電動汽車充電樁數(shù)據(jù)采集終端設計

秦鑫

摘要：現(xiàn)如今，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，電動汽車的逐漸普及，電動汽車充電樁的大規(guī)模接入會對電網(wǎng)的運行規(guī)劃產(chǎn)生重大影響。提出了一種以預約為前提條件，面向用戶端的電動汽車智能充電控制策略。根據(jù)充電樁實時運行狀態(tài)，結(jié)合對電動汽車充電時間的預測，并充分考慮用戶需求，建立了電網(wǎng)控制端—計算機處理終端—智能充電樁終端—電動汽車用戶端之間的信息反饋系統(tǒng)數(shù)學模型。通過算例分析，結(jié)果表明：采用所提出的充電控制策略，可顯著提高充電系統(tǒng)運營效率，適用于大規(guī)模電動汽車智能充電系統(tǒng)。

關鍵詞：電動汽車;充電樁;數(shù)據(jù)采集;終端設計

引言

針對電動汽車充電樁缺少有效狀態(tài)監(jiān)測的情況，設計了基于嵌入式ARM平臺的數(shù)據(jù)采集終端。終端采用模塊化設計，包括數(shù)據(jù)采集處理、ARM處理平臺和數(shù)據(jù)遠傳等三部分。數(shù)據(jù)采集部分采用CAN/RS485通訊，抗干擾能力強。通過ARM和無線技術的有效結(jié)合，系統(tǒng)能夠獨立完成充電站系統(tǒng)運行分析所需主要參數(shù)的采集、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)工作。該方案對于提高電動汽車充電站運行維護效率，降低運維成本，具有一定的參考價值。

1充電樁數(shù)據(jù)采集終端設計方案

電動汽車數(shù)據(jù)采集終端主要由充電樁數(shù)據(jù)采集模塊、ARM數(shù)據(jù)處理模塊和后臺數(shù)據(jù)遠傳模塊三大部分組成。其中，充電樁數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN通訊或RS485通訊與充電樁控制器連接，以通訊方式從充電樁控制器中獲取充電樁實時數(shù)據(jù);ARM數(shù)據(jù)處理模塊則依靠ARM微控制器的強大處理能力，對不同廠家和型號的充電樁數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲;后臺數(shù)據(jù)遠傳模塊根據(jù)現(xiàn)場的網(wǎng)絡布線環(huán)境，可選擇有線或無線方式將采集數(shù)據(jù)遠傳至后臺主站系統(tǒng)。系統(tǒng)設計結(jié)構如圖1所示。

1.1充電樁運行工況數(shù)據(jù)采集

通過充電樁數(shù)據(jù)采集終端，獲取充電樁運行工況數(shù)據(jù)，包括設備狀態(tài)、電氣信息、故障告警、開關狀態(tài)、通訊報文、溫度濕度、計量信息共七類數(shù)據(jù)，以此作為充電樁狀態(tài)評價數(shù)據(jù)分析、模型構建的基礎。各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)項具體如下：1）設備狀態(tài)設備運行狀態(tài)、車輛連接狀態(tài)、充電槍座狀態(tài)、充電接口電子鎖狀態(tài);2）電氣信息輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、充電功率、SOC、單體電池最高電壓、單體電池最低電壓、充電導引電壓、絕緣狀態(tài);3）模塊信息充電模塊電壓、充電模塊電流、充電模塊溫度、充電模塊運行狀態(tài)、充電模塊故障、充電模塊直流輸出短路故障、充電模塊風扇故障、充電模塊交流輸入告警、充電模塊交流輸入過壓告警、充電模塊交流輸入欠壓告警、充電模塊交流輸入缺相告警、充電模塊直流輸出過流告警、充電模塊直流輸出過壓告警、充電模塊直流輸出欠壓告警、充電模塊過溫告警、充電模塊通信告警;4）故障告警急停按鈕動作故障、交流斷路器故障、直流母線輸出接觸器故障、直流母線輸出熔斷器故障、充電接口電子鎖故障、充電機風扇故障、避雷器故障、絕緣監(jiān)測故障、電池反接故障、充電樁過溫故障、充電槍過溫故障、充電槍未歸位、BMS通信異常、輸入電壓過壓、輸入電壓欠壓、其它類型故障、煙霧報警告警、充電中車輛控制導引告警、直流母線輸出過壓告警、直流母線輸出欠壓告警、直流母線輸出過流告警;5）開關量狀態(tài)急停開關、門控開關、輸出接觸器、放電接觸器、輔助電源控制、電子鎖反饋點;6）通訊報文充電過程中報文信息;7）溫度濕度充電機內(nèi)部溫度、充電機內(nèi)部濕度、充電槍溫度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、電池組最低溫度、電池組最高溫度;8）計量計費充電電量、充電開始時間、充電結(jié)束時間、充電結(jié)束原因。采集終端將以上八大類數(shù)據(jù)分為遙測、遙信、模塊信息和交易記錄等4個部分進行采集和傳輸。在充電樁待機時，10min上傳一次數(shù)據(jù);當充電樁正在充電或發(fā)生故障時，15s上傳一次數(shù)據(jù)。

1.2充電樁數(shù)據(jù)采集模塊設計

在應用推廣中，采集終端需要與市售不同廠家的充電設備進行對接，因而要求接口多樣性，設計預留1路RS485接口和2路CAN通訊接口，這2種通訊接口是目前最常用的局域有線組網(wǎng)通訊方式。RS485是一種半雙工的通訊電路，需要由采集終端作為主設備進行召喚，充電設備作為從設備應答召喚上傳所需數(shù)據(jù);CAN是一種全雙工自動優(yōu)先級檢測的通訊電路，總線上的所有設備可以第一時間進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)實時性更高。RS485和CAN通訊均支持總線設備級聯(lián)，在平衡速率和穩(wěn)定性后，保證單接口至少能夠接入8臺以上的充電樁設備。RS485和CAN通訊接口在硬件設計上采用高速光耦，通訊速率達到250kb/s，同時與主控電路實行電氣隔離，耐壓需達到2kV以上，以保證將外部總線的干擾排除在主控電路外側(cè)，不會引起采集終端控制部分運行異常。

2接口及電源

2.1設備接口

采集設備接口如圖2所示。

2.2設備電源

采集終端采用12V電源供電，內(nèi)部針對不同的器件，系統(tǒng)需提供不同的電源，其中CAN/RS485通訊回路為5V供電，ARM微控制器及其外圍電路為3.3V供電，無線通訊模塊為3.8V供電，良好穩(wěn)定的電壓可以保證各器件運行在最佳的工作環(huán)境。

3充電系統(tǒng)異常處理

通過互聯(lián)網(wǎng)和計算機處理終端，系統(tǒng)在充電樁與電動汽車之間建立了快速響應的反饋機制，使得用戶端和配電網(wǎng)達到供需平衡。然而，隨著接入系統(tǒng)電動汽車規(guī)模的增加，為使系統(tǒng)正常運行，需要在其中實施一定的策略限制：1）當充電樁發(fā)生自檢無法發(fā)現(xiàn)的故障時，電動汽車用戶充電失敗后車載智能終端自動上傳故障信息，并使該充電樁停止接受預約。2）為防止一次預約多個充電樁情況，進行預約個數(shù)為1的限制，當預約其它時，前一個將視為無效預約，且以最后一個預約為成功結(jié)果。3）對于預約成功但沒有進行充電的情況，對應的充電樁在接收到預測充電時刻信息后延遲若干分鐘自行解鎖釋放，實現(xiàn)共享等待下一個新能源電動汽車的預約。

結(jié)語

在此所提出的基于電動汽車充電站的數(shù)據(jù)采集終端設計方法，可根據(jù)CAN或RS485與充電樁監(jiān)控進行通訊，采集充電樁數(shù)據(jù)，同時可以根據(jù)充電站現(xiàn)場網(wǎng)絡環(huán)境選擇有線網(wǎng)絡或無線網(wǎng)絡與后臺進行通訊，給用戶提供多種選擇。該采集終端具有離線數(shù)據(jù)緩存功能，當采集終端與后臺通訊不上時，可以自行對充電樁數(shù)據(jù)進行緩存，待上線后實時上傳，無需擔心數(shù)據(jù)丟失問題。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，采集終端與充電樁監(jiān)控及采集終端與后臺之間通訊穩(wěn)定、運行可靠，可無差錯地進行充電樁數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)。

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