基于北斗互聯(lián)的充電樁運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

聶津 陳涵 鄭蔚蔚

摘? 要：在國家加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)的大環(huán)境下，充電樁的建設(shè)呈現(xiàn)出爆發(fā)的態(tài)勢(shì)。針對(duì)建設(shè)在人員稀少、環(huán)境偏僻的充電站，運(yùn)維工作耗費(fèi)大量時(shí)間人力與財(cái)力。運(yùn)用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)安全可靠、全天候機(jī)制，不受任何臺(tái)風(fēng)、地質(zhì)災(zāi)害等影響的優(yōu)勢(shì)，采用短報(bào)文一對(duì)一發(fā)送接收功能，實(shí)現(xiàn)充電樁運(yùn)維系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。項(xiàng)目已在多地實(shí)施運(yùn)用，在穩(wěn)定性、安全性、標(biāo)準(zhǔn)化、分層管控上取得了傳統(tǒng)充電樁運(yùn)維系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：北斗通信? 北斗短報(bào)文? 充電樁 電氣控制

中圖分類號(hào)：TN919 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）08（b）-0001-03

汽車作為人們出行的第一選擇，也存在浪費(fèi)能源、污染環(huán)境等缺點(diǎn)。在能源制約、環(huán)境污染的大背景下，新能源汽車發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。面對(duì)著日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，推廣電動(dòng)汽車減少排放是國家改善環(huán)境、節(jié)約資源的重要舉措。中國已經(jīng)連續(xù)3年成為全球新能源汽車推廣量最大的國家，2017年我國新能源汽車全年累計(jì)總銷量77.7萬輛，截至2018年4月份，中國新能源汽車新增銷售22.5萬輛。隨之，作為后勤保障充電系統(tǒng)的需求量也越來越高，國務(wù)院辦公廳《關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》中明確指出充電基礎(chǔ)設(shè)施是為電動(dòng)汽車提供電能補(bǔ)給的各類充換電設(shè)施，是新型的城市基礎(chǔ)設(shè)施。大力推進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，有利于解決電動(dòng)汽車充電難題，是發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重要保障，對(duì)于打造大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新和增加公共產(chǎn)品、公共服務(wù)“雙引擎”，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)、惠民生具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年4月份，全國報(bào)公共類充電樁僅有26.2萬個(gè)，與指導(dǎo)意見中要求的設(shè)施比例有較大差距。圍繞電動(dòng)汽車充電需求，若要形成平均服務(wù)半徑小于5km的充電網(wǎng)絡(luò)，形成可持續(xù)發(fā)展的“充電基礎(chǔ)設(shè)施”產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，在未來的幾年內(nèi)充電樁的建設(shè)需求量巨大。

1? 充電樁運(yùn)維系統(tǒng)研究及應(yīng)用情況

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)充電樁的研究取得了較有價(jià)值的成果，在電動(dòng)汽車交流充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一文中分析了電動(dòng)汽車交流充電樁的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，實(shí)現(xiàn)了充電過程控制導(dǎo)引連接確認(rèn)、識(shí)別充電接口傳輸最大電流和充電連接狀態(tài)實(shí)時(shí)采集等功能[1]。在《電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用》一文中，結(jié)合軟硬件要求給出了電動(dòng)汽車智能充電樁的詳細(xì)設(shè)計(jì)，該設(shè)備確保智能充電樁在充電過程中操作頁面清晰，充電快速安全、計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確，為用戶帶來良好的體驗(yàn)[2]。在《基于群系統(tǒng)一致性電動(dòng)車充電樁接入微電網(wǎng)的控制研究》一文中，針對(duì)電動(dòng)汽車快速充電和動(dòng)力電池?fù)Q電功率大造成變流器不均流問題提出群系統(tǒng)一致性策略對(duì)群充電樁進(jìn)行協(xié)同控制[3]。在《一種新型電動(dòng)汽車充電樁技術(shù)方案探討》一文中，從充電樁架構(gòu)的角度入手，分析充電樁的現(xiàn)狀與存在的問題。定義充電樁的功能需求，設(shè)計(jì)新型電動(dòng)汽車充電樁架構(gòu)，同時(shí)也規(guī)劃了新型架構(gòu)下需要支持的標(biāo)準(zhǔn)體系[4]。在《一種新型電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用》一文中，針對(duì)充電樁推廣過程中通信方式不兼容問題，設(shè)計(jì)一種新型電動(dòng)汽車充電樁控制系統(tǒng)[5]。從系列文獻(xiàn)中可知，目前成熟的充電樁運(yùn)行模式，數(shù)據(jù)通信主要通過有線網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)或WiFi實(shí)現(xiàn)，主要存在的問題有：（1）在面向小區(qū)、地下停車場(chǎng)、偏遠(yuǎn)地區(qū)等復(fù)雜環(huán)境下數(shù)據(jù)通信不兼容、通信設(shè)備成本高、用戶體驗(yàn)不佳等問題。（2）充電設(shè)施大都安裝在人員稀少、潮濕多塵，戶外或半戶外的地方，環(huán)境相對(duì)較惡劣，通信的接入很不穩(wěn)定。（3）各充電廠家、型號(hào)復(fù)雜不一，沒有形成完善和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。（4）大部分故障均需人工到現(xiàn)場(chǎng)重啟設(shè)備，效率低。（5）主要通信芯片或系統(tǒng)為國外知識(shí)產(chǎn)權(quán)，無法保證設(shè)備使用及數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^對(duì)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，71%的輕微故障和離線問題可通過設(shè)備重啟解決，當(dāng)前均采用人工現(xiàn)場(chǎng)處理，耗費(fèi)大量時(shí)間及相關(guān)搶修資源，如果能設(shè)計(jì)使用一種穩(wěn)定性高且安全性強(qiáng)的通信解決方案，通過系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制充電設(shè)施，即可解決上述的大量輕微問題。

2? 基于北斗技術(shù)在充電樁運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為解決遠(yuǎn)程穩(wěn)定通信問題，一是可采用光纖通信;二是可采用北斗衛(wèi)星;三是使用4G網(wǎng)絡(luò)。光纖在高速公路網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)施工難度大，投資高;4G通信在邊遠(yuǎn)地區(qū)及異常環(huán)境條件下不穩(wěn)定，而采用北斗衛(wèi)星可有效解決光纖通信投資大及4G通信不穩(wěn)定的問題。如表1所示，從功能性、安全性、建設(shè)周期、投資規(guī)模、信號(hào)穩(wěn)定、備用可靠等方面分析了3種通信技術(shù)在充電樁運(yùn)維通信使用中的優(yōu)缺點(diǎn)，可以看出運(yùn)用北斗技術(shù)的充電樁運(yùn)維通信在各方面均有較高優(yōu)勢(shì)。

2.1 北斗短報(bào)文技術(shù)

北斗短報(bào)文通訊可為用戶機(jī)與用戶機(jī)、用戶機(jī)與地面中心站之間提供每次最多120個(gè)漢字或1680比特的短報(bào)文通訊服務(wù)。每個(gè)用戶機(jī)都有唯一的一個(gè)ID號(hào)，并采用1戶1密的加密方式，通訊均需經(jīng)過地面中心站轉(zhuǎn)發(fā)。其基本流程如下。

（1）短報(bào)文發(fā)送方首先將包含接收方ID號(hào)和通訊內(nèi)容的通訊申請(qǐng)信號(hào)加密后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站。

（2）地面中心站接收到通訊申請(qǐng)信號(hào)后，經(jīng)解密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶。

（3）接收方用戶機(jī)接收出站信號(hào)，解調(diào)解密出站電文，完成一次通訊。與定位功能相似，短報(bào)文通訊的傳輸時(shí)延約0.5s，通訊的最高頻度也是1次/s。

2.2 基于北斗短報(bào)文的充電樁運(yùn)維電氣控制系統(tǒng)

如圖1所示，基于北斗短報(bào)文的充電樁運(yùn)維電氣控制保障充電設(shè)施的良好運(yùn)轉(zhuǎn)，有效解決避免光纖通信施工難度大、投資高的問題。充電樁監(jiān)控對(duì)充電樁的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警功能;充電樁返回工作狀態(tài)是對(duì)在充電設(shè)施上加裝遠(yuǎn)程維護(hù)控制模塊，后臺(tái)監(jiān)控端制動(dòng)匹配判斷故障設(shè)備是否恢復(fù)。

與傳統(tǒng)充電樁運(yùn)維電氣控制系統(tǒng)相比基于北斗短報(bào)文的充電樁運(yùn)維電氣控制系統(tǒng)有以下幾大優(yōu)勢(shì)。

（1）傳統(tǒng)通信受通信距離的限制，需有基站;而北斗雙向通信無通信距離的限制，無需中繼。

（2）傳統(tǒng)通信易受環(huán)境、天氣影響，氣候惡劣的情況下通信狀況較差;而北斗雙向通信是全天候的，不受環(huán)境和天氣的影響。

（3）傳統(tǒng)通信均采用公用和開放的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無法保證數(shù)據(jù)的安全性;而北斗雙向通信是獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)安全性有保障。

（4）傳統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)采用自定義的傳輸機(jī)制，無規(guī)范性;而北斗雙向通信一開始就規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的北斗協(xié)議，保證了傳輸機(jī)制的高可靠性。

3? 基于北斗技術(shù)在充電樁運(yùn)維系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 基于北斗技術(shù)充電模組硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要由控制器、充電機(jī)控制接口、WiFi模塊等部分組成，硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制器和充電機(jī)接口通過CAN總線通信，WiFi模塊和主控MCUT直接相連，控制器采用STM32處理器，功能強(qiáng)大，可通過APP客服端實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)。充電機(jī)控制接口為充電機(jī)和控制器信息交換窗口，接收控制器控制指令返回充電狀態(tài)信息。

3.2 基于北斗技術(shù)充電模組軟件

如圖3所示，給出了基于北斗技術(shù)充電模組軟件流程，其中控制模塊通過內(nèi)置低功耗的電流傳感器判斷故障充電設(shè)施是否在充電狀態(tài)，在非充電狀態(tài)下，監(jiān)控人員可通過系統(tǒng)下發(fā)指令對(duì)TCU進(jìn)行遠(yuǎn)程重啟，同時(shí)控制模塊可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)返回TCU設(shè)備通電狀態(tài)，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)可判斷故障設(shè)備是否恢復(fù)，運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)和處理，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4? 基于北斗技術(shù)在充電樁運(yùn)維系統(tǒng)的實(shí)施

該項(xiàng)目已應(yīng)用于國網(wǎng)公司在福建省的智能充電樁項(xiàng)目。按照國網(wǎng)公司相關(guān)規(guī)定，充電設(shè)施發(fā)生離線、故障需搶修人員45min到場(chǎng)處理，時(shí)間緊迫。并且福建高速充電設(shè)施多，路途遠(yuǎn)，搶修人員按時(shí)到場(chǎng)處理壓力大且經(jīng)常高速行車，特別是夜間及不良?xì)夂驌屝?，安全風(fēng)險(xiǎn)大。基于北斗技術(shù)在充電樁運(yùn)維系統(tǒng)充分利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)安全可靠、全天候，不受任何臺(tái)風(fēng)，地質(zhì)災(zāi)害等影響的優(yōu)勢(shì)，采用其特有的短報(bào)文采用一對(duì)一發(fā)送接收功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。如圖4所示，項(xiàng)目在充電設(shè)施上加裝控制監(jiān)控設(shè)備，可監(jiān)控充電設(shè)施狀態(tài)，并將狀態(tài)傳回指揮中心。車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)同步監(jiān)控到離線或故障時(shí)，若需對(duì)設(shè)備進(jìn)行重啟，可由指揮中心遠(yuǎn)程下達(dá)指令對(duì)充電設(shè)施進(jìn)行重啟，重啟成功后可監(jiān)控并返回設(shè)備狀態(tài)。這樣就可全面替代人員到場(chǎng)處理普通故障。在處理無效情況下再安排人員到場(chǎng)處理。

5? 結(jié)語

由于北斗衛(wèi)星通信的安全可靠特性，基于北斗衛(wèi)星的智能充電設(shè)施運(yùn)維系統(tǒng)，可以在電動(dòng)汽車充電行業(yè)全面推廣，大大加強(qiáng)了充電設(shè)施運(yùn)維的智能化，應(yīng)用前景十分廣闊。主要優(yōu)勢(shì)包括以下幾個(gè)方面。

（1）促進(jìn)各充電樁廠家加快形成統(tǒng)一的維護(hù)通信技術(shù)規(guī)范和遠(yuǎn)程維護(hù)通信標(biāo)準(zhǔn)。

（2）北斗衛(wèi)星通信不受環(huán)境氣候、地理位置限制，同時(shí)是國家戰(zhàn)略，在2020后北斗三代組網(wǎng)成功，北斗的帶寬和速度都大幅度提升，那么將使得充電設(shè)施的北斗運(yùn)維更加智能化，精確運(yùn)維。

（3）智能充電設(shè)施運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁狀態(tài)，可在云端與電動(dòng)汽車互聯(lián)互通，擴(kuò)展基于北斗衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

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