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電動汽車快速充電機監控終端的設計

2019/5/16 11:23:45??????點擊:

   隨著(zhu)國(guo)家對新能(neng)源技術(shu)的(de)(de)大力扶(fu)持(chi),電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)(qi)車逐漸(jian)成為國(guo)家在新能(neng)源汽(qi)(qi)車產業大力發展的(de)(de)對象,而(er)電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)(qi)車充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)站(zhan)、快速(su)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)是電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)(qi)車大規(gui)模化后不可或缺的(de)(de)服務基礎設施之一。大量(liang)分布于(yu)各住(zhu)宅小(xiao)區、停車場(chang)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)動汽(qi)(qi)車用(yong)非車載智(zhi)能(neng)快速(su)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji),實現(xian)高效、安全、智(zhi)能(neng)化的(de)(de)管理必定成為主流。針(zhen)對目前快速(su)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)群實行無人值守(shou)的(de)(de)運行情況(kuang),這就要(yao)求快速(su)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)須具有較高的(de)(de)可靠性和(he)自動化程度(du),功能(neng)更加完善(shan),可遠程維護等功能(neng)。

  這樣,使(shi)得分布式、模(mo)塊化、智能化成(cheng)為快速充(chong)電機的(de)(de)發展方向,而高性能、低成(cheng)本的(de)(de)充(chong)電機監控終端(duan)是其中的(de)(de)關(guan)鍵(jian)技術。為管理區域多(duo)臺充(chong)電機的(de)(de)資源優化利用(yong)與管理的(de)(de)智能化,監控終端(duan)與Internet網的(de)(de)交互成(cheng)為一種必然。

  1 監控網絡的整體方案

  如圖1的監控網絡結構圖所示,監控終端作為充電機與監控中心之間的一個重要網關。其有效的通信鏈路有:監控中心-監控終端;監控終端-充電機(或電池管理系統(BMS)、電動汽車等)。

  電動汽車快速充電機監控終端的設計

  通過(guo)(guo)監控(kong)(kong)終(zhong)端(duan)作為媒介,實現了監控(kong)(kong)中心與(yu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)機及電(dian)(dian)(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)通信(xin)鏈(lian)路的(de)建立。終(zhong)端(duan)通過(guo)(guo)CAN網絡與(yu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)機、BMS及電(dian)(dian)(dian)動(dong)汽(qi)車(che)等(deng)相互通信(xin),采(cai)集相關節點的(de)數據信(xin)息并存儲(chu),并將(jiang)相關信(xin)息反饋(kui)給充(chong)電(dian)(dian)(dian)機。充(chong)電(dian)(dian)(dian)機根據相關信(xin)息從(cong)而(er)實現電(dian)(dian)(dian)動(dong)汽(qi)車(che)電(dian)(dian)(dian)池的(de)智(zhi)能充(chong)電(dian)(dian)(dian)。終(zhong)端(duan)與(yu)監控(kong)(kong)中心之間是(shi)通過(guo)(guo)GPRS連接通信(xin),終(zhong)端(duan)將(jiang)充(chong)電(dian)(dian)(dian)機、電(dian)(dian)(dian)池、電(dian)(dian)(dian)動(dong)汽(qi)車(che)等(deng)相關數據傳回監控(kong)(kong)中心,監控(kong)(kong)中心實現對充(chong)電(dian)(dian)(dian)機的(de)遠程控(kong)(kong)制(zhi)和實時(shi)監控(kong)(kong)功能,記錄充(chong)電(dian)(dian)(dian)機的(de)運(yun)行及故障情況。車(che)主可以由監控(kong)(kong)中心查詢了解當前(qian)空閑的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)機位置,實現資(zi)源充(chong)分(fen)利用(yong)。

  2 監控終端功能模塊

  2.1 監控終端的總體設計

  監控(kong)(kong)終(zhong)端(duan)是連(lian)接監控(kong)(kong)中(zhong)心(xin)與(yu)充電(dian)機的(de)(de)橋(qiao)梁。其總體設計(ji)結(jie)構如圖2所示(shi),監控(kong)(kong)終(zhong)端(duan)主要由(you)Cortex- M3 內(nei)核(he)(he)的(de)(de)STM32ZGT6 的(de)(de)核(he)(he)心(xin)模塊(kuai)、數據(ju)采集模塊(kuai)(CAN 網(wang)絡)、用(yong)(yong)戶(hu)計(ji)費交互(hu)信(xin)息(xi)模塊(kuai)、數據(ju)存(cun)儲模塊(kuai)、實時時鐘模塊(kuai)和GPRS通信(xin)模塊(kuai)6個部(bu)分所組成。終(zhong)端(duan)采用(yong)(yong)Co-tex-M3內(nei)核(he)(he)的(de)(de)STM32ZGT6微處理(li)器芯片。該單片機具有豐富的(de)(de)片上(shang)硬(ying)件(jian)資源,內(nei)含CAN 2.0B的(de)(de)控(kong)(kong)制器,以及(ji)多(duo)達(da)4 個串口,滿足終(zhong)端(duan)CAN 與(yu)GPRS 網(wang)絡接口的(de)(de)需求。

  電動汽車快速充電機監控終端的設計

  監控終端的工作流(liu)程如(ru)下:用(yong)戶計費模塊讀取用(yong)戶信息以(yi)及選(xuan)擇充電(dian)(dian)模式(shi),通過CAN 網絡(luo)向充電(dian)(dian)模塊發送相應充電(dian)(dian)命令(ling);同(tong)時(shi)監控終端讀取CAN 網絡(luo)中(zhong)的關鍵數據(ju)(ju)幀如(ru)充電(dian)(dian)機的運行(xing)狀況等,并將數據(ju)(ju)保存于NandFlash中(zhong)。

  定時將當前充電(dian)用(yong)戶信息和(he)充電(dian)機等運行(xing)參數通過GPRS 發(fa)送到監控中心。監控終端可(ke)以根據用(yong)戶的需要,打印用(yong)戶的余額或收費憑據等。

  2.2 CAN總線模塊

  為了(le)更好地保證(zheng)CAN 總線(xian)可靠的(de)(de)傳輸,系統(tong)定義了(le)一套通用(yong)的(de)(de)應用(yong)層的(de)(de)CAN 總線(xian)協議。主要針對(dui)CAN 2.0B協議的(de)(de)報(bao)文ID進行(xing)了(le)分(fen)配及定義。

  如表1 所示。

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  (1)優先級(ji)(ji)確定(ding)。CAN協議規(gui)定(ding)報(bao)文(wen)(wen)ID越(yue)小,其報(bao)文(wen)(wen)的(de)優先級(ji)(ji)越(yue)高(gao)(gao)。在競爭總線時,優先級(ji)(ji)高(gao)(gao)的(de)報(bao)文(wen)(wen)優先發送,優先級(ji)(ji)低(di)的(de)退出總線競爭。CAN 總線競爭的(de)算法效率很高(gao)(gao),是(shi)一種非破壞性(xing)競爭[3]。因(yin)CAN協議規(gui)定(ding)標識(shi)符由(you)高(gao)(gao)至低(di),前7位(wei)不能(neng)全為顯性(xing)位(wei)。所以(yi)優先級(ji)(ji)1111b保留,故系統(tong)具有15 級(ji)(ji)優先級(ji)(ji)別。

  (2)類(lei)型(xing)碼。協(xie)議將ID24~ID22 規定消息的類(lei)型(xing)。

  在本系(xi)統中,用到的消息類型(xing)主要有:控制、狀態、測量、警告(gao)和廣播5 種(zhong)類型(xing)。根據(ju)將類型(xing)碼的具(ju)體分配如表(biao)2所(suo)示。

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  (3)源地(di)址。協議規定ID12~ID16 為(wei)源地(di)址,ID17~ID21為(wei)目(mu)標地(di)址,進而標識報文的各接收節(jie)(jie)點(dian)與(yu)發送節(jie)(jie)點(dian)。5位(wei)地(di)址位(wei),保留11111b為(wei)廣播(bo)地(di)址,可(ke)以確定31個控(kong)制(zhi)節(jie)(jie)點(dian),可(ke)滿足電(dian)(dian)動汽車充電(dian)(dian)機(ji)的監(jian)控(kong)需(xu)求(qiu)。在此系統中(zhong),定義00000b為(wei)監(jian)控(kong)終端(duan),00001b為(wei)充電(dian)(dian)機(ji)節(jie)(jie)點(dian),00010b為(wei)電(dian)(dian)池管理系統(BMS)節(jie)(jie)點(dian)。

  (4)分(fen)(fen)段(duan)碼。因不同的(de)節點所發(fa)送(song)(song)的(de)數據量不同,可能會出現一(yi)(yi)個(ge)(ge)數據幀不能把從底層采(cai)集(ji)到的(de)數據一(yi)(yi)次性發(fa)送(song)(song)完畢(bi)(即超過8 個(ge)(ge)字節的(de)情況)。協議中將ID11~ID4定義(yi)為分(fen)(fen)段(duan)碼,如表3所示。

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  在(zai)表3 中,某節點的(de)數據幀由(you)分段碼00H 開始(shi),由(you)FFH結束,最大可支(zhi)持發送(song)256×8字節的(de)數據。若該節點只有(you)一幀數據,定義(yi)FFH同(tong)時也為單幀數據。

  例如,BMS節點(dian),包含了電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)總(zong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)總(zong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)SoC、電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)各個(ge)(ge)箱體(9個(ge)(ge))的溫度以及(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池組(zu)狀態的信息等。每(mei)個(ge)(ge)數據(ju)占用2 B.顯(xian)然一個(ge)(ge)數據(ju)幀(zhen)(zhen)是(shi)無法發(fa)送(song)該節點(dian)的全部信息,故須采用多幀(zhen)(zhen)方式(shi)發(fa)送(song)。

  2.3 數據發送模塊

  終(zhong)端是通過串口(kou)外(wai)接(jie)周立功GPRS 模塊(ZWG-23A)連接(jie)到互聯網。通過GPRS網絡上網,連接(jie)到服(fu)務(wu)器之后(hou),按照通信協議定時向服(fu)務(wu)器發送(song)數據(ju)。根據(ju)《深圳市電(dian)動(dong)汽(qi)車充(chong)電(dian)系統技術規范》標(biao)準文件,協議由報文起始標(biao)識、版本號(hao)、命(ming)令字、報文長度、數據(ju)內容、校檢碼等組成的,其(qi)具(ju)體(ti)格式(shi)如表4 所示。

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  (1)起始標識。設為0xFAF5,用于喚(huan)醒接(jie)收方(fang)準備接(jie)收數據(ju)。

  (2)報文長度(du)。是由[發送序(xu)列號]到[數據(ju)內容(rong)]的(de)總長度(du)。

  (3)校驗碼。是(shi)從[起始標(biao)識]到[數(shu)據內容]的(de)無進位累加和。

  (4)接收(shou)(發(fa)送(song))方類型與(yu)地址。監控中心為(wei)類型為(wei)“業(ye)務服(fu)務平臺”,其數(shu)值為(wei)1,其地址為(wei)在(zai)此類型碼下(xia)的某一(yi)(yi)個(ge)惟一(yi)(yi)地址;終端(duan)的類型為(wei)“調度終端(duan)”,其數(shu)值為(wei)255,地址為(wei)此類型下(xia)的某一(yi)(yi)個(ge)惟一(yi)(yi)地址。

  (5)數據(ju)內(nei)容與命(ming)令(ling)字(zi):不(bu)同的命(ming)令(ling)字(zi)決定該報文所(suo)攜帶的數據(ju)的內(nei)容的構成(cheng)及所(suo)占(zhan)用的字(zi)節數。

  數(shu)據(ju)內容(rong)一般(ban)由一個或多個數(shu)據(ju)對象組合而成,也可以(yi)為(wei)空。發(fa)送(song)方在(zai)應(ying)(ying)(ying)答(da)非正常或無應(ying)(ying)(ying)答(da)的情況(kuang)下(xia),每條數(shu)據(ju)報文最多重復(fu)發(fa)6次,每次間(jian)隔時間(jian)為(wei)30 s.數(shu)據(ju)內容(rong)根(gen)據(ju)命令字的不同其(qi)所組成的數(shu)據(ju)對象也不同,通(tong)常情況(kuang)下(xia),終(zhong)(zhong)端與(yu)監控中心的通(tong)信包括終(zhong)(zhong)端注冊、中心應(ying)(ying)(ying)答(da)、終(zhong)(zhong)端就緒、定時發(fa)送(song)4個階段。部分命令字與(yu)對應(ying)(ying)(ying)的數(shu)據(ju)內容(rong)見表5所示。

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  3 軟件設計

  3.1 μC/OS-Ⅱ的多任務管理

  移植μC/OS-Ⅱ實(shi)時(shi)(shi)操作系(xi)(xi)統(tong)為監控終(zhong)端的系(xi)(xi)統(tong)平臺,該(gai)系(xi)(xi)統(tong)是可剝奪性多(duo)任(ren)務內核的實(shi)時(shi)(shi)操作系(xi)(xi)統(tong),具有實(shi)時(shi)(shi)、可裁剪、可靠和穩定性等優點。μC/OS-Ⅱ的系(xi)(xi)統(tong)資源豐富,除去自身的系(xi)(xi)統(tong)任(ren)務外,用戶可以(yi)建立多(duo)達56個任(ren)務,并提供信號(hao)量(liang)、消息郵箱、消息隊列及內存管理等系(xi)(xi)統(tong)級服務,足以(yi)滿足充電樁的監控終(zhong)端的系(xi)(xi)統(tong)要求。

  為實現監(jian)控終端的(de)(de)功能要求,在μC/OS-Ⅱ中設計了以下13個任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu):顯示(shi)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、鍵盤查詢任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、輸(shu)入處理任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、打印任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、數(shu)(shu)據的(de)(de)存儲任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、IC 卡的(de)(de)讀(du)/寫(xie)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、GPRS 的(de)(de)發(fa)送任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、CAN 數(shu)(shu)據的(de)(de)接收任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、CAN 數(shu)(shu)據的(de)(de)發(fa)送任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、GPRS的(de)(de)接收任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、命令控制(zhi)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)、報(bao)警任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)及(ji)看門狗(gou)的(de)(de)喂狗(gou)和(he)異常(chang)檢(jian)測(ce)任(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)(ren)務(wu)(wu)(wu)。

  μC/OS-Ⅱ的多任(ren)務(wu)的特點,規定每個任(ren)務(wu)都必須具有不同的優先(xian)級。根(gen)據任(ren)務(wu)的關聯性(xing)(xing)、關鍵性(xing)(xing)、緊迫性(xing)(xing)、頻(pin)繁性(xing)(xing)、實時要(yao)求性(xing)(xing)來確(que)定任(ren)務(wu)的優先(xian)級,既(ji)要(yao)保證每個任(ren)務(wu)的相對獨(du)立性(xing)(xing),又要(yao)避免任(ren)務(wu)調度頻(pin)繁致使(shi)系統的效(xiao)率(lv)下(xia)降(jiang)。任(ren)務(wu)的優先(xian)級規劃(hua)如表6所示。

  電動汽車快速充電機監控終端的設計

  表1 中基本數據包括城(cheng)市區號、停車場序號、充(chong)電(dian)樁(zhuang)位置信息、報文發送時間以(yi)及充(chong)電(dian)機、BMS和用戶IC卡的相關(guan)信息共計209 B.

  表中各(ge)任(ren)務優先級之間保留一定(ding)的(de)間隔,方便(bian)系(xi)(xi)統(tong)以后的(de)改進和升級。系(xi)(xi)統(tong)設定(ding)時鐘節拍為(wei)10 ms,滿足(zu)充(chong)電(dian)樁的(de)實時性要求。μC/OS-Ⅱ系(xi)(xi)統(tong)利(li)用(yong)信號量、消息郵箱和消息隊列三種通信方式將本(ben)系(xi)(xi)統(tong)中的(de)13個應用(yong)任(ren)務關(guan)聯在一起(qi),其關(guan)系(xi)(xi)如圖3所示。

  電動汽車快速充電機監控終端的設計

  3.2 ZWG-23A模塊的配置

  ZWG-23A 通(tong)(tong)過串口與終(zhong)端鏈接,它通(tong)(tong)過移動通(tong)(tong)信的GPRS 網(wang)絡鏈接互聯網(wang)。由于周立功公司(si)并沒(mei)有提供基于μC/OS-Ⅱ的DTU 配置(zhi)程(cheng)序(xu),所以系統中需(xu)要自行開(kai)發相關的配置(zhi)程(cheng)序(xu),其配置(zhi)DTU 的程(cheng)序(xu)流程(cheng)圖如圖4所示。

  電動汽車快速充電機監控終端的設計

  假(jia)設終(zhong)端(duan)每(mei)天(tian)與中(zhong)心(xin)連接注冊一(yi)次,以(yi)每(mei)隔(ge)30 s的(de)(de)(de)心(xin)跳(tiao)時間定時向中(zhong)心(xin)發送(song)監控信息,根據表(biao)6數(shu)據內容(rong)字節計算,一(yi)臺終(zhong)端(duan)一(yi)天(tian)發送(song)報文所產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)GPRS流量大約(yue)為 (228 × 2 × 60 × 24 + 294 × 2 + 100) (128 × 1 024) =5 MB,以(yi)每(mei)月30天(tian)計算,一(yi)年一(yi)臺終(zhong)端(duan)所產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)GPRS流量為1.7 GB.采用2 GB的(de)(de)(de)包年流量套餐足以(yi)滿足終(zhong)端(duan)一(yi)年所產(chan)(chan)生的(de)(de)(de)流量費。

  4 結語

  本文研究(jiu)了(le)電動汽車快速充電機監控(kong)網(wang)(wang)絡的(de)(de)結構組成(cheng),詳細分析了(le)監控(kong)終端的(de)(de)通信(xin)網(wang)(wang)絡的(de)(de)CAN與GPRS的(de)(de)通信(xin)應(ying)用(yong)層協議(yi)。其CAN 網(wang)(wang)絡協議(yi)具有廣(guang)泛(fan)的(de)(de)通用(yong)性,GPRS的(de)(de)流量少,可推(tui)廣(guang)到自動化的(de)(de)其他領域中的(de)(de)應(ying)用(yong)。 

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