基于有限狀態(tài)機(jī)的直流充電樁通訊檢測(cè)方案

張路 劉海波

引言

隨著新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，充電樁作為電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)配套設(shè)施，也在全國(guó)范圍內(nèi)大量部署[1]。為保障充電樁安全運(yùn)行，對(duì)其精確檢測(cè)非常必要。國(guó)內(nèi)對(duì)直流充電樁檢測(cè)研究較多，陸春光等人開發(fā)了上位機(jī)軟件模擬充電故障并實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)試信號(hào)變化，提高了充電樁的故障檢測(cè)效率[2]；韋浩睿等人研制了直流充電樁協(xié)議測(cè)試裝置，該裝置能夠模擬車輛控制器，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)單邊測(cè)試，提高了檢測(cè)覆蓋度[3]；朱賢文等人對(duì)引腳的電壓、通斷及控制情況進(jìn)行全方位檢測(cè)，提高了充電樁檢測(cè)的實(shí)時(shí)性[4]。上述研究可大致分為兩類，一類是開發(fā)軟件模擬測(cè)試，另一類是使用硬件設(shè)備實(shí)測(cè)，但鮮少有文章從充電狀態(tài)的角度進(jìn)行研究。充電樁設(shè)備老化后容易出現(xiàn)充電狀態(tài)誤判的問題，存在很大的安全隱患。為此本文基于有限狀態(tài)機(jī)理論設(shè)計(jì)充電樁通訊檢測(cè)方案，使用Matlab/Simulink工具構(gòu)建模型，檢測(cè)通訊過程中的充電狀態(tài)是否異常。

一、直流充電樁通訊過程

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18487.1-2015可知，一個(gè)完整的充電過程包含6個(gè)階段：物理連接階段、低壓輔助階段、充電握手階段、充電參數(shù)配置階段、充電階段和充電結(jié)束階段[5]。物理連接階段，將充電接口與插座插合完成線路連接；低壓輔助階段，樁端與車端互相發(fā)送握手報(bào)文，并進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)工作[6]；充電握手階段，雙方互相發(fā)送辨識(shí)報(bào)文確定必要信息；充電參數(shù)配置階段，車端發(fā)送電池參數(shù)報(bào)文，判斷能否開始充電；充電階段，樁端根據(jù)電池充電需求實(shí)時(shí)調(diào)整電流輸出；達(dá)到充電結(jié)束要求后，進(jìn)入充電結(jié)束階段，雙方互相發(fā)送充電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，最后樁端減小電流輸出，車端斷開電池開關(guān)，通訊過程結(jié)束。完整的充電樁通信報(bào)文定義見表1所列。

表1 充電通信報(bào)文

二、檢測(cè)模型設(shè)計(jì)

根據(jù)充電流程中車端的執(zhí)行動(dòng)作，可劃分為三個(gè)模塊：控制模塊、數(shù)據(jù)模塊和電池模塊?？刂颇K用于模擬車端的通信邏輯，監(jiān)測(cè)電池充電狀態(tài)，分析采集到的數(shù)據(jù)信息，判斷是否符合通訊協(xié)議要求。數(shù)據(jù)模塊用于通信數(shù)據(jù)的監(jiān)聽和收發(fā)，并根據(jù)控制模塊的指令發(fā)送通信數(shù)據(jù)。電池模塊用于模擬車端電池狀態(tài)。結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)原理，分別對(duì)邏輯控制模塊和通信數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行建模[7]。

（一）邏輯控制模型設(shè)計(jì)

邏輯控制模型用來模擬通信過程中車端的控制邏輯，其狀態(tài)機(jī)模型可用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述如下：

1.QC為控制層內(nèi)所有狀態(tài)的集合，即 QC={q0，q1，q2，q3，q4，q5，q6，q7，q8，qi}。其中，q0至q8定義見表2所列，qi為任一中間狀態(tài)。

表2 控制層狀態(tài)定義表

2.∑c為層內(nèi)有限個(gè)輸入的集合，即

ai表示輸入的正常檢測(cè)信號(hào)，bi表示輸入的異常檢測(cè)信號(hào)。

3.δc為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移關(guān)系為：δc(q0,a0)=q1，δc(q1,a1)=q2，δc(q2,a2)=q3，δc(q2,b0)=q6，δc(q3,a3)=q4，δc(q3,b1)=q6，δc(q4,a4)=q5，δc(q4,b2)=q6，δc(q5,a5)=q8，δc(q5,b3)=q7，δc(q6,b4)=q7。狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖1所示。

圖1 邏輯控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換

4.Fc為輸出狀態(tài)集合，F(xiàn)c(qi，ai)=q7,Fc(qi，bi)=q8。

（二）通信數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

通信數(shù)據(jù)模型用來對(duì)數(shù)據(jù)處理狀態(tài)進(jìn)行劃分，其狀態(tài)機(jī)模型可用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述如下：

1.QD為數(shù)據(jù)層內(nèi)所有狀態(tài)的集合，即QD=(q0，q1，q2，q3，qi)，具體狀態(tài)定義如下：q0為等待狀態(tài)；q1為接收狀態(tài)；q2為發(fā)送狀態(tài)；q3為異常狀態(tài)；qi為任一中間狀態(tài)。

2.∑D為層內(nèi)有限個(gè)輸入的集合，即∑D={ai}(i=0,1,2,3...)，ai由產(chǎn)生數(shù)據(jù)變化的事件決定，其輸入的定義見表3所列。

表3 數(shù)據(jù)層輸入事件

3.δD為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移關(guān)系為：δD(q0,a0)=q1，δD(q0,a2)=q3，δD(q1,a1)=q0，δD(q1,a4)=q2，δD(q2,a5)=q0，δD(q3,a3)=q0，狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

圖2 通信數(shù)據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移

4.FD為輸出狀態(tài)集合，由狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù) δ:Q×∑→Q與輸入集合∑D共同決定。

三、仿真與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證通訊檢測(cè)模型的有效性和可行性，使用Matlab軟件中的有限狀態(tài)機(jī)工具Stateflow搭建模型進(jìn)行仿真分析。

（一）仿真環(huán)境搭建

檢測(cè)模型共有3個(gè)模塊，分別為Control控制模塊、Battery電池模塊及Data數(shù)據(jù)模塊。模型中的輸入事件“on”、“off”模擬檢測(cè)系統(tǒng)的啟動(dòng)按鍵，同時(shí)作為控制模塊的激活條件[8]；組件Constant用于輸入系統(tǒng)的檢測(cè)信號(hào)CheckSignal；在輸入“On”開機(jī)事件后，控制模塊接收檢測(cè)信號(hào)、電池模塊及數(shù)據(jù)模塊的輸出，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制邏輯的跳轉(zhuǎn)；電池模塊由Matlab中的Battery組件構(gòu)成，在控制模塊的指令下開始充電，實(shí)時(shí)反饋電池參數(shù)；數(shù)據(jù)模塊由控制模塊及檢測(cè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，模型仿真如圖3所示。

圖3 基于Simulink的檢測(cè)方案模型

（二）狀態(tài)機(jī)模型驗(yàn)證

對(duì)建立的狀態(tài)機(jī)模型輸入一系列檢測(cè)信號(hào)，以測(cè)試模型狀態(tài)的遷移變化。檢測(cè)信號(hào)分別對(duì)應(yīng)表1中的報(bào)文，使用數(shù)字量進(jìn)行表示[9]，signal=[9 10 11 12 13 14 15 16 17 18]。

輸入異常檢測(cè)信號(hào)signal=[9 10 18 12 17]，觀察輸出波形可知：控制模型從空閑狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)；收到9數(shù)據(jù)模型從監(jiān)聽狀態(tài)遷移到接收狀態(tài)；收到10，模型遷移到握手辨識(shí)狀態(tài)；收到12跳轉(zhuǎn)到監(jiān)聽狀態(tài)；收到18遷移到參數(shù)配置狀態(tài)；收到17模型檢測(cè)到異常跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤狀態(tài)，處理異常后遷移到異常結(jié)束狀態(tài)。最終控制模塊輸出為output1=[0 1 2 3 7 8]，如圖4所示，數(shù)據(jù)模塊輸出為output2=[0 5 7 1 8 4]，如圖5所示。

圖4 異常信號(hào)下的控制輸出

圖5 異常信號(hào)下的數(shù)據(jù)輸出

輸入正常檢測(cè)信號(hào)signal=[9 10 18 12 18 14 15 16]，觀察分析示波器輸出波形可知：收到9到12，模型的狀態(tài)遷移變化與上述相同；收到18控制模型遷移到充電狀態(tài)，閉合充電開關(guān)；收到14數(shù)據(jù)模型留在發(fā)送狀態(tài)；收到15或電池充滿，控制模型遷移到結(jié)束充電狀態(tài)；收到16遷移到正常結(jié)束狀態(tài)。最終控制模塊輸出為output1=[0 1 2 3 4 5 6]，如圖6所示，數(shù)據(jù)模塊輸出為output2=[0 5 7 1 8 2 3 10 11 12 9]，如圖7所示。由輸出結(jié)果可知，模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況與實(shí)際通訊檢測(cè)過程一致，并能檢測(cè)出異常信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，證明此狀態(tài)機(jī)應(yīng)用在檢測(cè)系統(tǒng)上可實(shí)現(xiàn)功能要求。

圖6 正常信號(hào)下的控制輸出

圖7 正常信號(hào)下的數(shù)據(jù)輸出

結(jié)論

本文提出基于有限狀態(tài)機(jī)的充電樁通訊檢測(cè)方案，對(duì)充電樁的通訊檢測(cè)流程進(jìn)行功能劃分，設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)理論構(gòu)建檢測(cè)模型，通過Matlab/Simulink搭建仿真環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證，最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該模型的有效性和可行性。