(合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230601)

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，高效充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已成當務(wù)之急。充電樁建設(shè)成本高且缺乏有效管理是當前充電運營亟待解決的難題[1]。2018年國家發(fā)改委和能源局出臺的《關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導意見》[2]中明確指出要提高電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平，通過“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，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，耗費大量人力物力，成本較高。傳統(tǒng)無線組網(wǎng)方式主要有GPRS，ZigBee等[4-5]。而NB-IOT技術(shù)是5G時代的物聯(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，信號增強20 dBm增益，在地下停車場和偏遠地區(qū)的充電樁應(yīng)用上更有優(yōu)勢[6]，并且NB-IOT具有更強的鏈接能力，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]，這對于未來提升充電樁建設(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就可以使用。因此，本設(shè)計采用NB-IOT技術(shù)來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

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，用戶體驗較差；無法實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，充電過程中一旦發(fā)生異常導致停機，不能及時通知到車主和設(shè)備廠家，造成用戶時間損失，也不能及時維護設(shè)備。針對以上問題，本文設(shè)計的電動汽車智能充電系統(tǒng)具有以下基本功能：

① 啟動方式多選，支持IC刷卡，微信小程序掃碼以及Web頁面管理員啟動。

② 充電模式多選，按時長充電、按金額充電、自動充滿以及預(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卡號與微信小程序賬戶綁定，可掛失。

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

⑤ 實時監(jiān)控電樁狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障立即診斷并上報。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)分為智能充電樁和云平臺管理系統(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)至云平臺管理系統(tǒng)。

云平臺管理系統(tǒng)由云服務(wù)器、移動端和Web客戶端組成。云服務(wù)器負責解析智能充電樁發(fā)送的報文，完成數(shù)據(jù)清洗、加工及存儲工作，并交由移動端和Web客戶端調(diào)用。用戶可通過移動端和Web客戶端對智能充電樁進行控制，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

2.1 架構(gòu)設(shè)計和功能定義

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立劃分，這樣做有利于充電樁的標準化，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 人機交互：首先通過IC卡或微信小程序掃碼進行用戶身份認證，認證成功后在充電樁顯示屏或手機端上給用戶提供向?qū)降牟僮鹘缑婧驼Z音提示。

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

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

④ 計量單元：在充電過程中實時讀取充電電量，并根據(jù)電價計算出實時充電費用。

⑤ 繼電器控制單元：負責控制強電回路的繼電器通斷。

⑥ 傳感器單元：通過相應(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，保障充電過程安全可靠。

⑦ 充電單元：與車輛BMS通信并實時調(diào)節(jié)非車載充電機的輸出電壓、電流大小給電動汽車充電。

2.2 硬件設(shè)計

智能充電樁主控芯片采用目前主流的意法半導體(ST)公司的STM32F207ZET6高性能CPU，主頻達到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、語音模塊通過RS232通信，與電表通過RS485通信，與車輛BMS、非車載充電機通過CAN通信。溫濕度傳感器采用AM2321溫濕度檢測芯片進行充電樁運行環(huán)境檢測，使用SPI通信。存儲芯片采用鐵電存儲器FM24CL04B，掉電數(shù)據(jù)能保存10年，通過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UART串口與主控制器進行數(shù)據(jù)交互。為保證模塊穩(wěn)定運行，在設(shè)計外圍電路時需要注意以下幾點：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10 kΩ電阻進行電平匹配；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模塊對應(yīng)位置放置，并且增加ESD保護。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、槍頭連接確認等都為普通I/O控制。

2.3 軟件設(shè)計

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

2.3.1 通信協(xié)議設(shè)計

智能充電樁與云平臺管理系統(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)議的報文格式如表1所示。

表1 通信協(xié)議報文格式

其中，起始域固定為0xF5AA，用來識別報文的有效性；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)的報文，為偶數(shù)表示充電樁上傳的報文；校驗和采用CRC校驗檢驗數(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

NB73模塊通過AT指令控制，支持3種工作模式：網(wǎng)絡(luò)透傳模式，CoAP模式和UDC模式，本文采用網(wǎng)絡(luò)透傳模式。透傳模式是通過創(chuàng)建UDP套接字實現(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)信息通過串口發(fā)送到NB-IOT模塊，模塊自動將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至云服務(wù)器，同時模塊也可以接收來自服務(wù)器的指令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至充電樁。本設(shè)計用到的AT指令集及其功能說明見表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

充電業(yè)務(wù)軟件實現(xiàn)采用分層設(shè)計思想，分為驅(qū)動層、應(yīng)用層和主程序，同時采用面向?qū)ο笏枷雽?shù)據(jù)進行封裝，保障數(shù)據(jù)的獨立性和安全性。

驅(qū)動層主要負責主控芯片的各個外設(shè)配置及初始化功能，包括GPIO口、定時器、UART串口、CAN口、SPI口、I2C口、ADC接口等。

應(yīng)用層主要實現(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)、非車載充電機控制任務(wù)、后臺通信任務(wù)、安全檢測任務(wù)等，參照的協(xié)議主要有：DLT645電表通信協(xié)議、非車載充電機控制協(xié)議、非車載傳導式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的協(xié)議、智能充電樁與云平臺管理系統(tǒng)通信協(xié)議等。后者已在上文介紹，由于篇幅所限，這里不對其他協(xié)議作過多講解。

主程序負責調(diào)用應(yīng)用層各業(yè)務(wù)模塊實現(xiàn)整個充電業(yè)務(wù)，充電流程圖如圖5所示。

圖5 充電流程圖

3 云平臺管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 架構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計使用阿里云的云服務(wù)平臺部署服務(wù)器，平臺提供了安全、可靠的數(shù)據(jù)計算和處理能力。采用高內(nèi)聚、低耦合的分層架構(gòu)設(shè)計思想，每一層負責單獨的功能，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 云平臺管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

① 客戶層：包括移動客戶端和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：對客戶層發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行解析，并調(diào)用業(yè)務(wù)層相應(yīng)模塊進行處理，最后將處理結(jié)果返回客戶層。

③ 業(yè)務(wù)層：實現(xiàn)對系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的處理工作。包括設(shè)計相應(yīng)服務(wù)接口，以及具體實現(xiàn)方法。

④ 數(shù)據(jù)層：采用MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲及管理工作。

3.2 業(yè)務(wù)層設(shè)計

業(yè)務(wù)層是云平臺管理系統(tǒng)的核心，下面重點介紹業(yè)務(wù)層的設(shè)計。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)管理員能夠進行新建設(shè)備的審核和添加；設(shè)備控制是指可以通過移動客戶端和網(wǎng)頁客戶端來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、登錄以及賬號注銷等。用戶可以使用手機號或者郵箱進行注冊，注冊成功后用戶信息會保存到數(shù)據(jù)庫中，用作后期用戶登錄時進行信息校驗。若用戶請求注銷賬號，則將用戶相關(guān)信息從數(shù)據(jù)庫中刪除。

③ 交易管理：包括賬戶充值和扣款。賬戶充值過程如下，客戶端首先向服務(wù)器發(fā)送充值請求，服務(wù)器生成一個唯一的訂單號作為支付記錄?？蛻舳耸盏接唵翁柡笳{(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。賬戶扣費：充電結(jié)束之后，充電樁將用戶本次訂單充電金額上報給服務(wù)器，服務(wù)器對相應(yīng)賬戶進行扣費，并將用戶消費記錄保存至數(shù)據(jù)庫中。

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，實時監(jiān)控各項指標，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，鼓勵用戶在用電谷期進行充電，降低電網(wǎng)負荷。收集不同用戶的充電信息并分析其充電習慣，為用戶提供更優(yōu)秀的充電服務(wù)。

4 系統(tǒng)測試

在分別完成智能充電樁以及云平臺管理系統(tǒng)的設(shè)計后，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實測。部分測試結(jié)果如圖8～圖11所示。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便，人機交互友好，充電模式多樣，云平臺管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程對智能充電樁的實時操作和監(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頁面

圖11 微信小程序界面

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

表4 本系統(tǒng)與傳統(tǒng)充電系統(tǒng)對比分析

5 結(jié)束語

本文基于NB-IOT技術(shù)和云平臺設(shè)計了一套電動汽車智能充電系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體架構(gòu)入手，就智能充電樁和云平臺管理系統(tǒng)提出了具體的分析和設(shè)計。相對于傳統(tǒng)電動汽車充電系統(tǒng)，本設(shè)計成本更低，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)計將在推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，破解充電設(shè)施建設(shè)和運營難題上具有先導性意義。