基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)

(合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，高效充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已成當(dāng)務(wù)之急。充電樁建設(shè)成本高且缺乏有效管理是當(dāng)前充電運(yùn)營(yíng)亟待解決的難題[1]。2018年國(guó)家發(fā)改委和能源局出臺(tái)的《關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見》[2]中明確指出要提高電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平，通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+充電基礎(chǔ)設(shè)施”，同步構(gòu)建充電智能服務(wù)平臺(tái)，提升充電服務(wù)化水平[2-3]。

傳統(tǒng)的充電樁組網(wǎng)方式分為有線和無(wú)線兩種。有線組網(wǎng)一般使用以太網(wǎng)，需要鋪設(shè)網(wǎng)線，耗費(fèi)大量人力物力，成本較高。傳統(tǒng)無(wú)線組網(wǎng)方式主要有GPRS，ZigBee等[4-5]。而NB-IOT技術(shù)是5G時(shí)代的物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，有著很好的發(fā)展前景。與GPRS相比，NB-IOT的網(wǎng)絡(luò)覆蓋更廣，信號(hào)增強(qiáng)20 dBm增益，在地下停車場(chǎng)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的充電樁應(yīng)用上更有優(yōu)勢(shì)[6]，并且NB-IOT具有更強(qiáng)的鏈接能力，在使用相同基站的情況下，比GPRS提高50～100倍的設(shè)備接入量[7]，這對(duì)于未來(lái)提升充電樁建設(shè)數(shù)量是很有利的。與ZigBee相比，NB-IOT成本更低，ZigBee在應(yīng)用中需要部署大量網(wǎng)關(guān)，增加了建設(shè)成本，而NB-IOT只需利用現(xiàn)有的基站，每年繳納很少的資費(fèi)就可以使用。因此，本設(shè)計(jì)采用NB-IOT技術(shù)來(lái)搭建智能充電樁系統(tǒng)。

1 需求分析與系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)功能單一，一般僅支持刷卡充電并且充電模式少，支付手段單一，不夠智能，用戶體驗(yàn)較差；無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，充電過(guò)程中一旦發(fā)生異常導(dǎo)致停機(jī)，不能及時(shí)通知到車主和設(shè)備廠家，造成用戶時(shí)間損失，也不能及時(shí)維護(hù)設(shè)備。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)具有以下基本功能：

① 啟動(dòng)方式多選，支持IC刷卡，微信小程序掃碼以及Web頁(yè)面管理員啟動(dòng)。

② 充電模式多選，按時(shí)長(zhǎng)充電、按金額充電、自動(dòng)充滿以及預(yù)約充電。

③ 支付手段支持IC卡充值以及微信小程序充值，且IC卡號(hào)與微信小程序賬戶綁定，可掛失。

④ 充電過(guò)程中實(shí)時(shí)采集車輛電池包數(shù)據(jù)，分析電池包健康信息，提示用戶車輛狀態(tài)。

⑤ 實(shí)時(shí)監(jiān)控電樁狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障立即診斷并上報(bào)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為智能充電樁和云平臺(tái)管理系統(tǒng)兩大部分，架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

智能充電樁為用戶提供個(gè)性化的充電服務(wù)，并將采集的設(shè)備狀態(tài)信息、車輛電池包信息以及充電參數(shù)信息等通過(guò)NB模塊發(fā)送到NB-IOT基站，再由基站經(jīng)核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺(tái)管理系統(tǒng)。

云平臺(tái)管理系統(tǒng)由云服務(wù)器、移動(dòng)端和Web客戶端組成。云服務(wù)器負(fù)責(zé)解析智能充電樁發(fā)送的報(bào)文，完成數(shù)據(jù)清洗、加工及存儲(chǔ)工作，并交由移動(dòng)端和Web客戶端調(diào)用。用戶可通過(guò)移動(dòng)端和Web客戶端對(duì)智能充電樁進(jìn)行控制，指令經(jīng)由NB網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至充電樁。

2 智能充電樁設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能定義

區(qū)別于傳統(tǒng)的充電樁框架[8]，本文從邏輯上將交易服務(wù)功能與電氣控制功能獨(dú)立劃分，這樣做有利于充電樁的標(biāo)準(zhǔn)化，建立統(tǒng)一規(guī)范的交易結(jié)算模式，既提升了使用便捷性，也保障了交易的安全性，智能充電樁架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能充電樁架構(gòu)示意圖

各單元功能定義如下。

① 人機(jī)交互：首先通過(guò)IC卡或微信小程序掃碼進(jìn)行用戶身份認(rèn)證，認(rèn)證成功后在充電樁顯示屏或手機(jī)端上給用戶提供向?qū)降牟僮鹘缑婧驼Z(yǔ)音提示。

② 通信單元：根據(jù)智能充電樁與云平臺(tái)管理系統(tǒng)之間的協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交互。

③ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：保存智能充電樁的各項(xiàng)參數(shù)如樁編號(hào)、電表地址、電價(jià)以及最大功率等。

④ 計(jì)量單元：在充電過(guò)程中實(shí)時(shí)讀取充電電量，并根據(jù)電價(jià)計(jì)算出實(shí)時(shí)充電費(fèi)用。

⑤ 繼電器控制單元：負(fù)責(zé)控制強(qiáng)電回路的繼電器通斷。

⑥ 傳感器單元：通過(guò)相應(yīng)的傳感器獲取充電樁的工作溫度、濕度、漏電流以及接地連續(xù)性等，保障充電過(guò)程安全可靠。

⑦ 充電單元：與車輛BMS通信并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)非車載充電機(jī)的輸出電壓、電流大小給電動(dòng)汽車充電。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

智能充電樁主控芯片采用目前主流的意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32F207ZET6高性能CPU，主頻達(dá)到120 MHz，擁有豐富的外設(shè)接口，包括UART接口、CAN接口、以太網(wǎng)接口、I2C接口、SPI接口、ADC接口等，滿足各功能模塊的使用要求。智能充電樁硬件框圖如圖3所示。

電源電路首先利用AC/DC開關(guān)電源將220 V交流電轉(zhuǎn)換為5 V和12 V直流電，再利用AMS1117-3.3芯片降壓至3.3 V，以此給主控制器及各模塊電路供電。主控制器與HMI電阻屏、IC卡模塊、語(yǔ)音模塊通過(guò)RS232通信，與電表通過(guò)RS485通信，與車輛BMS、非車載充電機(jī)通過(guò)CAN通信。溫濕度傳感器采用AM2321溫濕度檢測(cè)芯片進(jìn)行充電樁運(yùn)行環(huán)境檢測(cè)，使用SPI通信。存儲(chǔ)芯片采用鐵電存儲(chǔ)器FM24CL04B，掉電數(shù)據(jù)能保存10年，通過(guò)I2C總線與主控制器通信。漏電電路采用主控制器的ADC采集漏電流的大小。

圖3 智能充電樁硬件框圖

通信模塊采用WH-NB73模組，支持NB-IOT通信協(xié)議，通過(guò)UART串口與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為保證模塊穩(wěn)定運(yùn)行，在設(shè)計(jì)外圍電路時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：① 電源接口處要接高頻濾波電容，采用10 μF+1 nF+100 pF；② 在模組和主控制器兩者UART接口之間需要串聯(lián)一個(gè)10 kΩ電阻進(jìn)行電平匹配；③ 射頻接口需要做50 Ω阻抗匹配，并且需要預(yù)留π型匹配電路；④ SIM卡接口的卡槽需靠近NB73模塊對(duì)應(yīng)位置放置，并且增加ESD保護(hù)。外圍電路圖如圖4所示。

圖4 NB模塊外圍電路圖

其余的急停開關(guān)、繼電器控制、槍頭連接確認(rèn)等都為普通I/O控制。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

主要包括智能充電樁與云平臺(tái)管理系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)，NB模塊軟件設(shè)計(jì)，充電業(yè)務(wù)軟件設(shè)計(jì)。

2.3.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

智能充電樁與云平臺(tái)管理系統(tǒng)之間采用Client/Server的通信方式，前者作為Client方，后者作為Server方，協(xié)議的報(bào)文格式如表1所示。

表1 通信協(xié)議報(bào)文格式

其中，起始域固定為0xF5AA，用來(lái)識(shí)別報(bào)文的有效性；協(xié)議版本固定為0x01，代表第一版；命令碼即消息類型，代表不同功能要求，命令碼為奇數(shù)代表服務(wù)器下發(fā)的報(bào)文，為偶數(shù)表示充電樁上傳的報(bào)文；校驗(yàn)和采用CRC校驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性。消息類型主要分為三大類，一些常用的的命令碼如表2所示。

表2 常用命令碼

2.3.2 NB模塊軟件設(shè)計(jì)

NB73模塊通過(guò)AT指令控制，支持3種工作模式：網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ?，CoAP模式和UDC模式，本文采用網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ?。透?jìng)髂Ｊ绞峭ㄟ^(guò)創(chuàng)建UDP套接字實(shí)現(xiàn)的，在此模式下，智能充電樁將采集的設(shè)備狀態(tài)信息、車輛電池包信息以及充電參數(shù)信息通過(guò)串口發(fā)送到NB-IOT模塊，模塊自動(dòng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器，同時(shí)模塊也可以接收來(lái)自服務(wù)器的指令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至充電樁。本設(shè)計(jì)用到的AT指令集及其功能說(shuō)明見表3。

表3 主要用到的AT指令

2.3.3 充電業(yè)務(wù)軟件設(shè)計(jì)

充電業(yè)務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)采用分層設(shè)計(jì)思想，分為驅(qū)動(dòng)層、應(yīng)用層和主程序，同時(shí)采用面向?qū)ο笏枷雽?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，保障數(shù)據(jù)的獨(dú)立性和安全性。

驅(qū)動(dòng)層主要負(fù)責(zé)主控芯片的各個(gè)外設(shè)配置及初始化功能，包括GPIO口、定時(shí)器、UART串口、CAN口、SPI口、I2C口、ADC接口等。

應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)充電樁各功能模塊的任務(wù)，包括讀卡任務(wù)、觸摸屏任務(wù)、電表通信任務(wù)、車輛BMS通信任務(wù)、非車載充電機(jī)控制任務(wù)、后臺(tái)通信任務(wù)、安全檢測(cè)任務(wù)等，參照的協(xié)議主要有：DLT645電表通信協(xié)議、非車載充電機(jī)控制協(xié)議、非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的協(xié)議、智能充電樁與云平臺(tái)管理系統(tǒng)通信協(xié)議等。后者已在上文介紹，由于篇幅所限，這里不對(duì)其他協(xié)議作過(guò)多講解。

主程序負(fù)責(zé)調(diào)用應(yīng)用層各業(yè)務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電業(yè)務(wù)，充電流程圖如圖5所示。

圖5 充電流程圖

3 云平臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用阿里云的云服務(wù)平臺(tái)部署服務(wù)器，平臺(tái)提供了安全、可靠的數(shù)據(jù)計(jì)算和處理能力。采用高內(nèi)聚、低耦合的分層架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，每一層負(fù)責(zé)單獨(dú)的功能，系統(tǒng)分為4層：客戶層、控制層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層[9]。如圖6所示。

圖6 云平臺(tái)管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

① 客戶層：包括移動(dòng)客戶端和Web客戶端，為用戶提供與智能充電樁之間的交互服務(wù)。

② 控制層：對(duì)客戶層發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并調(diào)用業(yè)務(wù)層相應(yīng)模塊進(jìn)行處理，最后將處理結(jié)果返回客戶層。

③ 業(yè)務(wù)層：實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的處理工作。包括設(shè)計(jì)相應(yīng)服務(wù)接口，以及具體實(shí)現(xiàn)方法。

④ 數(shù)據(jù)層：采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理工作。

3.2 業(yè)務(wù)層設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)層是云平臺(tái)管理系統(tǒng)的核心，下面重點(diǎn)介紹業(yè)務(wù)層的設(shè)計(jì)。充電樁管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)主要包括設(shè)備管理、用戶管理、交易管理、數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)處理，如圖7所示。

圖7 業(yè)務(wù)層功能模塊設(shè)計(jì)圖

① 設(shè)備管理：包括設(shè)備的添加和控制。添加設(shè)備指系統(tǒng)管理員能夠進(jìn)行新建設(shè)備的審核和添加；設(shè)備控制是指可以通過(guò)移動(dòng)客戶端和網(wǎng)頁(yè)客戶端來(lái)控制充電樁的啟停以及預(yù)約等操作。

② 用戶管理：包括用戶的注冊(cè)、登錄以及賬號(hào)注銷等。用戶可以使用手機(jī)號(hào)或者郵箱進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)成功后用戶信息會(huì)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，用作后期用戶登錄時(shí)進(jìn)行信息校驗(yàn)。若用戶請(qǐng)求注銷賬號(hào)，則將用戶相關(guān)信息從數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除。

③ 交易管理：包括賬戶充值和扣款。賬戶充值過(guò)程如下，客戶端首先向服務(wù)器發(fā)送充值請(qǐng)求，服務(wù)器生成一個(gè)唯一的訂單號(hào)作為支付記錄?？蛻舳耸盏接唵翁?hào)后調(diào)用微信或支付寶等第三方支付系統(tǒng)SDK(軟件開發(fā)工具包)進(jìn)行支付，支付成功后改變訂單狀態(tài)，將用戶的充值記錄寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)。賬戶扣費(fèi)：充電結(jié)束之后，充電樁將用戶本次訂單充電金額上報(bào)給服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)相應(yīng)賬戶進(jìn)行扣費(fèi)，并將用戶消費(fèi)記錄保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中。

④ 數(shù)據(jù)采集：接收充電樁上傳的自身狀態(tài)信息以及充電信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)指標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即采取相應(yīng)措施。

⑤ 大數(shù)據(jù)分析：根據(jù)系統(tǒng)采集的不同地區(qū)的用電峰谷情況，制定峰谷電價(jià)，鼓勵(lì)用戶在用電谷期進(jìn)行充電，降低電網(wǎng)負(fù)荷。收集不同用戶的充電信息并分析其充電習(xí)慣，為用戶提供更優(yōu)秀的充電服務(wù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在分別完成智能充電樁以及云平臺(tái)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)測(cè)。部分測(cè)試結(jié)果如圖8～圖11所示。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，人機(jī)交互友好，充電模式多樣，云平臺(tái)管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)智能充電樁的實(shí)時(shí)操作和監(jiān)控，符合預(yù)期需求。

圖8 充電樁主界面

圖9 充電界面

圖10 部分Web頁(yè)面

圖11 微信小程序界面

本系統(tǒng)與傳統(tǒng)充電系統(tǒng)對(duì)比分析如表4所示。

表4 本系統(tǒng)與傳統(tǒng)充電系統(tǒng)對(duì)比分析

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于NB-IOT技術(shù)和云平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體架構(gòu)入手，就智能充電樁和云平臺(tái)管理系統(tǒng)提出了具體的分析和設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)成本更低，智能化程度更高，可以給用戶提供更友好的充電服務(wù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，本設(shè)計(jì)將在推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，破解充電設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)難題上具有先導(dǎo)性意義。