電動汽車充電樁數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

秦鑫

摘要：現(xiàn)如今，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，電動汽車的逐漸普及，電動汽車充電樁的大規(guī)模接入會對電網(wǎng)的運行規(guī)劃產(chǎn)生重大影響。提出了一種以預(yù)約為前提條件，面向用戶端的電動汽車智能充電控制策略。根據(jù)充電樁實時運行狀態(tài)，結(jié)合對電動汽車充電時間的預(yù)測，并充分考慮用戶需求，建立了電網(wǎng)控制端—計算機處理終端—智能充電樁終端—電動汽車用戶端之間的信息反饋系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。通過算例分析，結(jié)果表明：采用所提出的充電控制策略，可顯著提高充電系統(tǒng)運營效率，適用于大規(guī)模電動汽車智能充電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電動汽車;充電樁;數(shù)據(jù)采集;終端設(shè)計

引言

針對電動汽車充電樁缺少有效狀態(tài)監(jiān)測的情況，設(shè)計了基于嵌入式ARM平臺的數(shù)據(jù)采集終端。終端采用模塊化設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集處理、ARM處理平臺和數(shù)據(jù)遠傳等三部分。數(shù)據(jù)采集部分采用CAN/RS485通訊，抗干擾能力強。通過ARM和無線技術(shù)的有效結(jié)合，系統(tǒng)能夠獨立完成充電站系統(tǒng)運行分析所需主要參數(shù)的采集、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)工作。該方案對于提高電動汽車充電站運行維護效率，降低運維成本，具有一定的參考價值。

1充電樁數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計方案

電動汽車數(shù)據(jù)采集終端主要由充電樁數(shù)據(jù)采集模塊、ARM數(shù)據(jù)處理模塊和后臺數(shù)據(jù)遠傳模塊三大部分組成。其中，充電樁數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN通訊或RS485通訊與充電樁控制器連接，以通訊方式從充電樁控制器中獲取充電樁實時數(shù)據(jù);ARM數(shù)據(jù)處理模塊則依靠ARM微控制器的強大處理能力，對不同廠家和型號的充電樁數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲;后臺數(shù)據(jù)遠傳模塊根據(jù)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)布線環(huán)境，可選擇有線或無線方式將采集數(shù)據(jù)遠傳至后臺主站系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1充電樁運行工況數(shù)據(jù)采集

通過充電樁數(shù)據(jù)采集終端，獲取充電樁運行工況數(shù)據(jù)，包括設(shè)備狀態(tài)、電氣信息、故障告警、開關(guān)狀態(tài)、通訊報文、溫度濕度、計量信息共七類數(shù)據(jù)，以此作為充電樁狀態(tài)評價數(shù)據(jù)分析、模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)項具體如下：1）設(shè)備狀態(tài)設(shè)備運行狀態(tài)、車輛連接狀態(tài)、充電槍座狀態(tài)、充電接口電子鎖狀態(tài);2）電氣信息輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、充電功率、SOC、單體電池最高電壓、單體電池最低電壓、充電導(dǎo)引電壓、絕緣狀態(tài);3）模塊信息充電模塊電壓、充電模塊電流、充電模塊溫度、充電模塊運行狀態(tài)、充電模塊故障、充電模塊直流輸出短路故障、充電模塊風(fēng)扇故障、充電模塊交流輸入告警、充電模塊交流輸入過壓告警、充電模塊交流輸入欠壓告警、充電模塊交流輸入缺相告警、充電模塊直流輸出過流告警、充電模塊直流輸出過壓告警、充電模塊直流輸出欠壓告警、充電模塊過溫告警、充電模塊通信告警;4）故障告警急停按鈕動作故障、交流斷路器故障、直流母線輸出接觸器故障、直流母線輸出熔斷器故障、充電接口電子鎖故障、充電機風(fēng)扇故障、避雷器故障、絕緣監(jiān)測故障、電池反接故障、充電樁過溫故障、充電槍過溫故障、充電槍未歸位、BMS通信異常、輸入電壓過壓、輸入電壓欠壓、其它類型故障、煙霧報警告警、充電中車輛控制導(dǎo)引告警、直流母線輸出過壓告警、直流母線輸出欠壓告警、直流母線輸出過流告警;5）開關(guān)量狀態(tài)急停開關(guān)、門控開關(guān)、輸出接觸器、放電接觸器、輔助電源控制、電子鎖反饋點;6）通訊報文充電過程中報文信息;7）溫度濕度充電機內(nèi)部溫度、充電機內(nèi)部濕度、充電槍溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、電池組最低溫度、電池組最高溫度;8）計量計費充電電量、充電開始時間、充電結(jié)束時間、充電結(jié)束原因。采集終端將以上八大類數(shù)據(jù)分為遙測、遙信、模塊信息和交易記錄等4個部分進行采集和傳輸。在充電樁待機時，10min上傳一次數(shù)據(jù);當(dāng)充電樁正在充電或發(fā)生故障時，15s上傳一次數(shù)據(jù)。

1.2充電樁數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

在應(yīng)用推廣中，采集終端需要與市售不同廠家的充電設(shè)備進行對接，因而要求接口多樣性，設(shè)計預(yù)留1路RS485接口和2路CAN通訊接口，這2種通訊接口是目前最常用的局域有線組網(wǎng)通訊方式。RS485是一種半雙工的通訊電路，需要由采集終端作為主設(shè)備進行召喚，充電設(shè)備作為從設(shè)備應(yīng)答召喚上傳所需數(shù)據(jù);CAN是一種全雙工自動優(yōu)先級檢測的通訊電路，總線上的所有設(shè)備可以第一時間進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)實時性更高。RS485和CAN通訊均支持總線設(shè)備級聯(lián)，在平衡速率和穩(wěn)定性后，保證單接口至少能夠接入8臺以上的充電樁設(shè)備。RS485和CAN通訊接口在硬件設(shè)計上采用高速光耦，通訊速率達到250kb/s，同時與主控電路實行電氣隔離，耐壓需達到2kV以上，以保證將外部總線的干擾排除在主控電路外側(cè)，不會引起采集終端控制部分運行異常。

2接口及電源

2.1設(shè)備接口

采集設(shè)備接口如圖2所示。

2.2設(shè)備電源

采集終端采用12V電源供電，內(nèi)部針對不同的器件，系統(tǒng)需提供不同的電源，其中CAN/RS485通訊回路為5V供電，ARM微控制器及其外圍電路為3.3V供電，無線通訊模塊為3.8V供電，良好穩(wěn)定的電壓可以保證各器件運行在最佳的工作環(huán)境。

3充電系統(tǒng)異常處理

通過互聯(lián)網(wǎng)和計算機處理終端，系統(tǒng)在充電樁與電動汽車之間建立了快速響應(yīng)的反饋機制，使得用戶端和配電網(wǎng)達到供需平衡。然而，隨著接入系統(tǒng)電動汽車規(guī)模的增加，為使系統(tǒng)正常運行，需要在其中實施一定的策略限制：1）當(dāng)充電樁發(fā)生自檢無法發(fā)現(xiàn)的故障時，電動汽車用戶充電失敗后車載智能終端自動上傳故障信息，并使該充電樁停止接受預(yù)約。2）為防止一次預(yù)約多個充電樁情況，進行預(yù)約個數(shù)為1的限制，當(dāng)預(yù)約其它時，前一個將視為無效預(yù)約，且以最后一個預(yù)約為成功結(jié)果。3）對于預(yù)約成功但沒有進行充電的情況，對應(yīng)的充電樁在接收到預(yù)測充電時刻信息后延遲若干分鐘自行解鎖釋放，實現(xiàn)共享等待下一個新能源電動汽車的預(yù)約。

結(jié)語

在此所提出的基于電動汽車充電站的數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計方法，可根據(jù)CAN或RS485與充電樁監(jiān)控進行通訊，采集充電樁數(shù)據(jù)，同時可以根據(jù)充電站現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)與后臺進行通訊，給用戶提供多種選擇。該采集終端具有離線數(shù)據(jù)緩存功能，當(dāng)采集終端與后臺通訊不上時，可以自行對充電樁數(shù)據(jù)進行緩存，待上線后實時上傳，無需擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失問題?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，采集終端與充電樁監(jiān)控及采集終端與后臺之間通訊穩(wěn)定、運行可靠，可無差錯地進行充電樁數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)。

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