基于北斗互聯的充電樁運維系統設計與實現

聶津 陳涵 鄭蔚蔚

摘? 要：在國家加快電動汽車充電基礎設施的建設的大環境下，充電樁的建設呈現出爆發的態勢。針對建設在人員稀少、環境偏僻的充電站，運維工作耗費大量時間人力與財力。運用北斗衛星系統安全可靠、全天候機制，不受任何臺風、地質災害等影響的優勢，采用短報文一對一發送接收功能，實現充電樁運維系統遠程控制。項目已在多地實施運用，在穩定性、安全性、標準化、分層管控上取得了傳統充電樁運維系統無法比擬的優勢。

關鍵詞：北斗通信? 北斗短報文? 充電樁 電氣控制

中圖分類號：TN919 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0001-03

汽車作為人們出行的第一選擇，也存在浪費能源、污染環境等缺點。在能源制約、環境污染的大背景下，新能源汽車發展勢頭強勁。面對著日益嚴重的環境問題，推廣電動汽車減少排放是國家改善環境、節約資源的重要舉措。中國已經連續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的需求量也越來越高，國務院辦公廳《關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》中明確指出充電基礎設施是為電動汽車提供電能補給的各類充換電設施，是新型的城市基礎設施。大力推進充電基礎設施建設，有利于解決電動汽車充電難題，是發展新能源汽車產業的重要保障，對于打造大眾創業、萬眾創新和增加公共產品、公共服務“雙引擎”，實現穩增長、調結構、惠民生具有重要意義。據統計，截至2018年4月份，全國報公共類充電樁僅有26.2萬個，與指導意見中要求的設施比例有較大差距。圍繞電動汽車充電需求，若要形成平均服務半徑小于5km的充電網絡，形成可持續發展的“充電基礎設施”產業生態體系，在未來的幾年內充電樁的建設需求量巨大。

1? 充電樁運維系統研究及應用情況

近年來，國內外學者對充電樁的研究取得了較有價值的成果，在電動汽車交流充電樁控制系統設計一文中分析了電動汽車交流充電樁的系統結構和工作原理，實現了充電過程控制導引連接確認、識別充電接口傳輸最大電流和充電連接狀態實時采集等功能[1]。在《電動汽車智能充電樁的設計和應用》一文中，結合軟硬件要求給出了電動汽車智能充電樁的詳細設計，該設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、計費準確，為用戶帶來良好的體驗[2]。在《基于群系統一致性電動車充電樁接入微電網的控制研究》一文中，針對電動汽車快速充電和動力電池換電功率大造成變流器不均流問題提出群系統一致性策略對群充電樁進行協同控制[3]。在《一種新型電動汽車充電樁技術方案探討》一文中，從充電樁架構的角度入手，分析充電樁的現狀與存在的問題。定義充電樁的功能需求，設計新型電動汽車充電樁架構，同時也規劃了新型架構下需要支持的標準體系[4]。在《一種新型電動汽車充電樁控制系統設計與應用》一文中，針對充電樁推廣過程中通信方式不兼容問題，設計一種新型電動汽車充電樁控制系統[5]。從系列文獻中可知，目前成熟的充電樁運行模式，數據通信主要通過有線網絡、4G網絡或WiFi實現，主要存在的問題有：（1）在面向小區、地下停車場、偏遠地區等復雜環境下數據通信不兼容、通信設備成本高、用戶體驗不佳等問題。（2）充電設施大都安裝在人員稀少、潮濕多塵，戶外或半戶外的地方，環境相對較惡劣，通信的接入很不穩定。（3）各充電廠家、型號復雜不一，沒有形成完善和統一的標準。（4）大部分故障均需人工到現場重啟設備，效率低。（5）主要通信芯片或系統為國外知識產權，無法保證設備使用及數據傳輸的絕對安全。據統計，71%的輕微故障和離線問題可通過設備重啟解決，當前均采用人工現場處理，耗費大量時間及相關搶修資源，如果能設計使用一種穩定性高且安全性強的通信解決方案，通過系統遠程控制充電設施，即可解決上述的大量輕微問題。

2? 基于北斗技術在充電樁運維系統的設計

為解決遠程穩定通信問題，一是可采用光纖通信;二是可采用北斗衛星;三是使用4G網絡。光纖在高速公路網絡敷設施工難度大，投資高;4G通信在邊遠地區及異常環境條件下不穩定，而采用北斗衛星可有效解決光纖通信投資大及4G通信不穩定的問題。如表1所示，從功能性、安全性、建設周期、投資規模、信號穩定、備用可靠等方面分析了3種通信技術在充電樁運維通信使用中的優缺點，可以看出運用北斗技術的充電樁運維通信在各方面均有較高優勢。

2.1 北斗短報文技術

北斗短報文通訊可為用戶機與用戶機、用戶機與地面中心站之間提供每次最多120個漢字或1680比特的短報文通訊服務。每個用戶機都有唯一的一個ID號，并采用1戶1密的加密方式，通訊均需經過地面中心站轉發。其基本流程如下。

（1）短報文發送方首先將包含接收方ID號和通訊內容的通訊申請信號加密后通過衛星轉發入站。

（2）地面中心站接收到通訊申請信號后，經解密和再加密后加入持續廣播的出站廣播電文中，經衛星廣播給用戶。

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

2.2 基于北斗短報文的充電樁運維電氣控制系統

如圖1所示，基于北斗短報文的充電樁運維電氣控制保障充電設施的良好運轉，有效解決避免光纖通信施工難度大、投資高的問題。充電樁監控對充電樁的實時監控和預警功能;充電樁返回工作狀態是對在充電設施上加裝遠程維護控制模塊，后臺監控端制動匹配判斷故障設備是否恢復。

與傳統充電樁運維電氣控制系統相比基于北斗短報文的充電樁運維電氣控制系統有以下幾大優勢。

（1）傳統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）傳統通信易受環境、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，不受環境和天氣的影響。

（3）傳統通信均采用公用和開放的信道進行數據傳輸，無法保證數據的安全性;而北斗雙向通信是獨立的數據傳輸通道，數據安全性有保障。

（4）傳統通信的數據采用自定義的傳輸機制，無規范性;而北斗雙向通信一開始就規定了標準的北斗協議，保證了傳輸機制的高可靠性。

3? 基于北斗技術在充電樁運維系統的軟硬件實現

3.1 基于北斗技術充電模組硬件設計

硬件電路主要由控制器、充電機控制接口、WiFi模塊等部分組成，硬件電路結構如圖2所示。為了增強系統的穩定性，控制器和充電機接口通過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，功能強大，可通過APP客服端實現固件升級。充電機控制接口為充電機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信息。

3.2 基于北斗技術充電模組軟件

如圖3所示，給出了基于北斗技術充電模組軟件流程，其中控制模塊通過內置低功耗的電流傳感器判斷故障充電設施是否在充電狀態，在非充電狀態下，監控人員可通過系統下發指令對TCU進行遠程重啟，同時控制模塊可在規定時間內返回TCU設備通電狀態，結合系統的實時監測功能，后臺監控系統可判斷故障設備是否恢復，運維服務平臺實現對于出現的問題及時進行相應和處理，保證系統的穩定運行。

4? 基于北斗技術在充電樁運維系統的實施

該項目已應用于國網公司在福建省的智能充電樁項目。按照國網公司相關規定，充電設施發生離線、故障需搶修人員45min到場處理，時間緊迫。并且福建高速充電設施多，路途遠，搶修人員按時到場處理壓力大且經常高速行車，特別是夜間及不良氣候搶修，安全風險大。基于北斗技術在充電樁運維系統充分利用北斗衛星系統安全可靠、全天候，不受任何臺風，地質災害等影響的優勢，采用其特有的短報文采用一對一發送接收功能，可實現遠程操作。如圖4所示，項目在充電設施上加裝控制監控設備，可監控充電設施狀態，并將狀態傳回指揮中心。車聯網平臺同步監控到離線或故障時，若需對設備進行重啟，可由指揮中心遠程下達指令對充電設施進行重啟，重啟成功后可監控并返回設備狀態。這樣就可全面替代人員到場處理普通故障。在處理無效情況下再安排人員到場處理。

5? 結語

由于北斗衛星通信的安全可靠特性，基于北斗衛星的智能充電設施運維系統，可以在電動汽車充電行業全面推廣，大大加強了充電設施運維的智能化，應用前景十分廣闊。主要優勢包括以下幾個方面。

（1）促進各充電樁廠家加快形成統一的維護通信技術規范和遠程維護通信標準。

（2）北斗衛星通信不受環境氣候、地理位置限制，同時是國家戰略，在2020后北斗三代組網成功，北斗的帶寬和速度都大幅度提升，那么將使得充電設施的北斗運維更加智能化，精確運維。

（3）智能充電設施運維系統，實時監控充電樁狀態，可在云端與電動汽車互聯互通，擴展基于北斗衛星的物聯網應用。

參考文獻

[1] 徐坤，周子昂，吳定允，等.電動汽車交流充電樁控制系統設計[J].河南科技大學學報：自然科學版，2016，37（3）：47-52.

[2] 李占鋒，王亞平.電動汽車智能充電樁的設計和應用[J].微型電腦應用，2018，34（6）：65-67.

[3] 柴萬騰，程志江，李永東，等.基于群系統一致性電動車充電樁接入微電網的控制研究[J].可再生能源，2018，36（6）：882-887.

[4] 李洪峰，李紅霞，陳志剛，等.一種新型電動汽車充電樁技術方案探討[J].電力系統保護與控制，2017，45（6）：142-147.

[5] 楊濤，程耕國，程驊，等.一種新型電動汽車充電樁控制系統設計與應用[J].現代電子技術，2017，40（15）：179-182.