电动汽车充电桩的网络设计与研究

葛笑寒

（三门峡职业技术学院, 河南 三门峡 472000）

新能源汽车作为一种绿色交通工具,有着广阔的前景[1]。充电装置则是电动汽车运行的必要基础设施。目前各小区的充电桩和部分充电站等普遍实行无人值班少人值守,各站之间缺乏必要的信息交流。随着电动汽车的大量普及，高效节能、信息互联的智能化充电系统显得尤为必要[2]。采集电动汽车动力电池数据、保证充电过程的安全性,实时计量用电量和充电的过程管理。在对充电装置现状分析的基础上,提出了基于通信的网络化设计。对充电管理系统、电量计量系统、电费交易结算系统等进行设计，实现充电机、电池管理系统和用户，甚至城市枢纽之间能够通信,实时监测相关的参数。

一、方案总体分析设计

该系统主要功能包括客户IC卡信息采集、电能计量计费、系统数据的存储与传送。系统主要有充电管理单元系统、电量计量系统、电费交易结算系统构成。如图1所示。充电桩通过通讯接口获取电量数据和电能费用，在触摸屏界面显示给用户；把用户的操作信息通过通讯系统传递给后台。后台充电网络管理中心，对所有充电设备（直流充电桩、交流充电桩、充电机等）统一管理调度。同时，对充电设备实现远程在线监控。

图1 充电桩功能图

二、系统的网络设计

充电桩上级监控模块采用ARM920T作为内核，提高了系统的运行效率。实现与多个各级智能设备的连接和数据存取。在内部集成8路开关量输入单元和5路开关量输出单元，以实现人机对话，连接触摸屏LCD模块和输出告警继电器。如图2直流充电系统网络结构所示，在电动汽车充电系统中，高速CAN网络与电动汽车BMS通信，用于判断电动汽车动力电池类型；获得动力电池系统参数，充电前和充电过程中动力电池的电压、电流、温度等状态数据，完成充电机的充电控制；通过RS485网络与智能电能表通信，获取电能计量信息，完成充电计费与充电过程的联动控制，与高频充电模块通信，获取充电模块状态和运行信息，完成充电模块状态监测与充电过程的联动控制，与智能变送器通信，获取充电机的输出电压和电流信息，完成充电输出数据监测与充电过程的联动控制。通过高速CAN网络将电能计量、充电机工作信息传送给用户终端（UT），获取并执行UT上送的控制命令；通过RS232网络，实现直流充电桩微处理器和读卡器、显示终端联动。通过高速CAN网络或工业以太网与充电站后台监控系统交换数据，上传充电机和动力电池的工作状态和运行信息，获取并执行后台下发的启动或停止充电控制命令。

（一）充电管理单元的设计

1．充电管理方案

充电管理是监控模块的核心功能，采用二级监控模式，对电池组的端电压、充放电电流、电池环境温度及其它参数作实时在线监测。可准确地根据电池的充电情况计算充电容量，还能按用户事先设置的条件自动转入各个充电阶段进行充电，并通过控制充电电压和电流来完成电池的正常充电过程，实现全智能化。用户终端（UT）和电池管理通过两路总线接口和微处理器连接，通过MAX3050ASA的发送数据输入微处理器LPC2387进行处理[3]。控制流程如图3所示。

图2 充电系统网络结构

图3 充电管理方案框图

2．充电管理流程设计

充电方式分为“恒流限压充电”、“恒压限流充电”两种。系统的工作流程如图4所示。充电机在充电过程根据监测的电池电压或电流，自动选择相应的充电方式，按设定的电流和电压对电池充电，并与各阶段预设的电压、电流、保护时间和保护电压相比较，再继续充电，至到充电完成。当充电系统出现异常时，为了保证电池不被损坏，充电机会立即停机或不能启动。这些异常情况包括充电模块保护或故障告警、充电机电池连接状态不正常、充电机电池开关状态不正常、电池管理系统（BMS）告警，及充电模块通信中断、直流电压表或电流表通信中断、BMS通信中断。

图4 充电管理工作流程

（二）电能计量单元的设计

1．电能计量方案

蓄电池充电属非线性负荷，充电过程中会产生大量谐波。另外，采用直流快速充电时，会形大电流，目前有相关的直流电能表使用，但是价格昂贵。本系统采用交流智能电能表在充电机模块输入端计量，即在后台计量。充电桩控制器提供RS485通讯接口。使用LPC2387微处理器的UART接口，经过MAX485CSA芯片处理形成RS485电平信号。控制流程如图5所示。智能电表通过其接口电路实现计量信息和微处理器的传递。

图5 电能计量方案框图

2．计量单元通讯流程设计

系统加电启动后，进入流程。首先初始化智能电表，并把该表的地址信息等数据置位。充电过程中，分别设定485芯片的端口状态，自动循环实现发送和接收电量数据信息的传递。当一个流程接受所有数据分送后台监控系统和充电桩前台显示界面，该次通讯结束，自动进入下次循环。其工作流程如图6所示。

图6 计量单元工作流程

(三)交易结算系统单元的设计

1．交易结算方案

M1卡由刷卡装置读写芯片数据，并通过RS232串行接口电路传送至微处理器。该接口使用LPC2387自带的UART串行接口，通过SP202EEN芯片转换，最终产生RS232信号电平。经充电桩后台通讯系统，把芯片数据传送给监控系统；该系统处理完信息后，按照上述流程，把信息传递到刷卡端，并且可以在触摸屏上显示IC卡信息。系统方案如图7所示。

图7 交易结算方案框图

2.交易结算程序流程

系统流程如图8所示，系统上电启动后，首先将M1卡靠近刷卡区。完成智能卡识别、客户信息读取和卡内余额读取等。如果一切正常，则进入充电模式选择设定阶段，有多种充电模式可供选择。设置完成，进入充电电阶段，否则返回到开始。充电完成，提示客户刷卡结算。整个操作信息由充电桩转发后台监控系统。整个流程结束。

图8 交易结算系统流程图

三、软件设计与调试

（一）软件设计

系统主要有系统设置、实时监测、报警、人机对话、数据管理以及状态切换等几个模块组成[4]。系统构建如图9所示。后台通过触摸屏将下级设备运行所需要的参数输入系统，并通过串行接口实现对下级设备的设置。设置成功的信息由监控模块显示，这些参数的设置在系统的稳定运行中起重要作用；监控系统对下级智能设备上报的各种信息进行处理后实时监测，这些信息包括采集数据、设置参数等，包括系统的充电电流、电压、输出功率，充电桩工作模式、电能计量显示、电池组单体电池电压等；在监控系统中，监控模块通过串口接收底层设备的报警信息。同时，会在报警屏幕上显示当前报警信息。并会有告警图标提示有告警产生。同时系统运行中，监控模块也能根据所采集数据自行判断，并产生相应的告警信息；人机对话模块利用中断和并行技术，使用面向对象的编程思路把数据封装，保障系统在最短时间内采集到数据，实现实时的后台响应；具有状态切换功能，实现系统信息，历史信息，手动、自动等菜单的切换。

图9 系统架构图

（二）系统测试界面

主菜单是系统主要的功能页面的接口。如图10所示，通过该页面可以分别进入串口监视，开入监视，系统信息，历史记录等信息监察页面，也可以进入手动操作和参数设置等设置页面。另外可以通过返回按钮返回主页面，通过帮助查看相关的描述信息。

图10 监控系统界面

四、结论

对电动车充电控制监测系统进行了方案设计。基于模块化的思想，设计了充电管理系统、电量计量系统、电费交易结算系统等三个模块。并对上位机系统进行规划，测试。结果表明该系统能够直观的了解系统的充电运行状态。对充电系统的建设有一定的指导作用。