基于CAN總線區(qū)域分布式充電樁建設(shè)布局的設(shè)計(jì)

(大連交通大學(xué) 遼寧 大連 116000)

一、引言

隨著新能源汽車的發(fā)展，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為了新能源汽車的主要發(fā)展方向，而完善的充電系統(tǒng)是能夠保證電動(dòng)汽車穩(wěn)定發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。

電動(dòng)汽車發(fā)展受到限制和約束，其中的一個(gè)核心原因在于沒有完善高效的充電系統(tǒng)。到現(xiàn)階段為止主要的充電手段有三種：充電站、換電站和充電樁，我國(guó)在“十五”期間曾經(jīng)設(shè)立電動(dòng)汽車發(fā)展重大專項(xiàng)，重點(diǎn)針對(duì)輔助充電設(shè)備的研究。由于電動(dòng)汽車的推廣，一些整車生產(chǎn)企業(yè)開始推出專用充電設(shè)備，比亞迪公司設(shè)計(jì)開發(fā)了自主使用的自動(dòng)化充電站管理系統(tǒng)，建設(shè)了無人充電站[1]。目前我國(guó)已有的一些充電站點(diǎn)，雖然實(shí)現(xiàn)少部分自動(dòng)化管理，但是在建設(shè)布局上依然使用傳統(tǒng)的集中式管理，將整個(gè)區(qū)域內(nèi)，如整個(gè)市區(qū)范圍內(nèi)所有的充電樁統(tǒng)一到一個(gè)管理后臺(tái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行管理，雖然實(shí)現(xiàn)了全局管理，但是由于集中式管理負(fù)擔(dān)大，可控性差，導(dǎo)致整體可靠性差，管理效率低下，問題頻出等缺點(diǎn)，鑒于以上的問題，本文從對(duì)充電樁的建設(shè)布局入手，基于CAN總線設(shè)計(jì)了區(qū)域分布式建設(shè)充電樁的方案，在能夠滿足電動(dòng)汽車的充電需求的前提下，提高管理的效率和穩(wěn)定性，加強(qiáng)設(shè)備可靠性，擴(kuò)大充電樁的建設(shè)規(guī)模，在一定程度上能夠推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

二、分布式區(qū)域充電樁布局設(shè)計(jì)

(一)分布式模塊通信方式

CAN總線是德國(guó)電器商博世公司開發(fā)用于面向汽車的通信協(xié)議，全稱控制器局域網(wǎng)(Controller area network)是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，CAN總線協(xié)議具有多主控制、系統(tǒng)柔軟、通信穩(wěn)定、錯(cuò)誤檢測(cè)與恢復(fù)、故障封閉、不受連接單元數(shù)目限制等優(yōu)點(diǎn)，尤其是CAN總線協(xié)議為了解決連接節(jié)點(diǎn)數(shù)目的問題，將傳統(tǒng)的站地址編碼改成了對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼[2]，如此一來，理論上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將不再受到限制，但實(shí)際上受到總線上時(shí)間延遲和電氣負(fù)載的限制，如果增加單元數(shù)量，就會(huì)降低通信的速度。

本文所設(shè)計(jì)的CAN總線系統(tǒng)有三種模式：初始化、正常、睡眠能夠自由進(jìn)行切換,主要思路是多個(gè)充電轉(zhuǎn)之間完全通過CAN總線與單個(gè)區(qū)域內(nèi)主樁進(jìn)行信息的交流和傳輸，主樁通過無線網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)按區(qū)域進(jìn)行分布式信息傳輸。本文模擬使用的STM32F103ZET6自帶有bxCAN模塊，不需要外掛CAN模塊，bxCAN屬于CAN總線的基本擴(kuò)展模式同時(shí)支持CAN協(xié)議2.0A與2.0B

(二)CAN總線協(xié)議信息傳輸模式

CAN總線本身具有很好的容錯(cuò)性，成本低廉，數(shù)據(jù)傳輸速度快距離遠(yuǎn)，由于CAN總線節(jié)點(diǎn)沒有報(bào)文報(bào)頭的結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)具有極強(qiáng)的靈活性，在不同的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接受相同的數(shù)據(jù)，如此一來使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)通信性極強(qiáng)，而且CAN總線上的節(jié)點(diǎn)之間互不影響，增減節(jié)點(diǎn)數(shù)量或是單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)造成影響，也不會(huì)使總線處于死鎖狀態(tài)，由于具有完善的傳輸協(xié)議，因此在開發(fā)過程中也大大減少了工作量，縮短的開發(fā)周期，基于這些優(yōu)點(diǎn)我們選擇CAN總線作為系統(tǒng)通信總線。

CAN總線的通信過程中數(shù)據(jù)傳送是通過報(bào)文格式實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)信息編輯成不同的報(bào)文格式傳輸，如數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀等[4]。對(duì)于CAN總線來說，只要是在總線上的單元都可以發(fā)送新消息，前提是總線處于空閑，總線上的單元想要發(fā)送新的消息，需要總線為空閑狀態(tài)，檢測(cè)到總線空閑即可以進(jìn)行發(fā)送。

此次設(shè)計(jì)基于CAN總線系統(tǒng)的靈活性以及信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，設(shè)計(jì)了基于CAN總線分布式通信模式，應(yīng)用在充電樁之間，中心樁與上位機(jī)控制系統(tǒng)之間通過無線網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，根據(jù)《電動(dòng)汽車充電技術(shù)規(guī)范》要求，單條CAN總線控制在200米范圍內(nèi)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)將CAN總線應(yīng)用在單個(gè)區(qū)域內(nèi)以保證CAN總線的高效率，如果超出距離可以增加區(qū)域主充電樁數(shù)量以保證傳輸?shù)男省?/p>

(三)基于分布式結(jié)構(gòu)的充電樁布局總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)分布式結(jié)構(gòu)中每一個(gè)充電樁終端都是一臺(tái)小型嵌入式計(jì)算機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)了一個(gè)充電樁的控制與信息上傳操作。這些嵌入式計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力遠(yuǎn)沒有超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大，但它們協(xié)同工作為整個(gè)充電樁系統(tǒng)提供服務(wù)。由于控制計(jì)算機(jī)數(shù)量的增加，系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)量也會(huì)增加，但極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性[3]。本文的分布式建設(shè)充電樁的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

如結(jié)構(gòu)圖所示，基于分布式結(jié)構(gòu)將充電樁的建設(shè)模式以區(qū)域劃分，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的充電樁獨(dú)立存在，每個(gè)充電樁以CAN總線作為信息傳輸方式，每個(gè)區(qū)域只有一個(gè)主充電樁以無線網(wǎng)絡(luò)連接的方式與上位機(jī)通信，主充電樁中除了含有嵌入式計(jì)算機(jī)外也擁有無線發(fā)射器將區(qū)域內(nèi)收集到的充電樁信息發(fā)送給上位機(jī)，單個(gè)區(qū)域內(nèi)的充電樁單獨(dú)工作互不影響，所有信息由主充電樁定時(shí)發(fā)送與上位機(jī)，這樣既保證了充電樁的工作，同時(shí)因?yàn)楦鱾€(gè)充電樁皆為獨(dú)立傳送信息，單個(gè)充電樁出現(xiàn)問題或故障不會(huì)對(duì)其他充電樁或總線造成影響，故障和問題信息皆由主樁獲取并上傳給控制系統(tǒng)，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和工作效率。

三、充電樁建設(shè)分布式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

(一)硬件實(shí)現(xiàn)

在單個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行信息傳輸時(shí)，利用CAN總線完成信息交流，為此我們選用了ARM系列中數(shù)據(jù)處理能力突出的的STM32微處理器作為主要核心處理器。作為增強(qiáng)系列的STM32F103具有內(nèi)置的ARM核心，能夠完美兼容ARM的軟件及工具。而且STM32F103ET6擁有內(nèi)嵌的CAN總線模塊，避免了外掛CAN通信模塊的需要，減少了硬件復(fù)雜度。

CAN控制器在發(fā)送信息的時(shí)候共有兩種不同的幀類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀，在發(fā)送信息時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)被寫入到數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段中存儲(chǔ)，如果當(dāng)前狀態(tài)CAN總線空閑且優(yōu)先級(jí)達(dá)到要求，則數(shù)據(jù)幀將被發(fā)送到CAN總線上。

(二)CAN總線通信軟件設(shè)計(jì)

CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送工作時(shí)，需要確認(rèn)總線處于工作模式，CAN總線本身具有三種不同的模式：初始化模式、正常模式和睡眠模式。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前需要喚醒總線到工作模式，如圖2所示對(duì)總線進(jìn)行喚醒操作。

圖2 喚醒操作

(三)通訊信息設(shè)計(jì)

由于是區(qū)域分布是設(shè)計(jì)，所以主要的信息傳輸集中在單個(gè)區(qū)域之間，區(qū)域與區(qū)域之間互不影響，單個(gè)區(qū)域中充電樁之間互不影響。

充電樁向主充電樁樁發(fā)送信息內(nèi)容為充電樁的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)：充電樁電流電壓參數(shù)，電量?jī)?chǔ)備狀態(tài)，充電樁工作狀態(tài)，設(shè)備檢測(cè)信息，收費(fèi)狀況等。

單個(gè)充電樁的使用狀態(tài)以及本身設(shè)備狀態(tài)信息由單個(gè)充電樁中的嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行整理收集，之后通過CAN總線傳送給區(qū)域內(nèi)的主充電樁，由主樁對(duì)信息整理之后再發(fā)送給上位機(jī)控制系統(tǒng)，因?yàn)镃AN總線必須處于空閑狀態(tài)下才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸操作，一旦CAN總線空閑則立刻發(fā)送最高優(yōu)先級(jí)信息，發(fā)送成功后，郵箱恢復(fù)空閑狀態(tài)，掛起等待下次信息。如果發(fā)送失敗則會(huì)重復(fù)發(fā)送過程[5]。

在接收端，主樁需要接收包括當(dāng)前充電樁電量剩余、電流電壓參數(shù)、工作狀態(tài)、故障問題信息和費(fèi)用等實(shí)時(shí)信息。當(dāng)接到信息時(shí)，存放到接收郵箱中，如果需要讀取，則使用軟件調(diào)用讀取郵箱中的報(bào)文信息，郵箱設(shè)置為FIFO模式，按照優(yōu)先順序依次讀取報(bào)文信息。

(四)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此次軟件設(shè)計(jì)使用STM32F103系列芯片作為控制器，芯片本身自帶嵌入式CAN控制器模塊，遵照模塊化思路使用C語言進(jìn)行程序的編寫實(shí)現(xiàn)，包含有主控制程序、CAN控制器程序，其中CAN控制器程序包含CAN數(shù)據(jù)發(fā)送程序、CAN接收程序、中斷程序、優(yōu)先級(jí)判定、CAN初始化等，在CAN控制器初始化程序中對(duì)CAN工作模式、參數(shù)設(shè)置、配置郵箱、波特率設(shè)置、寄存器設(shè)置、標(biāo)識(shí)符過濾程序等。

程序運(yùn)行中采用CAN接收中斷處理，系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)寄存器用于緩存信息，CAN總線波特率根據(jù)需求可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改來改變信息傳輸速度，每條信息內(nèi)容存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段中，每條信息都有一個(gè)標(biāo)識(shí)符在擴(kuò)展幀中用來標(biāo)識(shí)信息的優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)初始化之后，所有寄存器與郵箱都初始化，CAN總線進(jìn)入工作模式，系統(tǒng)中設(shè)置多個(gè)寄存器空間，所有發(fā)送信息統(tǒng)一存放在寄存器中等待命令，接收信息時(shí)程序調(diào)用數(shù)據(jù)幀擴(kuò)展幀中的標(biāo)識(shí)符判定信息的優(yōu)先級(jí)，對(duì)接收到的信息按優(yōu)先級(jí)排序存放在接收郵箱中，數(shù)據(jù)段中存放充電樁電流電壓參數(shù)，電量?jī)?chǔ)備狀態(tài)，充電樁工作狀態(tài)，設(shè)備檢測(cè)信息，收費(fèi)狀況等信息內(nèi)容，申請(qǐng)中斷后判斷CAN總線是否空閑，空閑時(shí)將優(yōu)先級(jí)最高的信息發(fā)送到CAN總線上，CAN總線接收到中斷請(qǐng)求后調(diào)用郵箱查看接收到的信息內(nèi)容，若總線正處于查看信息狀態(tài)，則郵箱掛起等待CAN總線恢復(fù)空閑狀態(tài)，程序設(shè)置標(biāo)識(shí)符過濾程序判定數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)符優(yōu)先級(jí)，寄存器中設(shè)定一個(gè)字節(jié)符顯示寄存器狀態(tài)，設(shè)定字節(jié)符“F”表示寄存器處于空閑工作狀態(tài)，該狀態(tài)下可以接收信息存儲(chǔ)，設(shè)定字節(jié)符“B”表示寄存器繁忙工作狀態(tài)，該狀態(tài)下表示寄存器中已經(jīng)有信息存儲(chǔ)其中，需等待信息被處理，CAN總線執(zhí)行完中斷請(qǐng)求后，返回中斷到寄存器繼續(xù)執(zhí)行下一中斷請(qǐng)求[6]。系統(tǒng)初始化時(shí)，所有寄存器和郵箱皆初始化，所有寄存器為空閑以便存放接收信息，系統(tǒng)主程序部分流程圖3所示。

圖3 主程序流程圖

四、結(jié)論

本文使用STM32F103系列芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以CAN總線為通信方式的分布式充電樁布局建設(shè)方案，使用了高效率的STM32系列芯片作為核心處理器，充分利用CAN總線靈活性穩(wěn)定性高的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了新的布局方案，解決了集中式充電樁建設(shè)管理中高聚合、穩(wěn)定性差的問題，進(jìn)一步提高了充電樁的工作效率和建設(shè)規(guī)模，為電動(dòng)汽車的發(fā)展提供了堅(jiān)固的基礎(chǔ).

【參考文獻(xiàn)】

[1]葉茂銀.CAN總線協(xié)議在車聯(lián)網(wǎng)中的研究與應(yīng)用[D].貴州大學(xué),2016.

[2]裴標(biāo).分布式電動(dòng)汽車充電站及其管理系統(tǒng)[D].北京交通大學(xué),2013

[3]侯攀峰.分布式交流充電樁控制與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2015.

[4]亢雪琳.基于STM32的CAN總線通信設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué),2013.

[5]劉建敏,高云飛.CAN總線在電動(dòng)汽車BMS系統(tǒng)與充電樁之間通信的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2012,28(09):205-207.

[6]朱帥.基于CAN總線分布式電動(dòng)汽車充電站控制系統(tǒng)研究[D].江西理工大學(xué),2012.