新型電動汽車充電樁控制系統設計及應用研究

李 玲

(江蘇省鹽城技師學院，江蘇 鹽城 224000)

為了改善傳統電動汽車充電樁控制系統存在的不足，提出以藍牙作為通信工具，設計新的控制系統。

1 系統總體設計

1.1 系統總體框架結構設計

本系統主要由3部分組成，分別是充電樁控制模塊、云服務器、用戶APP客服端，結構如圖1所示。

圖1 系統總體框架結構Fig.1 Overall framework structure of the system

1.2 系統網絡通信設計

在傳統充電樁控制系統的基礎上，改進網絡通信體系，選取藍牙作為充電樁與用戶手機之間的通信工具，以此滿足復雜環境下的通信需求。地下室車庫等環境中，用戶打開手機藍牙，向充電樁發送充電命令，實現電動汽車充電控制。對于充電相關數據、業務請求等，在網絡環境中，用戶手機將自動向服務器發送信息，經過4G/5G/wifi，創建服務器與移動終端之間的通信。與此同時，服務器與充電樁管控中心計算機之間利用wifi/光纖進行通信，服務器與用戶手機之間則選取4G/5G/wifi作為通信渠道。

1.3 數據加密與解密設計

系統中的藍牙通信作業需要用戶登陸充電樁APP，通過登陸客服端，從客服端掃描充電樁二維碼，或采用手動識別的方式，將充電樁的設備號輸入客服端，從而創建藍牙通信連接。當充電連接請求發送至服務器后，得到藍牙密鑰[1]。采用混合加密算法，對藍牙通信數據進行加密處理，從而提高藍牙通信安全性。關于數據加密與解密設計，通過RSA加密與解密、RC4加密與解密，創建藍牙通信安全體系。其中，數據加密設計利用RSA對RC4秘匙加密，生成RC4秘匙；利用RC4對數據信息加密，生成加密原文。將加密原文與RC4秘匙融合到一起，形成復合信息，通過藍牙得以發送，數據接收端對數據進行解密。關于數據解密設計，將復合信息拆分為加密秘匙、加密原文，前者利用RSA解密，生成RC4秘匙，后者利用RC4解密，生成數據信息。用戶或充電樁獲取RC4秘匙、數據信息后，按照充電請求開始作業，同時向用戶展示充電樁作業狀態信息。

如果不法分子竊取通信數據，由于沒有拿到RC4秘匙，無法獲取正確的充電樁控制及消費等信息，不會給用戶使用安全帶來威脅。

2 充電樁控制電路與程序開發流程設計

2.1 控制電路硬件框架結構設計

選取STM32F407ZET6作為處理器，利用E2PROM、藍牙模塊、充電機控制接口、控制器，搭建系統控制電路。如圖2所示為系統硬件電路框架結構設計方案。

圖2 系統硬件電路框架結構設計Fig.2 Design of system hardware circuit frame structure

該設計方案采用CAN總線通信，為充電機接口與控制器之間創建通信連接。將型號為TJA1050收發器連接在系統控制電路中，實現充電樁控制信號的接收與充電作業狀態的發送。控制電路各個模塊之間的通信設計采用串口通信方式，創建核心控制器的串口2與藍牙模塊之間的通信；采用I2C通信模式，創建I/O口與E2PROM之間的通信。

本控制電路選取核心處理器STM32F407ZET6支持串口IAP，處理功能較為強大，根據充電樁控制需求，通過APP客服端升級固件。控制器與充電機之間的通信，利用充電機控制接口交換信息，設置J1939為通信協議。按照此通信協議，編輯信息報文，實現各個訪問端口之間數據的發送與接收。關于藍牙模塊的設計，選取低功耗型號NRF51822作為藍牙通信工具，通過發送串口AT指令，完成藍牙通信。目前，藍牙通信模塊運行較為穩定，可以作為本系統通信工具。另外，電路中的E2PROM作為信息存儲工具，除了記錄充電樁輸出信息、用戶信息以外，還可以用來記錄充電樁故障日志。由于該模塊具有較好的容錯能力，且掉電后信息不容易丟失，所以可以為系統控制數據的記錄提供保障。

2.2 充電樁控制程序開發流程設計

充電樁控制程序開發選取μC/OS-ⅡV2.91軟件，按照優先級不同，先后執行充電控制命令。其中，優先級的設計設定了5個控制命令層級：用戶APP向充電機發送汽車充電控制命令，此任務的優先級最高；充電控制系統異常檢測，同時檢測看門狗情況，該任務是對系統整體狀況進行檢驗，從而降低系統故障問題發生頻率；查詢充電機作業產生的數據，并對這些數據加以處理；查詢藍牙模塊數據，并對這些數據加以處理；向藍牙通信模塊發送數據任務。

按照上述順序執行充電控制命令，為了有效控制充電機的啟/停，將開啟/停止充電控制命令的執行設置為最高優先級，超出上述最高層級運行順序。如果發現充電樁作業發生異常，則立即停止該裝置作業。本系統為用戶設置了3種充電控制模式，分別是定時充電、定量充電、自動充電(直至汽車電池充滿)。其中，定時充電在地下車庫應用，圖3所示為定時充電控制程序主要流程。

圖3 充電樁控制程序開發流程Fig.3 Development process of charging pile control program

第一步：讀取充電控制信息，判斷當前用戶下達充電控制模式；第二步：從所有控制信息中識別定時充電控制命令；第三步：判斷當前充電槍是否連接，如果連接成功，則執行第四步，反之則返回第一步并檢驗充電槍連接操作是否執行；第四步：向充電樁發送充電指令；第五步：鎖定當前為汽車充電的充電槍；第六步：開啟充電機作業模式，為汽車充電，該過程支持強行停止充電控制，如果發現充電機發生異常故障，系統將記錄相關信息，并跳轉至第十步；第七步：判斷汽車電池當前是否處于充滿狀態，如果達到了充滿狀態，則執行第十步，反之，則執行第八步；第八步：系統向藍牙模塊發送消息，利用該模塊返回充電控制時間信息；第九步：對比藍牙模塊返回的充電控制時間與預設的充電時間是否相符，如果相符，則執行第十步，反之，返回第六步；第十步：充電機的充電作業狀態切換到停止充電狀態；第十一步：結算本次充電費用，向用戶發送金額消息；第十二步：解除充電槍。

3 用戶APP服務端設計

用戶APP服務端主要用于處理信息，并搭建用戶與服務器、用戶與控制電路之間的通信連接，起到人機交互作用。按照系統開發功能需求，將用戶APP服務端拆分為8個功能模塊。一是用戶個人信息管理。用戶按照APP使用要求，注冊個人信息。完成注冊后，系統將對用戶的個人信息加以保護，避免信息泄露。二是充電樁搜索。每一個充電樁都有唯一的標識身份，用戶通過掃碼或直接輸入標識號碼，搜索到充電樁，如果該充電樁處于空閑狀態，則可以為用戶提供充電服務。三是人機交互。在APP操作界面為用戶提供充電樁操作信息查詢服務，也可以在此界面發送充電控制命令。四是智能預約排隊充電。本系統設置了預約排隊功能，按照設定的充電時間開始排隊，用戶不需要到達現場，等待充電機空閑時，可以自動連接充電槍，為該用戶電動汽車充電。五是充電樁故障日志發送。APP接收到充電樁故障消息后，立即在消息界面通知用戶。六是充電模式選取。本系統支持3種充電模式，根據用戶需求選擇相應的充電模式即可。七是賬單支付。完成一次充電后，系統自動計算本次充電需要支付的費用，用戶可以根據需求選擇支付方式，通過APP客服端完成支付。八是用戶反饋。設計用戶反饋功能模塊，用戶在互動平臺可以將問題反饋給管控中心，通過服務器將此消息發送給管控中心計算機。

4 云服務器設計

云服務器主要由平臺軟件、大型信息存儲模塊、計算機等組成。根據系統控制需求開發3項功能，作為APP客服端、現場控制終端作業輔助工具。

數據處理。為了滿足多級客戶的充電需求，云服務器模塊增加了數據處理功能，由后臺管理員與計算機自動處理模塊共同完成數據加工與處理，以提高充電服務管控效率，降低多用戶充電命令并發問題的發生頻率，緩解數據庫與服務器的作業壓力。

數據分析。采用數據挖掘技術，對充電控制的海量數據加以分析。通過應用深度數據挖掘算法，獲取充電地點、充電時間、充電模式選取等信息，將其作為數據后臺接口創建的依據。按照層級服務標準，排列充電服務先后順序，并為用戶展示服務信息。

資源共享。借助互聯網平臺創建一個資源共享模塊，按照資源類型不同，將其拆分為多個資源板塊，用戶可以通過訪問資源共享板塊，從眾多資源板塊中找到自己所需的資源信息，實現資源共享。

5 系統應用測試分析

5.1 系統應用測試內容與方法

按照系統架構設計方法搭建系統，對充電樁的服務情況進行測試。應用測試以預約充電服務為例，對充電樁是否能夠按照設定的參數標準作業進行測試，并觀察系統是否可以按照預約充電先后順序為用戶提供充電服務。當充電樁結束對汽車的充電服務后，轉為空閑狀態，此時為下一個等待用戶提供充電服務，通過藍牙連接，將該充電樁的充電槍與此用戶的電動汽車充電接口連接，為其提供充電服務。觀察充電樁是否按照用戶預約充電的先后順序對汽車進行充電，記錄充電先后順序、開始充電時間、藍牙是否成功連接、充電槍是否連接、是否按照要求充電、前方排隊情況、預約充電時間等相關數據信息。

5.2 系統應用測試結果分析

按照系統測試內容與方法搭建系統架構，對系統的充電樁服務功能進行測試。表1所示為充電樁服務功能測試結果。

表1 充電樁服務功能應用測試結果Tab.1 Test results of charging pile service function application

表1中，本系統能夠有序控制充電樁為用戶提供電動汽車充電服務，按照預約先后順序安排充電，能夠根據設定的充電服務要求為電動汽車按時充電/某時段充電。測試中，5臺電動汽車用戶的藍牙設備均得以連接，待前方排隊數量為0時，能夠為當前排在第一位的汽車提供充電服務，成功連接充電槍開始充電。從用戶反饋的充電效果來看，本系統能夠按照用戶設定的充電服務需求為其汽車充電。