基于窄带物联网的电动汽车智能充电系统

(合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230601)

随着电动汽车产业快速发展，高效充电基础设施建设已成当务之急。充电桩建设成本高且缺乏有效管理是当前充电运营亟待解决的难题[1]。2018年国家发改委和能源局出台的《关于提升电力系统调节能力的指导意见》[2]中明确指出要提高电动汽车充电基础设施智能化水平，通过“互联网+充电基础设施”，同步构建充电智能服务平台，提升充电服务化水平[2-3]。

传统的充电桩组网方式分为有线和无线两种。有线组网一般使用以太网，需要铺设网线，耗费大量人力物力，成本较高。传统无线组网方式主要有GPRS，ZigBee等[4-5]。而NB-IOT技术是5G时代的物联网核心技术，有着很好的发展前景。与GPRS相比，NB-IOT的网络覆盖更广，信号增强20 dBm增益，在地下停车场和偏远地区的充电桩应用上更有优势[6]，并且NB-IOT具有更强的链接能力，在使用相同基站的情况下，比GPRS提高50～100倍的设备接入量[7]，这对于未来提升充电桩建设数量是很有利的。与ZigBee相比，NB-IOT成本更低，ZigBee在应用中需要部署大量网关，增加了建设成本，而NB-IOT只需利用现有的基站，每年缴纳很少的资费就可以使用。因此，本设计采用NB-IOT技术来搭建智能充电桩系统。

1 需求分析与系统总体架构设计

1.1 需求分析

传统的充电系统功能单一，一般仅支持刷卡充电并且充电模式少，支付手段单一，不够智能，用户体验较差；无法实时监控设备状态，充电过程中一旦发生异常导致停机，不能及时通知到车主和设备厂家，造成用户时间损失，也不能及时维护设备。针对以上问题，本文设计的电动汽车智能充电系统具有以下基本功能：

① 启动方式多选，支持IC刷卡，微信小程序扫码以及Web页面管理员启动。

② 充电模式多选，按时长充电、按金额充电、自动充满以及预约充电。

③ 支付手段支持IC卡充值以及微信小程序充值，且IC卡号与微信小程序账户绑定，可挂失。

④ 充电过程中实时采集车辆电池包数据，分析电池包健康信息，提示用户车辆状态。

⑤ 实时监控电桩状态，发现故障立即诊断并上报。

1.2 系统架构设计

系统分为智能充电桩和云平台管理系统两大部分，架构图如图1所示。

图1 系统架构图

智能充电桩为用户提供个性化的充电服务，并将采集的设备状态信息、车辆电池包信息以及充电参数信息等通过NB模块发送到NB-IOT基站，再由基站经核心网转发至云平台管理系统。

云平台管理系统由云服务器、移动端和Web客户端组成。云服务器负责解析智能充电桩发送的报文，完成数据清洗、加工及存储工作，并交由移动端和Web客户端调用。用户可通过移动端和Web客户端对智能充电桩进行控制，指令经由NB网络下发至充电桩。

2 智能充电桩设计

2.1 架构设计和功能定义

区别于传统的充电桩框架[8]，本文从逻辑上将交易服务功能与电气控制功能独立划分，这样做有利于充电桩的标准化，建立统一规范的交易结算模式，既提升了使用便捷性，也保障了交易的安全性，智能充电桩架构如图2所示。

图2 智能充电桩架构示意图

各单元功能定义如下。

① 人机交互：首先通过IC卡或微信小程序扫码进行用户身份认证，认证成功后在充电桩显示屏或手机端上给用户提供向导式的操作界面和语音提示。

② 通信单元：根据智能充电桩与云平台管理系统之间的协议实现两者的数据交互。

③ 数据存储：保存智能充电桩的各项参数如桩编号、电表地址、电价以及最大功率等。

④ 计量单元：在充电过程中实时读取充电电量，并根据电价计算出实时充电费用。

⑤ 继电器控制单元：负责控制强电回路的继电器通断。

⑥ 传感器单元：通过相应的传感器获取充电桩的工作温度、湿度、漏电流以及接地连续性等，保障充电过程安全可靠。

⑦ 充电单元：与车辆BMS通信并实时调节非车载充电机的输出电压、电流大小给电动汽车充电。

2.2 硬件设计

智能充电桩主控芯片采用目前主流的意法半导体(ST)公司的STM32F207ZET6高性能CPU，主频达到120 MHz，拥有丰富的外设接口，包括UART接口、CAN接口、以太网接口、I2C接口、SPI接口、ADC接口等，满足各功能模块的使用要求。智能充电桩硬件框图如图3所示。

电源电路首先利用AC/DC开关电源将220 V交流电转换为5 V和12 V直流电，再利用AMS1117-3.3芯片降压至3.3 V，以此给主控制器及各模块电路供电。主控制器与HMI电阻屏、IC卡模块、语音模块通过RS232通信，与电表通过RS485通信，与车辆BMS、非车载充电机通过CAN通信。温湿度传感器采用AM2321温湿度检测芯片进行充电桩运行环境检测，使用SPI通信。存储芯片采用铁电存储器FM24CL04B，掉电数据能保存10年，通过I2C总线与主控制器通信。漏电电路采用主控制器的ADC采集漏电流的大小。

图3 智能充电桩硬件框图

通信模块采用WH-NB73模组，支持NB-IOT通信协议，通过UART串口与主控制器进行数据交互。为保证模块稳定运行，在设计外围电路时需要注意以下几点：① 电源接口处要接高频滤波电容，采用10 μF+1 nF+100 pF；② 在模组和主控制器两者UART接口之间需要串联一个10 kΩ电阻进行电平匹配；③ 射频接口需要做50 Ω阻抗匹配，并且需要预留π型匹配电路；④ SIM卡接口的卡槽需靠近NB73模块对应位置放置，并且增加ESD保护。外围电路图如图4所示。

图4 NB模块外围电路图

其余的急停开关、继电器控制、枪头连接确认等都为普通I/O控制。

2.3 软件设计

主要包括智能充电桩与云平台管理系统通信协议设计，NB模块软件设计，充电业务软件设计。

2.3.1 通信协议设计

智能充电桩与云平台管理系统之间采用Client/Server的通信方式，前者作为Client方，后者作为Server方，协议的报文格式如表1所示。

表1 通信协议报文格式

其中，起始域固定为0xF5AA，用来识别报文的有效性；协议版本固定为0x01，代表第一版；命令码即消息类型，代表不同功能要求，命令码为奇数代表服务器下发的报文，为偶数表示充电桩上传的报文；校验和采用CRC校验检验数据完整性。消息类型主要分为三大类，一些常用的的命令码如表2所示。

表2 常用命令码

2.3.2 NB模块软件设计

NB73模块通过AT指令控制，支持3种工作模式：网络透传模式，CoAP模式和UDC模式，本文采用网络透传模式。透传模式是通过创建UDP套接字实现的，在此模式下，智能充电桩将采集的设备状态信息、车辆电池包信息以及充电参数信息通过串口发送到NB-IOT模块，模块自动将数据转发至云服务器，同时模块也可以接收来自服务器的指令，并将其转发至充电桩。本设计用到的AT指令集及其功能说明见表3。

表3 主要用到的AT指令

2.3.3 充电业务软件设计

充电业务软件实现采用分层设计思想，分为驱动层、应用层和主程序，同时采用面向对象思想对数据进行封装，保障数据的独立性和安全性。

驱动层主要负责主控芯片的各个外设配置及初始化功能，包括GPIO口、定时器、UART串口、CAN口、SPI口、I2C口、ADC接口等。

应用层主要实现充电桩各功能模块的任务，包括读卡任务、触摸屏任务、电表通信任务、车辆BMS通信任务、非车载充电机控制任务、后台通信任务、安全检测任务等，参照的协议主要有：DLT645电表通信协议、非车载充电机控制协议、非车载传导式充电机与电池管理系统之间的协议、智能充电桩与云平台管理系统通信协议等。后者已在上文介绍，由于篇幅所限，这里不对其他协议作过多讲解。

主程序负责调用应用层各业务模块实现整个充电业务，充电流程图如图5所示。

图5 充电流程图

3 云平台管理系统设计

3.1 架构设计

本设计使用阿里云的云服务平台部署服务器，平台提供了安全、可靠的数据计算和处理能力。采用高内聚、低耦合的分层架构设计思想，每一层负责单独的功能，系统分为4层：客户层、控制层、业务层和数据层[9]。如图6所示。

图6 云平台管理系统架构图

① 客户层：包括移动客户端和Web客户端，为用户提供与智能充电桩之间的交互服务。

② 控制层：对客户层发送过来的数据进行解析，并调用业务层相应模块进行处理，最后将处理结果返回客户层。

③ 业务层：实现对系统业务逻辑的处理工作。包括设计相应服务接口，以及具体实现方法。

④ 数据层：采用MySQL数据库实现对数据的存储及管理工作。

3.2 业务层设计

业务层是云平台管理系统的核心，下面重点介绍业务层的设计。充电桩管理系统业务主要包括设备管理、用户管理、交易管理、数据采集、大数据处理，如图7所示。

图7 业务层功能模块设计图

① 设备管理：包括设备的添加和控制。添加设备指系统管理员能够进行新建设备的审核和添加；设备控制是指可以通过移动客户端和网页客户端来控制充电桩的启停以及预约等操作。

② 用户管理：包括用户的注册、登录以及账号注销等。用户可以使用手机号或者邮箱进行注册，注册成功后用户信息会保存到数据库中，用作后期用户登录时进行信息校验。若用户请求注销账号，则将用户相关信息从数据库中删除。

③ 交易管理：包括账户充值和扣款。账户充值过程如下，客户端首先向服务器发送充值请求，服务器生成一个唯一的订单号作为支付记录。客户端收到订单号后调用微信或支付宝等第三方支付系统SDK(软件开发工具包)进行支付，支付成功后改变订单状态，将用户的充值记录写入到数据库。账户扣费：充电结束之后，充电桩将用户本次订单充电金额上报给服务器，服务器对相应账户进行扣费，并将用户消费记录保存至数据库中。

④ 数据采集：接收充电桩上传的自身状态信息以及充电信息，实时监控各项指标，一旦发现异常立即采取相应措施。

⑤ 大数据分析：根据系统采集的不同地区的用电峰谷情况，制定峰谷电价，鼓励用户在用电谷期进行充电，降低电网负荷。收集不同用户的充电信息并分析其充电习惯，为用户提供更优秀的充电服务。

4 系统测试

在分别完成智能充电桩以及云平台管理系统的设计后，进行系统联调实测。部分测试结果如图8～图11所示。结果表明，本系统运行稳定，操作简便，人机交互友好，充电模式多样，云平台管理系统能够实现远程对智能充电桩的实时操作和监控，符合预期需求。

图8 充电桩主界面

图9 充电界面

图10 部分Web页面

图11 微信小程序界面

本系统与传统充电系统对比分析如表4所示。

表4 本系统与传统充电系统对比分析

5 结束语

本文基于NB-IOT技术和云平台设计了一套电动汽车智能充电系统，从系统总体架构入手，就智能充电桩和云平台管理系统提出了具体的分析和设计。相对于传统电动汽车充电系统，本设计成本更低，智能化程度更高，可以给用户提供更友好的充电服务。随着物联网技术的普及，本设计将在推动新能源汽车产业发展，破解充电设施建设和运营难题上具有先导性意义。