基于窄帶物聯網的電動汽車智能充電系統

(合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230601)

隨著電動汽車產業快速發展，高效充電基礎設施建設已成當務之急。充電樁建設成本高且缺乏有效管理是當前充電運營亟待解決的難題[1]。2018年國家發改委和能源局出臺的《關于提升電力系統調節能力的指導意見》[2]中明確指出要提高電動汽車充電基礎設施智能化水平，通過“互聯網+充電基礎設施”，同步構建充電智能服務平臺，提升充電服務化水平[2-3]。

傳統的充電樁組網方式分為有線和無線兩種。有線組網一般使用以太網，需要鋪設網線，耗費大量人力物力，成本較高。傳統無線組網方式主要有GPRS，ZigBee等[4-5]。而NB-IOT技術是5G時代的物聯網核心技術，有著很好的發展前景。與GPRS相比，NB-IOT的網絡覆蓋更廣，信號增強20 dBm增益，在地下停車場和偏遠地區的充電樁應用上更有優勢[6]，并且NB-IOT具有更強的鏈接能力，在使用相同基站的情況下，比GPRS提高50～100倍的設備接入量[7]，這對于未來提升充電樁建設數量是很有利的。與ZigBee相比，NB-IOT成本更低，ZigBee在應用中需要部署大量網關，增加了建設成本，而NB-IOT只需利用現有的基站，每年繳納很少的資費就可以使用。因此，本設計采用NB-IOT技術來搭建智能充電樁系統。

1 需求分析與系統總體架構設計

1.1 需求分析

傳統的充電系統功能單一，一般僅支持刷卡充電并且充電模式少，支付手段單一，不夠智能，用戶體驗較差；無法實時監控設備狀態，充電過程中一旦發生異常導致停機，不能及時通知到車主和設備廠家，造成用戶時間損失，也不能及時維護設備。針對以上問題，本文設計的電動汽車智能充電系統具有以下基本功能：

① 啟動方式多選，支持IC刷卡，微信小程序掃碼以及Web頁面管理員啟動。

② 充電模式多選，按時長充電、按金額充電、自動充滿以及預約充電。

③ 支付手段支持IC卡充值以及微信小程序充值，且IC卡號與微信小程序賬戶綁定，可掛失。

④ 充電過程中實時采集車輛電池包數據，分析電池包健康信息，提示用戶車輛狀態。

⑤ 實時監控電樁狀態，發現故障立即診斷并上報。

1.2 系統架構設計

系統分為智能充電樁和云平臺管理系統兩大部分，架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構圖

智能充電樁為用戶提供個性化的充電服務，并將采集的設備狀態信息、車輛電池包信息以及充電參數信息等通過NB模塊發送到NB-IOT基站，再由基站經核心網轉發至云平臺管理系統。

云平臺管理系統由云服務器、移動端和Web客戶端組成。云服務器負責解析智能充電樁發送的報文，完成數據清洗、加工及存儲工作，并交由移動端和Web客戶端調用。用戶可通過移動端和Web客戶端對智能充電樁進行控制，指令經由NB網絡下發至充電樁。

2 智能充電樁設計

2.1 架構設計和功能定義

區別于傳統的充電樁框架[8]，本文從邏輯上將交易服務功能與電氣控制功能獨立劃分，這樣做有利于充電樁的標準化，建立統一規范的交易結算模式，既提升了使用便捷性，也保障了交易的安全性，智能充電樁架構如圖2所示。

圖2 智能充電樁架構示意圖

各單元功能定義如下。

① 人機交互：首先通過IC卡或微信小程序掃碼進行用戶身份認證，認證成功后在充電樁顯示屏或手機端上給用戶提供向導式的操作界面和語音提示。

② 通信單元：根據智能充電樁與云平臺管理系統之間的協議實現兩者的數據交互。

③ 數據存儲：保存智能充電樁的各項參數如樁編號、電表地址、電價以及最大功率等。

④ 計量單元：在充電過程中實時讀取充電電量，并根據電價計算出實時充電費用。

⑤ 繼電器控制單元：負責控制強電回路的繼電器通斷。

⑥ 傳感器單元：通過相應的傳感器獲取充電樁的工作溫度、濕度、漏電流以及接地連續性等，保障充電過程安全可靠。

⑦ 充電單元：與車輛BMS通信并實時調節非車載充電機的輸出電壓、電流大小給電動汽車充電。

2.2 硬件設計

智能充電樁主控芯片采用目前主流的意法半導體(ST)公司的STM32F207ZET6高性能CPU，主頻達到120 MHz，擁有豐富的外設接口，包括UART接口、CAN接口、以太網接口、I2C接口、SPI接口、ADC接口等，滿足各功能模塊的使用要求。智能充電樁硬件框圖如圖3所示。

電源電路首先利用AC/DC開關電源將220 V交流電轉換為5 V和12 V直流電，再利用AMS1117-3.3芯片降壓至3.3 V，以此給主控制器及各模塊電路供電。主控制器與HMI電阻屏、IC卡模塊、語音模塊通過RS232通信，與電表通過RS485通信，與車輛BMS、非車載充電機通過CAN通信。溫濕度傳感器采用AM2321溫濕度檢測芯片進行充電樁運行環境檢測，使用SPI通信。存儲芯片采用鐵電存儲器FM24CL04B，掉電數據能保存10年，通過I2C總線與主控制器通信。漏電電路采用主控制器的ADC采集漏電流的大小。

圖3 智能充電樁硬件框圖

通信模塊采用WH-NB73模組，支持NB-IOT通信協議，通過UART串口與主控制器進行數據交互。為保證模塊穩定運行，在設計外圍電路時需要注意以下幾點：① 電源接口處要接高頻濾波電容，采用10 μF+1 nF+100 pF；② 在模組和主控制器兩者UART接口之間需要串聯一個10 kΩ電阻進行電平匹配；③ 射頻接口需要做50 Ω阻抗匹配，并且需要預留π型匹配電路；④ SIM卡接口的卡槽需靠近NB73模塊對應位置放置，并且增加ESD保護。外圍電路圖如圖4所示。

圖4 NB模塊外圍電路圖

其余的急停開關、繼電器控制、槍頭連接確認等都為普通I/O控制。

2.3 軟件設計

主要包括智能充電樁與云平臺管理系統通信協議設計，NB模塊軟件設計，充電業務軟件設計。

2.3.1 通信協議設計

智能充電樁與云平臺管理系統之間采用Client/Server的通信方式，前者作為Client方，后者作為Server方，協議的報文格式如表1所示。

表1 通信協議報文格式

其中，起始域固定為0xF5AA，用來識別報文的有效性；協議版本固定為0x01，代表第一版；命令碼即消息類型，代表不同功能要求，命令碼為奇數代表服務器下發的報文，為偶數表示充電樁上傳的報文；校驗和采用CRC校驗檢驗數據完整性。消息類型主要分為三大類，一些常用的的命令碼如表2所示。

表2 常用命令碼

2.3.2 NB模塊軟件設計

NB73模塊通過AT指令控制，支持3種工作模式：網絡透傳模式，CoAP模式和UDC模式，本文采用網絡透傳模式。透傳模式是通過創建UDP套接字實現的，在此模式下，智能充電樁將采集的設備狀態信息、車輛電池包信息以及充電參數信息通過串口發送到NB-IOT模塊，模塊自動將數據轉發至云服務器，同時模塊也可以接收來自服務器的指令，并將其轉發至充電樁。本設計用到的AT指令集及其功能說明見表3。

表3 主要用到的AT指令

2.3.3 充電業務軟件設計

充電業務軟件實現采用分層設計思想，分為驅動層、應用層和主程序，同時采用面向對象思想對數據進行封裝，保障數據的獨立性和安全性。

驅動層主要負責主控芯片的各個外設配置及初始化功能，包括GPIO口、定時器、UART串口、CAN口、SPI口、I2C口、ADC接口等。

應用層主要實現充電樁各功能模塊的任務，包括讀卡任務、觸摸屏任務、電表通信任務、車輛BMS通信任務、非車載充電機控制任務、后臺通信任務、安全檢測任務等，參照的協議主要有：DLT645電表通信協議、非車載充電機控制協議、非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的協議、智能充電樁與云平臺管理系統通信協議等。后者已在上文介紹，由于篇幅所限，這里不對其他協議作過多講解。

主程序負責調用應用層各業務模塊實現整個充電業務，充電流程圖如圖5所示。

圖5 充電流程圖

3 云平臺管理系統設計

3.1 架構設計

本設計使用阿里云的云服務平臺部署服務器，平臺提供了安全、可靠的數據計算和處理能力。采用高內聚、低耦合的分層架構設計思想，每一層負責單獨的功能，系統分為4層：客戶層、控制層、業務層和數據層[9]。如圖6所示。

圖6 云平臺管理系統架構圖

① 客戶層：包括移動客戶端和Web客戶端，為用戶提供與智能充電樁之間的交互服務。

② 控制層：對客戶層發送過來的數據進行解析，并調用業務層相應模塊進行處理，最后將處理結果返回客戶層。

③ 業務層：實現對系統業務邏輯的處理工作。包括設計相應服務接口，以及具體實現方法。

④ 數據層：采用MySQL數據庫實現對數據的存儲及管理工作。

3.2 業務層設計

業務層是云平臺管理系統的核心，下面重點介紹業務層的設計。充電樁管理系統業務主要包括設備管理、用戶管理、交易管理、數據采集、大數據處理，如圖7所示。

圖7 業務層功能模塊設計圖

① 設備管理：包括設備的添加和控制。添加設備指系統管理員能夠進行新建設備的審核和添加；設備控制是指可以通過移動客戶端和網頁客戶端來控制充電樁的啟停以及預約等操作。

② 用戶管理：包括用戶的注冊、登錄以及賬號注銷等。用戶可以使用手機號或者郵箱進行注冊，注冊成功后用戶信息會保存到數據庫中，用作后期用戶登錄時進行信息校驗。若用戶請求注銷賬號，則將用戶相關信息從數據庫中刪除。

③ 交易管理：包括賬戶充值和扣款。賬戶充值過程如下，客戶端首先向服務器發送充值請求，服務器生成一個唯一的訂單號作為支付記錄。客戶端收到訂單號后調用微信或支付寶等第三方支付系統SDK(軟件開發工具包)進行支付，支付成功后改變訂單狀態，將用戶的充值記錄寫入到數據庫。賬戶扣費：充電結束之后，充電樁將用戶本次訂單充電金額上報給服務器，服務器對相應賬戶進行扣費，并將用戶消費記錄保存至數據庫中。

④ 數據采集：接收充電樁上傳的自身狀態信息以及充電信息，實時監控各項指標，一旦發現異常立即采取相應措施。

⑤ 大數據分析：根據系統采集的不同地區的用電峰谷情況，制定峰谷電價，鼓勵用戶在用電谷期進行充電，降低電網負荷。收集不同用戶的充電信息并分析其充電習慣，為用戶提供更優秀的充電服務。

4 系統測試

在分別完成智能充電樁以及云平臺管理系統的設計后，進行系統聯調實測。部分測試結果如圖8～圖11所示。結果表明，本系統運行穩定，操作簡便，人機交互友好，充電模式多樣，云平臺管理系統能夠實現遠程對智能充電樁的實時操作和監控，符合預期需求。

圖8 充電樁主界面

圖9 充電界面

圖10 部分Web頁面

圖11 微信小程序界面

本系統與傳統充電系統對比分析如表4所示。

表4 本系統與傳統充電系統對比分析

5 結束語

本文基于NB-IOT技術和云平臺設計了一套電動汽車智能充電系統，從系統總體架構入手，就智能充電樁和云平臺管理系統提出了具體的分析和設計。相對于傳統電動汽車充電系統，本設計成本更低，智能化程度更高，可以給用戶提供更友好的充電服務。隨著物聯網技術的普及，本設計將在推動新能源汽車產業發展，破解充電設施建設和運營難題上具有先導性意義。