電動(dòng)汽車“智慧”充電系統(tǒng)研究

江金群　葉鈞　朱廷華　謝雷　馬志豪

摘 要：針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車的逐步推廣，以及電動(dòng)汽車充電樁的現(xiàn)狀和需求，為滿足用戶參與用電管理，以便實(shí)時(shí)了 解充電樁的狀態(tài)與位置信息、電價(jià)信息等，本文提出了電動(dòng)汽車“智慧”充電系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的三個(gè)主要組成部分智能充電樁、服務(wù)器和微信平臺(tái)的功能與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)通過微信平臺(tái)即可實(shí)時(shí)查詢充電樁的狀態(tài)與位置信息，并實(shí)現(xiàn)充電樁的定位導(dǎo)航、充電預(yù)約及鎖定、選擇充電模式、停止充電等功能，使用戶參與用電管理，實(shí)現(xiàn)合理用電、有序充電，為未來電動(dòng)汽車的發(fā)展提供實(shí)踐條件。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 智能充電樁 服務(wù)器 微信平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（c）-0045-03

Abstract： For the current domestic gradual promotion of electric vehicles， the current status and demand for electric vehicle charging piles， in order to meet the user's participation in electricity management， to understand the status and location information of the charging piles， electricity price information and so on. This article proposes a 'wisdom' charging system for electric vehicles. It analyzes and designs the functions and structures of the three main components of the system： smart charging piles， servers， and WeChat platforms. The system can query the status and position information of the charging pile in real time through the WeChat platform， and realize the functions of positioning and navigation of the charging pile， charging reservation and locking， selecting the charging mode， and stopping the charging. Enable users to participate in power management， achieve reasonable use of electricity， orderly charging， and provide practical conditions for the future development of electric vehicles.

Key Words： Electric vehicle； Smart charging pile； Server； WeChat platform

常規(guī)化石燃料的使用對(duì)大氣造成很大程度污染的同時(shí)，其儲(chǔ)量也越來越少，如今新能源開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今世界的熱門話題，其相關(guān)技術(shù)也越來越受到重視。隨著國(guó)家對(duì)新能源戰(zhàn)略的推動(dòng)及電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車憑借其環(huán)保高效的優(yōu)勢(shì)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-3]。作為電動(dòng)汽車最為核心的部分，其充電技術(shù)成為亟待解決的技術(shù)難題。

電動(dòng)汽車的充電用戶希望能實(shí)時(shí)了解充電樁的電價(jià)信息、位置信息等，實(shí)現(xiàn)這一目的需要對(duì)充電樁進(jìn)行電量監(jiān)測(cè)和智能控制，達(dá)到智能化管理。文獻(xiàn)[4-5]提出了集智能充電樁、云服務(wù)器和移動(dòng)客戶端APP應(yīng)用軟件于一體的應(yīng)用系統(tǒng)。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的現(xiàn)狀，相較于APP客戶端這一類的應(yīng)用軟件，微信的用戶量更大，因此建立微信平臺(tái)的價(jià)值更大。本文提出了電動(dòng)汽車“智慧”充電系統(tǒng)研究，通過微信平臺(tái)實(shí)現(xiàn)充電樁的定位導(dǎo)航、狀態(tài)查詢、充電預(yù)約、選擇充電模式和停止充電等功能，為電動(dòng)汽車未來大規(guī)模推廣奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)組成

電動(dòng)汽車“智慧”充電系統(tǒng)主要由智能充電樁、服務(wù)器和微信平臺(tái)組成，如圖1所示。

（1）智能充電樁是為電動(dòng)汽車提供充電的裝置。交流充電樁建設(shè)在小區(qū)停車場(chǎng)，采用220V或390V交流電壓，利用車輛夜間閑置的時(shí)間來進(jìn)行充電，為慢充，充電時(shí)間為4～5h。直流充電樁建設(shè)在電動(dòng)公交車站或大型電動(dòng)汽車的場(chǎng)合，可以快速完成車輛的充電過程，為快充，充電時(shí)間在1h內(nèi)[6]。

（2）服務(wù)器是為電動(dòng)汽車充電提供數(shù)據(jù)的發(fā)布、收集、存儲(chǔ)和加工的綜合平臺(tái)，由計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和其他外圍設(shè)備組成，系統(tǒng)平臺(tái)硬件和軟件都具有高可靠性和可擴(kuò)展性[6]。

（3）微信平臺(tái)是用戶參與用電管理的接口，用戶通過微信平臺(tái)實(shí)時(shí)查詢充電樁的位置狀態(tài)信息，同時(shí)定位與導(dǎo)航，進(jìn)行充電預(yù)約，選擇充電模式和停止充電等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能充電樁

智能充電樁與以往傳統(tǒng)充電樁相比增加了Wi-Fi通信模塊，通過Wi-Fi路由器與服務(wù)器連接[5]。圖2為智能充電樁原理框圖，主要由智能電表、MCU單元、Wi-Fi通信模塊、保護(hù)單元和電源轉(zhuǎn)換模塊等組成。

（1）智能電表：其核心采用高精度電能計(jì)量芯片RN8209設(shè)計(jì)電能檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電過程中的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)量并對(duì)其充電狀態(tài)的檢測(cè)。該芯片5V供電，其有功無功電能誤差在1500∶1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)<0.1%，工作基本頻率為3.579545M，均滿足IEC62053標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。電壓采樣采用電阻分壓方式，電流采樣分別采集火線和零線電流。電能檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。

（2）MCU單元：為充電樁的控制核心，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)與指令控制。采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位嵌入式微處理器STM32F103C8T6芯片，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率高達(dá)72MHz，在存儲(chǔ)器的等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHz，具有較強(qiáng)的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力[8]。通過串口或SPI總線與智能電表和Wi-Fi通信模塊通信，通過I2C總線與Flash存儲(chǔ)單元通信，通過驅(qū)動(dòng)電路與接觸器相連實(shí)現(xiàn)電能輸出的通斷控制。

（3）保護(hù)單元：包括漏電保護(hù)器和防雷器，漏電保護(hù)器用于設(shè)備發(fā)生漏電故障和有致命危險(xiǎn)的人身觸電保護(hù)，防雷器用于防止直擊雷或其他內(nèi)部過電壓侵入設(shè)備造成的損壞。

（4）Wi-Fi通信模塊：采用低功耗Wi-Fi模塊，與無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)充電裝置開關(guān)狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制、電壓、電流、功率、電能等信息的上報(bào)。

（5）電源轉(zhuǎn)換模塊：用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以提供不同電壓等級(jí)的直流電，為其他電路提供電源。

2.2 服務(wù)器

服務(wù)器采用分層處理策略，逐層分解數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和整體性能。主要包括網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層，總體技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)層按照規(guī)范化的統(tǒng)一通信規(guī)約實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送；業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一與表達(dá)，規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)接入，建立統(tǒng)一的信息模型；應(yīng)用層遵循服務(wù)器體系架構(gòu)，將多種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，向外提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)支撐各類業(yè)務(wù)應(yīng)用[5]。

（1）網(wǎng)絡(luò)層：將充電樁的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一信息模型描述后傳輸至網(wǎng)絡(luò)層，通過信息模型映射到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊悍?wù)器，經(jīng)過集群服務(wù)器傳輸至業(yè)務(wù)層。

（2）業(yè)務(wù)層：負(fù)責(zé)處理前端及網(wǎng)絡(luò)層采集的指令、數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及業(yè)務(wù)功能。處理來自兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)流：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)流和應(yīng)用層數(shù)據(jù)流。通過緩存、隊(duì)列、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的拆分/合并、過濾、轉(zhuǎn)換等操作完成計(jì)算任務(wù)。

（3）應(yīng)用層：服務(wù)器前端采用表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移架構(gòu)，超文本傳輸協(xié)議；通過REST API方式對(duì)外發(fā)布接口。主要提供各種資源的修改、獲取等操作，提供事務(wù)、緩存等解決方案。

2.3 微信平臺(tái)

微信平臺(tái)開發(fā)總體設(shè)計(jì)為B/S體系結(jié)構(gòu)，采用多層體系結(jié)構(gòu)，提供強(qiáng)大的擴(kuò)展能力和更好的靈活性。對(duì)于用戶端來說是三層結(jié)構(gòu)，分別是視圖層、業(yè)務(wù)邏輯層和業(yè)務(wù)實(shí)體層。

（1）視圖層：是與用戶交互的界面，響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，通過調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的接口進(jìn)行處理，根據(jù)結(jié)果以不同形式展現(xiàn)給用戶。視圖層包括地圖顯示、狀態(tài)顯示、支付結(jié)算、控制界面和查詢界面。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層：主要完成對(duì)視圖層中所有功能的業(yè)務(wù)邏輯支撐，主要包括地圖功能、狀態(tài)顯示功能、支付功能、控制功能和查詢功能。對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行運(yùn)算和判斷，包括對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的讀取和對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

（3）業(yè)務(wù)實(shí)體層：包含各個(gè)業(yè)務(wù)實(shí)體，對(duì)平臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求、解析；對(duì)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求、解析；數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)。

3 功能分析

（1）地圖功能：智能充電樁具備地圖應(yīng)用功能，用戶可以通過地圖查詢充電樁的位置信息。

（2）狀態(tài)顯示功能：通過微信平臺(tái)顯示智能充電樁的各種狀態(tài)，如故障、空閑、正在使用、已預(yù)約等。

（3）支付功能：具有充電結(jié)算功能，通過微信賬戶實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定額、定量等方式的智能充電。

（4）控制功能：通過命令實(shí)現(xiàn)對(duì)智能充電裝置的控制和設(shè)置，包括取消預(yù)約、開始充電、停止充電等。

（5）查詢功能：用戶可以查詢充電數(shù)據(jù)詳情（電量、次數(shù)、累計(jì)）。

用戶有4種不同的充電服務(wù)模式選擇：

模式1：定時(shí)間充電，即在人機(jī)界面輸入設(shè)定的時(shí)間，充電樁開始充電直到達(dá)到時(shí)間設(shè)定值。

模式2：定金額充電，即在人機(jī)界面輸入設(shè)定的金額，充電樁開始充電直到達(dá)到金額設(shè)定值。

模式3：定電量充電，即在人機(jī)界面輸入所需的電量，充電樁開始充電直到達(dá)到電量設(shè)定值。

模式4：自動(dòng)充電，即在人機(jī)界面選擇充滿為止，充電樁開始充電直到電動(dòng)汽車充滿電為止。

這4種模式充電過程中，用戶均可手動(dòng)停止充電。在充電過程中，充電樁顯示已充電電量、充電時(shí)間等信息。充電結(jié)束后，充電樁顯示用戶的已充電量、已充時(shí)間、消費(fèi)金額等信息。

4 結(jié)語

本文對(duì)電動(dòng)汽車“智慧”充電系統(tǒng)進(jìn)行研究，分析了智能充電樁、服務(wù)器和微信平臺(tái)三個(gè)主要單元的組成和功能。該系統(tǒng)通過微信平臺(tái)讓用戶采用手持終端即可實(shí)現(xiàn)充電樁的定位導(dǎo)航、狀態(tài)查詢、充電預(yù)約及鎖定、選擇充電模式、停止充電等功能。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車用戶參與用電管理、合理用電及有序充電，為電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣提供基本動(dòng)力和實(shí)踐條件。

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