基于CAN總線區域分布式充電樁建設布局的設計

(大連交通大學 遼寧 大連 116000)

一、引言

隨著新能源汽車的發展，電動汽車已經成為了新能源汽車的主要發展方向，而完善的充電系統是能夠保證電動汽車穩定發展的前提和基礎。

電動汽車發展受到限制和約束，其中的一個核心原因在于沒有完善高效的充電系統。到現階段為止主要的充電手段有三種：充電站、換電站和充電樁，我國在“十五”期間曾經設立電動汽車發展重大專項，重點針對輔助充電設備的研究。由于電動汽車的推廣，一些整車生產企業開始推出專用充電設備，比亞迪公司設計開發了自主使用的自動化充電站管理系統，建設了無人充電站[1]。目前我國已有的一些充電站點，雖然實現少部分自動化管理，但是在建設布局上依然使用傳統的集中式管理，將整個區域內，如整個市區范圍內所有的充電樁統一到一個管理后臺的超級計算機上進行管理，雖然實現了全局管理，但是由于集中式管理負擔大，可控性差，導致整體可靠性差，管理效率低下，問題頻出等缺點，鑒于以上的問題，本文從對充電樁的建設布局入手，基于CAN總線設計了區域分布式建設充電樁的方案，在能夠滿足電動汽車的充電需求的前提下，提高管理的效率和穩定性，加強設備可靠性，擴大充電樁的建設規模，在一定程度上能夠推動電動汽車產業的發展。

二、分布式區域充電樁布局設計

(一)分布式模塊通信方式

CAN總線是德國電器商博世公司開發用于面向汽車的通信協議，全稱控制器局域網(Controller area network)是目前國際上應用最廣泛的現場總線之一，CAN總線協議具有多主控制、系統柔軟、通信穩定、錯誤檢測與恢復、故障封閉、不受連接單元數目限制等優點，尤其是CAN總線協議為了解決連接節點數目的問題，將傳統的站地址編碼改成了對通信數據塊進行編碼[2]，如此一來，理論上網絡節點的數目將不再受到限制，但實際上受到總線上時間延遲和電氣負載的限制，如果增加單元數量，就會降低通信的速度。

本文所設計的CAN總線系統有三種模式：初始化、正常、睡眠能夠自由進行切換,主要思路是多個充電轉之間完全通過CAN總線與單個區域內主樁進行信息的交流和傳輸，主樁通過無線網絡上位機進行數據通信，實現按區域進行分布式信息傳輸。本文模擬使用的STM32F103ZET6自帶有bxCAN模塊，不需要外掛CAN模塊，bxCAN屬于CAN總線的基本擴展模式同時支持CAN協議2.0A與2.0B

(二)CAN總線協議信息傳輸模式

CAN總線本身具有很好的容錯性，成本低廉，數據傳輸速度快距離遠，由于CAN總線節點沒有報文報頭的結構，因此系統具有極強的靈活性，在不同的節點可以同時接受相同的數據，如此一來使得CAN總線網絡節點之間的實時通信性極強，而且CAN總線上的節點之間互不影響，增減節點數量或是單個節點故障不會對其他節點造成影響，也不會使總線處于死鎖狀態，由于具有完善的傳輸協議，因此在開發過程中也大大減少了工作量，縮短的開發周期，基于這些優點我們選擇CAN總線作為系統通信總線。

CAN總線的通信過程中數據傳送是通過報文格式實現的，數據信息編輯成不同的報文格式傳輸，如數據幀、遠程幀等[4]。對于CAN總線來說，只要是在總線上的單元都可以發送新消息，前提是總線處于空閑，總線上的單元想要發送新的消息，需要總線為空閑狀態，檢測到總線空閑即可以進行發送。

此次設計基于CAN總線系統的靈活性以及信息傳輸的穩定性，設計了基于CAN總線分布式通信模式，應用在充電樁之間，中心樁與上位機控制系統之間通過無線網進行信息傳送，根據《電動汽車充電技術規范》要求，單條CAN總線控制在200米范圍內，因為設計將CAN總線應用在單個區域內以保證CAN總線的高效率，如果超出距離可以增加區域主充電樁數量以保證傳輸的效率。

(三)基于分布式結構的充電樁布局總體設計

本次設計分布式結構中每一個充電樁終端都是一臺小型嵌入式計算機，每臺計算機負責了一個充電樁的控制與信息上傳操作。這些嵌入式計算機的計算能力遠沒有超級計算機強大，但它們協同工作為整個充電樁系統提供服務。由于控制計算機數量的增加，系統的通信數據量也會增加，但極大增強了系統的整體穩定性[3]。本文的分布式建設充電樁的總體結構如圖1所示：

圖1 總體設計結構圖

如結構圖所示，基于分布式結構將充電樁的建設模式以區域劃分，每個區域內的充電樁獨立存在，每個充電樁以CAN總線作為信息傳輸方式，每個區域只有一個主充電樁以無線網絡連接的方式與上位機通信，主充電樁中除了含有嵌入式計算機外也擁有無線發射器將區域內收集到的充電樁信息發送給上位機，單個區域內的充電樁單獨工作互不影響，所有信息由主充電樁定時發送與上位機，這樣既保證了充電樁的工作，同時因為各個充電樁皆為獨立傳送信息，單個充電樁出現問題或故障不會對其他充電樁或總線造成影響，故障和問題信息皆由主樁獲取并上傳給控制系統，提高了網絡的穩定性和工作效率。

三、充電樁建設分布式網絡設計

(一)硬件實現

在單個區域內進行信息傳輸時，利用CAN總線完成信息交流，為此我們選用了ARM系列中數據處理能力突出的的STM32微處理器作為主要核心處理器。作為增強系列的STM32F103具有內置的ARM核心，能夠完美兼容ARM的軟件及工具。而且STM32F103ET6擁有內嵌的CAN總線模塊，避免了外掛CAN通信模塊的需要，減少了硬件復雜度。

CAN控制器在發送信息的時候共有兩種不同的幀類型：數據幀、遠程幀，在發送信息時，數據會被寫入到數據幀的數據段中存儲，如果當前狀態CAN總線空閑且優先級達到要求，則數據幀將被發送到CAN總線上。

(二)CAN總線通信軟件設計

CAN總線進行數據發送工作時，需要確認總線處于工作模式，CAN總線本身具有三種不同的模式：初始化模式、正常模式和睡眠模式。在進行數據傳輸之前需要喚醒總線到工作模式，如圖2所示對總線進行喚醒操作。

圖2 喚醒操作

(三)通訊信息設計

由于是區域分布是設計，所以主要的信息傳輸集中在單個區域之間，區域與區域之間互不影響，單個區域中充電樁之間互不影響。

充電樁向主充電樁樁發送信息內容為充電樁的各項數據參數：充電樁電流電壓參數，電量儲備狀態，充電樁工作狀態，設備檢測信息，收費狀況等。

單個充電樁的使用狀態以及本身設備狀態信息由單個充電樁中的嵌入式計算機進行整理收集，之后通過CAN總線傳送給區域內的主充電樁，由主樁對信息整理之后再發送給上位機控制系統，因為CAN總線必須處于空閑狀態下才能對數據進行傳輸操作，一旦CAN總線空閑則立刻發送最高優先級信息，發送成功后，郵箱恢復空閑狀態，掛起等待下次信息。如果發送失敗則會重復發送過程[5]。

在接收端，主樁需要接收包括當前充電樁電量剩余、電流電壓參數、工作狀態、故障問題信息和費用等實時信息。當接到信息時，存放到接收郵箱中，如果需要讀取，則使用軟件調用讀取郵箱中的報文信息，郵箱設置為FIFO模式，按照優先順序依次讀取報文信息。

(四)系統軟件設計

此次軟件設計使用STM32F103系列芯片作為控制器，芯片本身自帶嵌入式CAN控制器模塊，遵照模塊化思路使用C語言進行程序的編寫實現，包含有主控制程序、CAN控制器程序，其中CAN控制器程序包含CAN數據發送程序、CAN接收程序、中斷程序、優先級判定、CAN初始化等，在CAN控制器初始化程序中對CAN工作模式、參數設置、配置郵箱、波特率設置、寄存器設置、標識符過濾程序等。

程序運行中采用CAN接收中斷處理，系統設置多個寄存器用于緩存信息，CAN總線波特率根據需求可以對參數進行修改來改變信息傳輸速度，每條信息內容存儲在數據幀的數據段中，每條信息都有一個標識符在擴展幀中用來標識信息的優先級，系統初始化之后，所有寄存器與郵箱都初始化，CAN總線進入工作模式，系統中設置多個寄存器空間，所有發送信息統一存放在寄存器中等待命令，接收信息時程序調用數據幀擴展幀中的標識符判定信息的優先級，對接收到的信息按優先級排序存放在接收郵箱中，數據段中存放充電樁電流電壓參數，電量儲備狀態，充電樁工作狀態，設備檢測信息，收費狀況等信息內容，申請中斷后判斷CAN總線是否空閑，空閑時將優先級最高的信息發送到CAN總線上，CAN總線接收到中斷請求后調用郵箱查看接收到的信息內容，若總線正處于查看信息狀態，則郵箱掛起等待CAN總線恢復空閑狀態，程序設置標識符過濾程序判定數據幀標識符優先級，寄存器中設定一個字節符顯示寄存器狀態，設定字節符“F”表示寄存器處于空閑工作狀態，該狀態下可以接收信息存儲，設定字節符“B”表示寄存器繁忙工作狀態，該狀態下表示寄存器中已經有信息存儲其中，需等待信息被處理，CAN總線執行完中斷請求后，返回中斷到寄存器繼續執行下一中斷請求[6]。系統初始化時，所有寄存器和郵箱皆初始化，所有寄存器為空閑以便存放接收信息，系統主程序部分流程圖3所示。

圖3 主程序流程圖

四、結論

本文使用STM32F103系列芯片設計實現了以CAN總線為通信方式的分布式充電樁布局建設方案，使用了高效率的STM32系列芯片作為核心處理器，充分利用CAN總線靈活性穩定性高的特點設計了新的布局方案，解決了集中式充電樁建設管理中高聚合、穩定性差的問題，進一步提高了充電樁的工作效率和建設規模，為電動汽車的發展提供了堅固的基礎.

【參考文獻】

[1]葉茂銀.CAN總線協議在車聯網中的研究與應用[D].貴州大學,2016.

[2]裴標.分布式電動汽車充電站及其管理系統[D].北京交通大學,2013

[3]侯攀峰.分布式交流充電樁控制與管理系統設計[D].中國礦業大學,2015.

[4]亢雪琳.基于STM32的CAN總線通信設計[D].吉林大學,2013.

[5]劉建敏,高云飛.CAN總線在電動汽車BMS系統與充電樁之間通信的應用[J].微計算機信息,2012,28(09):205-207.

[6]朱帥.基于CAN總線分布式電動汽車充電站控制系統研究[D].江西理工大學,2012.