，智能脉冲充电参数的变化情况。

此外，针对智能脉冲充电方法与传统恒压恒流充电方法的几个重要参数进行对比（充电所需的时间、充电能量、充电效率等），数据进行对比与分析后可以得到以下结论：相比于传统的恒压恒流充电方法来说，智能脉冲充电方法不仅大大降低了充电所需的时间，同时充电效率也得到了很大的提升，在电动汽车智能充电系统中
值得推广和应用。

5 结语
本研究首先针对电动汽车智能充电系统的理论依据进行了介绍，同时阐述了这一系统的设计方案，展现了依托嵌入式ARM实现的电动汽车充电系统的软件设计过程以及硬件设计过程。

随后针对以LPC2138处理器为核心的系统硬件结构、主要充电电路的工作原理、检测电路的设计原理、系统软件的设计方案等内容实时了全面而详尽的介绍、分析。

通过本次实验我们可以得到，依托嵌入式ARM实现的电动汽车智能充电系统可以完成蓄电池电流、电压、内部温度等一系列参数的监控与测量，同时具备良好的人机交互性，能够有效提升电动汽车的充电速度，增强充电的安全性以及稳定性，具有更高的充电效率，因此在智能充电领域具有一定的推广价值以及应用价值。

参考文献
[1] 熊昭.基于风光互补的电动汽车智能充电控制系统的研
究与设计[D].广西大学,2017.
[2] 刘东奇,王耀南,申永鹏.基于T-S 模糊控制器的电动汽车V 2G 智能充电站控制策略[J ].电工技术学报,2016,31(2):206-214.
(上接79页)
对这些有限个的单元里的未知变量通过合适的方法将他们联系在一起，是它们具有连续变化区域的特征，将它们
组成方程组进行求解[2]。

在这里我们将运用到Ansys这个软件，对柴油机的曲轴系统所受到的力进行计算以及对计算结果加以分析，最终得出结论。

在经过Ansys软件的计算处理后，我们得到了以下结果，在不同的转速下，我们得知柴油机曲轴应力的分布情况以及它的最大型变量[3]。

在转速达到1480转每分钟时柴油机曲轴的应力达到了12MPa，与其同时它的最大型变量为67μm，在后来的实验当中，我们分别将转速增大到2000转每分钟、3000转每分钟以及最终的4000转每分钟，我们分别得到了在以上3个转速下柴油机曲轴系统所受到的应力达到了16MPa、27MPa以及42MPa，而其所达到的最大型变量依次是85μm、144μm以及222μm。

通过以上的计算结果分析，在不同的转速之下，曲轴系统所受的负荷力在不断的增大，因此曲柄销处所受到的载荷力也在不断的增大，这就给曲轴带来了很大的安全隐患，所以需要较大的疲劳安全系数，这样才能确保曲轴系统能够更加稳定的工作，延长它的寿命。

4 对曲轴系统疲劳安全系数的计算
在通过Ansys软件计算不同转速下曲轴所受到的应力以及最大形变量后，我们根据：此项材料最大的形变量除以危险情况下所受到的应力得到曲轴强度的大小，此后根据：疲劳的最大极限值除以不对称敏感系数与应力平均值的乘积得到疲劳安全系数。

在经过Ansys软件进行计算后我们得知在3000转每分钟时曲轴强度为1.6，安全系数为10.1，在4000转每分钟时曲轴强度为2.6，安全系数为25.6，均在疲劳安全系数的范围之内，满足对于零件的标
准要求。

5 结语
在对于柴油机的工作原理以及曲轴系统的结构特点进
行了解之后，我们采用了Admas软件对柴油机曲轴系统的动力特性进行了仿真分析，得到了在不同的转速下，曲轴所受到的力在随着转速的增大而增大。

接下来又对曲轴有限元法进行了探究得出了在不同的转速下，曲轴所受到的应力大小以及最大形变量的变化，最后根据曲轴强度的计算公式以及疲劳安全系数的计算公式得出在4000转每分钟时的安全是得到保证的。