張 楠

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

0 引言

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的資源，如石油，煤炭等越來越稀缺。上世紀(jì)末，兩次重大能源危機(jī)導(dǎo)致西方經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)蕭條和危機(jī)，能源部門的可持續(xù)發(fā)展成為世界各國(guó)面臨的重大挑戰(zhàn)，世界各國(guó)越來越重視尋找清潔能源來解決環(huán)境問題[1]。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展背景下，我國(guó)城市中，汽車使用量不斷增多，隨之而來的就是城市的環(huán)境問題。在城市環(huán)境污染日益嚴(yán)重的當(dāng)代社會(huì)，我國(guó)必須要制定相關(guān)政策，進(jìn)行節(jié)能環(huán)保，同時(shí)還要倡導(dǎo)民眾綠色出行。同時(shí)，為了改善這一情況，國(guó)家還助力節(jié)能汽車發(fā)展，對(duì)新能源汽車的研發(fā)給予政策扶持，同時(shí)推出共享電動(dòng)車，這些策略對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)國(guó)家生態(tài)文明、加快汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要戰(zhàn)略意義。然而，雖然政策上給予支持，但通用電動(dòng)汽車充電器在各個(gè)城市的使用率高，高頻率的使用大大縮短了充電樁的壽命，導(dǎo)致無法充電或計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)的問題。車輛多充電難成了中小城市的難題。在技術(shù)或經(jīng)驗(yàn)方面都無法跟上通用電動(dòng)汽車的增長(zhǎng)速度，由于電動(dòng)汽車越來越普及，公用充電樁的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)不完善，給電動(dòng)車主帶來許多不便。為了解決上述問題，本文對(duì)基于B/C模式的共享電動(dòng)車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，主要對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)過程中，選擇讀卡器實(shí)現(xiàn)IC卡充值和支付功能，為用戶提供方便快捷的交易方式。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)人機(jī)交互模塊，方便日后統(tǒng)計(jì)查詢，再設(shè)計(jì)基于B/C的計(jì)費(fèi)控制單元，完成計(jì)費(fèi)過程中的接口和計(jì)費(fèi)功能設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)存儲(chǔ)費(fèi)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，從而完成電動(dòng)汽車通用計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：以TMS320F28335 TI數(shù)字信號(hào)處理器為主控制器的計(jì)費(fèi)控制單元，包括外圍通信接口、讀卡器模塊、以太網(wǎng)通信、語(yǔ)音模塊和 EEPROM 擴(kuò)展模塊等[2]；另一部分采用STM32F103ZET6作為主控，核心充電器控制器硬件還包括數(shù)字開關(guān)電路、軌檢測(cè)電路、CAN總線接口電路。讀卡器的主要功能有：IC卡支付以及IC卡的充值這兩部分，通過這兩個(gè)功能，能夠?yàn)橛脩籼峁└臃奖愕慕灰仔问?。同時(shí)能夠在用戶使用充電樁的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)有異常情況，用戶可以快速按下樁身顯示屏旁邊的急停按鈕，快速停止充電。

以太網(wǎng)接口、看門狗電路、電源電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、RS232和RS485通訊模塊、人機(jī)交互模塊、測(cè)溫模塊等[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 hardware structure diagram of billing system

為了提高其抗干擾能力，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要設(shè)置外部看門狗。其中的定時(shí)器采用美國(guó)IMP公司生產(chǎn)的IMP706T微電路，該IC功能多、功耗低。IMP706T內(nèi)部結(jié)構(gòu)由電源電壓監(jiān)視器和計(jì)時(shí)器共同組成，能夠?qū)κ褂脮r(shí)出現(xiàn)故障及時(shí)進(jìn)行提示，不影響其他模塊的正常使用，在異常情況下也會(huì)根據(jù)其不同故障產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。WDI應(yīng)用于定時(shí)喂狗，保證芯片的復(fù)位輸出始終為高電平，當(dāng)看門狗輸入在1.6 S內(nèi)沒有啟動(dòng)時(shí)，其輸出會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)[4]。

由于充電樁的安裝有時(shí)是分散的，可以分布在多個(gè)站點(diǎn)，因此需要一個(gè)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，得益于以太網(wǎng)通訊，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)匯總每個(gè)充電站內(nèi)所有充電站的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警數(shù)據(jù)、電量等信息，并進(jìn)行秘密統(tǒng)計(jì)[5]。同時(shí)，系統(tǒng)還具有遙控、遙信、遙測(cè)等功能。計(jì)費(fèi)控制單元作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，是信息匯集與處理的紐帶。

計(jì)費(fèi)系統(tǒng)向充電設(shè)備控制器下發(fā)充電或停止指令，采集電能表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并顯示在液晶屏上，同時(shí)還執(zhí)行IC充電卡的充電和充電功能，接收計(jì)費(fèi)控制單元的控制指令，將采集到的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息傳送到計(jì)費(fèi)控制單元顯示，與電動(dòng)汽車的充電模塊和BMS通信相連接，能夠?qū)Τ潆娭械碾娏饕约半妷旱惹闆r進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而能夠保障整個(gè)充電過程的安全性[6]。

為了保證整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，以及保證充電過程中設(shè)備和人員的安全，需要一個(gè)經(jīng)濟(jì)、快速的驅(qū)動(dòng)控制器來保證在異常情況下充電的快速停止。因此，本設(shè)計(jì)選用高性能 DSP TMS320F28335微電路對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。

充電控制單元必須由+12 V、+5 V、+3.3 V和+1.9 V的直流電源供電。其中+12 V和+5 V有專門的開關(guān)電源模塊輸出，這里不再詳述。TMS320F28335需要3.3V和1.9V兩個(gè)電壓分別為IO和內(nèi)核供電，上電時(shí)序?qū)π酒姆€(wěn)定運(yùn)行影響較大[7]。如果內(nèi)核在 I/O模塊之后打開，因?yàn)楫?dāng)時(shí)內(nèi)核沒有運(yùn)行，則 I/O狀態(tài)可能是未定義的，在輸出引腳上時(shí)會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不可估量的影響。為避免此類問題，內(nèi)核必須在I/O模塊的引腳之前上電。

本設(shè)計(jì)采用 TPS767D301雙輸出 LDO電源IC，TPS767D301可提供2路輸出，每路最大1A電流，1路固定3.3V輸出電壓，另外1.9V輸出電壓可通過外接電阻調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)費(fèi)控制單元作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，在整個(gè)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。它向充電設(shè)備控制器發(fā)出充電或停止命令，采集電能表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并顯示在液晶屏上，同時(shí)還執(zhí)行 IC充電卡的充電功能。該軟件采用C語(yǔ)言編寫，遵循模塊化編程概念，能夠在保證代碼可讀性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了可移植性，在后續(xù)的維護(hù)與升級(jí)方面更加容易[8]。

充電用戶在識(shí)別IC卡后，進(jìn)行讀取，將RS232接口連接至充電控制單元，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信，然后IC卡進(jìn)行秘鑰解密設(shè)置，同時(shí)對(duì)用戶信息進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算收費(fèi)金額，完成收費(fèi)。需要說明的是，積疊式讀卡器只能讀取IC卡信息并進(jìn)行結(jié)算，不具備充值IC卡余額的功能。如果您的IC卡需要充值，您必須聯(lián)系充電器庫(kù)存管理公司使用專門的發(fā)卡機(jī)構(gòu)的服務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)

本文通過上述論述，從硬件和軟件兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)共享電動(dòng)車計(jì)費(fèi)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，將其與傳統(tǒng)系統(tǒng)（文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)）同時(shí)引入到共享電動(dòng)車計(jì)費(fèi)中，結(jié)合實(shí)際需求和目的對(duì)兩種系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行功能是否能夠正常運(yùn)行進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確結(jié)果Tab.1 accurate billing results of two systems

通過表1可知，傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然能夠?qū)蚕砥囘M(jìn)行計(jì)費(fèi)，但是計(jì)費(fèi)不夠準(zhǔn)確，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)蚕砥囘M(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)費(fèi)。

分別利用兩種計(jì)費(fèi)系統(tǒng)完成對(duì)共享汽車的計(jì)費(fèi)，并記錄在72 h內(nèi)，從兩種系統(tǒng)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 兩種計(jì)費(fèi)系統(tǒng)計(jì)費(fèi)時(shí)長(zhǎng)對(duì)比結(jié)果Tab.2 comparison results of two billing systems’ billing duration

從表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)計(jì)費(fèi)時(shí)長(zhǎng)均在20.00 ms以下，明顯小于傳統(tǒng)系統(tǒng)計(jì)費(fèi)時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，傳統(tǒng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)出現(xiàn)了一次計(jì)費(fèi)未成功現(xiàn)象，因此在第四次計(jì)費(fèi)時(shí)并未得到本文實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，本文提出的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中更有效[9]。

4 結(jié)論

本文對(duì)當(dāng)前的能源情況進(jìn)行簡(jiǎn)述，同時(shí)闡述了共享電動(dòng)汽車的現(xiàn)狀，由當(dāng)前的環(huán)境污染問題，說明了共享電動(dòng)汽車的必要性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)基于B/C模式的共享電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析，對(duì)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，同時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明與傳統(tǒng)的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性更高，同時(shí)計(jì)費(fèi)的時(shí)長(zhǎng)更短。為了進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效果，未來將通過以下幾個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善。例如，在雙重充電的情況下，使功率分布均勻，從而幫助汽車快速充滿電。同時(shí)，后期可增加配電方案，可根據(jù)每輛車的SOC自由分配功率，當(dāng)一輛車當(dāng)前需求較小時(shí)，自動(dòng)將充電模塊的資源分配給另一輛車提高充電效率。當(dāng)電動(dòng)汽車滿電狀態(tài)時(shí)，充電樁接口自動(dòng)介入保護(hù)裝置，保證電池續(xù)航以及電池延續(xù)使用壽命[10]。提高充電樁的分布率，使電動(dòng)汽車可以像機(jī)動(dòng)車加油站一樣，隨時(shí)充電。相信隨著電動(dòng)汽車規(guī)模的不斷發(fā)展，充電技術(shù)會(huì)日趨成熟，成本控制得到下降，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電的直流充電單元，促使共享電動(dòng)汽車的廣闊使用。