基于B/C模式的共享電動車計費系統(tǒng)優(yōu)化分析

張 楠

(三門峽職業(yè)技術(shù)學院，河南 三門峽 472000)

0 引言

當前經(jīng)濟快速發(fā)展，傳統(tǒng)的資源，如石油，煤炭等越來越稀缺。上世紀末，兩次重大能源危機導致西方經(jīng)濟出現(xiàn)蕭條和危機，能源部門的可持續(xù)發(fā)展成為世界各國面臨的重大挑戰(zhàn)，世界各國越來越重視尋找清潔能源來解決環(huán)境問題[1]。在我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展背景下，我國城市中，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)境污染日益嚴重的當代社會，我國必須要制定相關政策，進行節(jié)能環(huán)保，同時還要倡導民眾綠色出行。同時，為了改善這一情況，國家還助力節(jié)能汽車發(fā)展，對新能源汽車的研發(fā)給予政策扶持，同時推出共享電動車，這些策略對推進節(jié)能減排、實現(xiàn)國家生態(tài)文明、加快汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要戰(zhàn)略意義。然而，雖然政策上給予支持，但通用電動汽車充電器在各個城市的使用率高，高頻率的使用大大縮短了充電樁的壽命，導致無法充電或計費不準的問題。車輛多充電難成了中小城市的難題。在技術(shù)或經(jīng)驗方面都無法跟上通用電動汽車的增長速度，由于電動汽車越來越普及，公用充電樁的計費系統(tǒng)不完善，給電動車主帶來許多不便。為了解決上述問題，本文對基于B/C模式的共享電動車計費系統(tǒng)進行優(yōu)化分析，主要對系統(tǒng)的軟硬件進行設計，在硬件設計過程中，選擇讀卡器實現(xiàn)IC卡充值和支付功能，為用戶提供方便快捷的交易方式。在進行軟件設計時，開發(fā)人機交互模塊，方便日后統(tǒng)計查詢，再設計基于B/C的計費控制單元，完成計費過程中的接口和計費功能設計，最后設計存儲費用的數(shù)據(jù)存儲模塊，從而完成電動汽車通用計費系統(tǒng)設計[2]。

1 系統(tǒng)硬件設計

本文系統(tǒng)硬件設計：以TMS320F28335 TI數(shù)字信號處理器為主控制器的計費控制單元，包括外圍通信接口、讀卡器模塊、以太網(wǎng)通信、語音模塊和 EEPROM 擴展模塊等[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)字開關電路、軌檢測電路、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，通過這兩個功能，能夠為用戶提供更加方便的交易形式。同時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)存儲模塊、RS232和RS485通訊模塊、人機交互模塊、測溫模塊等[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1 計費系統(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，本文設計系統(tǒng)需要設置外部看門狗。其中的定時器采用美國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)視器和計時器共同組成，能夠?qū)κ褂脮r出現(xiàn)故障及時進行提示，不影響其他模塊的正常使用，在異常情況下也會根據(jù)其不同故障產(chǎn)生復位信號。WDI應用于定時喂狗，保證芯片的復位輸出始終為高電平，當看門狗輸入在1.6 S內(nèi)沒有啟動時，其輸出會產(chǎn)生復位信號[4]。

由于充電樁的安裝有時是分散的，可以分布在多個站點，因此需要一個后臺監(jiān)控系統(tǒng)進行集中管理，得益于以太網(wǎng)通訊，整個監(jiān)控系統(tǒng)實時匯總每個充電站內(nèi)所有充電站的運行狀態(tài)、報警數(shù)據(jù)、電量等信息，并進行秘密統(tǒng)計[5]。同時，系統(tǒng)還具有遙控、遙信、遙測等功能。計費控制單元作為整個系統(tǒng)的核心，是信息匯集與處理的紐帶。

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

為了保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，以及保證充電過程中設備和人員的安全，需要一個經(jīng)濟、快速的驅(qū)動控制器來保證在異常情況下充電的快速停止。因此，本設計選用高性能 DSP TMS320F28335微電路對獲取的數(shù)據(jù)進行實時分析處理。

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有專門的開關電源模塊輸出，這里不再詳述。TMS320F28335需要3.3V和1.9V兩個電壓分別為IO和內(nèi)核供電，上電時序?qū)π酒姆€(wěn)定運行影響較大[7]。如果內(nèi)核在 I/O模塊之后打開，因為當時內(nèi)核沒有運行，則 I/O狀態(tài)可能是未定義的，在輸出引腳上時會對整個系統(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。

本設計采用 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)軟件設計

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

充電用戶在識別IC卡后，進行讀取，將RS232接口連接至充電控制單元，同時進行數(shù)據(jù)傳輸通信，然后IC卡進行秘鑰解密設置，同時對用戶信息進行驗證，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算收費金額，完成收費。需要說明的是，積疊式讀卡器只能讀取IC卡信息并進行結(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)系充電器庫存管理公司使用專門的發(fā)卡機構(gòu)的服務。

3 實驗

本文通過上述論述，從硬件和軟件兩個方面實現(xiàn)對共享電動車計費系統(tǒng)優(yōu)化設計，為進一步驗證該系統(tǒng)在實際應用中的優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)系統(tǒng)（文獻[1]系統(tǒng)）同時引入到共享電動車計費中，結(jié)合實際需求和目的對兩種系統(tǒng)的各項運行功能是否能夠正常運行進行檢驗。實驗結(jié)果如下表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)計費準確結(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行計費，但是計費不夠準確，本文設計系統(tǒng)能夠?qū)蚕砥囘M行準確計費。

分別利用兩種計費系統(tǒng)完成對共享汽車的計費，并記錄在72 h內(nèi)，從兩種系統(tǒng)得出的實驗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 兩種計費系統(tǒng)計費時長對比結(jié)果Tab.2 comparison results of two billing systems’ billing duration

從表1中實驗結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)計費時長均在20.00 ms以下，明顯小于傳統(tǒng)系統(tǒng)計費時長。同時，在實驗過程中，傳統(tǒng)計費系統(tǒng)出現(xiàn)了一次計費未成功現(xiàn)象，因此在第四次計費時并未得到本文實驗所需數(shù)據(jù)。通過對比實驗進一步證明，本文提出的計費系統(tǒng)在實際應用中更有效[9]。

4 結(jié)論

本文對當前的能源情況進行簡述，同時闡述了共享電動汽車的現(xiàn)狀，由當前的環(huán)境污染問題，說明了共享電動汽車的必要性。在此基礎上，對基于B/C模式的共享電動汽車充電系統(tǒng)進行了優(yōu)化分析，對計費系統(tǒng)的軟硬件設計進行說明，同時設計對比實驗，證明與傳統(tǒng)的計費系統(tǒng)進行對比，本文設計系統(tǒng)的計費準確性更高，同時計費的時長更短。為了進一步提升設計系統(tǒng)的效果，未來將通過以下幾個方面對系統(tǒng)進行完善。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，后期可增加配電方案，可根據(jù)每輛車的SOC自由分配功率，當一輛車當前需求較小時，自動將充電模塊的資源分配給另一輛車提高充電效率。當電動汽車滿電狀態(tài)時，充電樁接口自動介入保護裝置，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，使電動汽車可以像機動車加油站一樣，隨時充電。相信隨著電動汽車規(guī)模的不斷發(fā)展，充電技術(shù)會日趨成熟，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，促使共享電動汽車的廣闊使用。