李婧婧

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨為解決電動汽車充電站總線通信問題，設(shè)計了一種基于塑料光纖( POF，Polymer Optical Fiber) 通 信總線的電動汽車充電樁/站監(jiān)控系統(tǒng)。研究了塑料光纖傳輸介質(zhì)的通信特性，開發(fā)了POF與CAN 總線的 POF-CAN 轉(zhuǎn)換模塊。結(jié)合電動汽車充電站裝置應(yīng)用，設(shè)計了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)、嵌入式軟件和 POFCAN 系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議。在實驗室環(huán)境下搭建虛擬充電站測試平臺進(jìn)行驗證實驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足對實時性、可靠性的要求，且具有抗電磁干擾、施工維護(hù)靈活經(jīng)濟(jì)的特點，為提高電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性提供了一種新的解決方案。

關(guān)鍵詞: 塑料光纖; CAN 總線; 數(shù)據(jù)監(jiān)測; 充電站; 電動汽車

0引言

充電樁/站為電動汽車提供續(xù)航保障，是電動汽車 發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈上的重要環(huán)節(jié)。充電站內(nèi)的監(jiān)測管理系統(tǒng) 是運(yùn)營商實現(xiàn)自動化管理的途經(jīng)。充電站建設(shè)具有控 制點面多、面廣和數(shù)量分散的特點。綜合考慮電動汽 車充電樁( 站) 的設(shè)計方案通信傳輸?shù)目煽啃浴⒔?jīng)濟(jì) 性、靈活性等方面開展研究與設(shè)計具有重要價值與意義。

對于電動汽車充電站監(jiān)測系統(tǒng)，目前已有較多已公開的研究成果。文獻(xiàn)［1］提出一種基于無線通信和云存儲的充電樁管理系統(tǒng)，其優(yōu)點在于靈活便捷、易于維護(hù)，但未對電網(wǎng)中的負(fù)載波動與諧波干擾對通信可靠性造成的影響進(jìn)行分析; 文獻(xiàn)［2］提出使用 CAN 總線的智能充電樁監(jiān)測與控制通用系統(tǒng); 文獻(xiàn)［3］提出一種基于 ＲS485 串行總線的電動汽車充電站配電監(jiān)控系統(tǒng)，均采用了傳統(tǒng)的銅類介質(zhì)傳輸通信方式，在靈活性和抗電磁噪聲方面仍存在不足，而且銅類介質(zhì)在現(xiàn)場布線時，由于要考慮多節(jié)點共地的問題，后期維護(hù)成本高，經(jīng)濟(jì)性較差。

與傳統(tǒng)光纖相比，塑料光纖是一種以高分子聚合 物材料為傳導(dǎo)介質(zhì)的導(dǎo)光材料［4］，適于在空間狹窄區(qū)域布線，架設(shè)成本低。POF 具有線徑細(xì)、易彎折( 彎折半徑在 30 mm 內(nèi)) 的特點，具有很好的走線靈活性。 同時，考慮到充電站內(nèi)大功率電能變換設(shè)備產(chǎn)生的電磁噪聲可能對通信系統(tǒng)造成影響［5 － 6］，而 POF 傳輸?shù)氖枪庑盘柖请娏餍盘枺梢詮脑砩媳苊馔獠凯h(huán)境 對傳輸線路的電磁干擾。

本文針對 POF 的傳輸特性進(jìn)行了實驗測試，進(jìn)一步論證了 POF 在短距離通信系統(tǒng)中的適用性和成為 電動汽車充電站監(jiān)測系統(tǒng)傳輸媒質(zhì)的可能性。并根據(jù)POF的物理層傳輸特點，結(jié)合 CAN2.0協(xié)議，開發(fā)了 POF-CAN 轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)計了一種基于塑料光纖通信總 線的電動汽車充電樁/站監(jiān)控系統(tǒng)。

1 POF 傳輸特性研究

在以雙絞線為傳輸介質(zhì)的 CAN 總線通信系統(tǒng)中， 為了抑制電氣系統(tǒng)中的共模干擾，需要通過專門的 CAN 收發(fā)器芯片將 CAN 控制器的 CAN_TX 和 CAN_ ＲX 電平信號轉(zhuǎn)換為 CAN_H 和 CAN_L 差分電壓信號 進(jìn)行傳輸。而在以 POF 作為傳輸介質(zhì)的通信系統(tǒng)中，則不需要考慮共模干擾的問題。

在 CAN2.0 規(guī)范中，只針對物理信號子層進(jìn)行定 義，并沒有針對物理層驅(qū)動/接收器特性的相關(guān)規(guī)定， 因此可以根據(jù)不同的物理層應(yīng)用對發(fā)送媒體和信號電 平進(jìn)行優(yōu)化。為了滿足 CAN 協(xié)議的上層設(shè)計規(guī)范，必 須針對 POF 的物理層傳輸特點進(jìn)行研究。

根據(jù) POF 在不同波長下的衰減率變化曲線，從而決定 POF 總線的傳輸、轉(zhuǎn)換器件的工作波長。采用截斷法通過光檢測器進(jìn)行 PMMA 塑料光纖衰減率測試， 得到 PMMA-POF 傳輸特性如圖 1 所示［7］。

根據(jù)圖 1，進(jìn)一步精確測得在可見光波長范圍內(nèi) PMMA-POF 在 500 nm、570 nm 和 650 nm 處的 3 個低損耗窗口，詳細(xì)參數(shù)如表 1 所示。

根據(jù)測試結(jié)果，綜合考慮光電器件成本等因素，選取 650 nm 波長的紅光波段作為時分復(fù)用的 POF-CAN

圖 1 PMMA-POF 傳輸特性曲線

總線工作波長。對以 POF-CAN 為傳輸方式的單節(jié)點 而言，發(fā)送信息時必須將 CAN 控制器的 CAN_TX 電平信號轉(zhuǎn)換為一定功率電流信號，以驅(qū)動 POF 專用的光電發(fā)送器模塊實現(xiàn)電信號到 650 nm 波長光信號的轉(zhuǎn)換。在接收信息時，則需要將光電接收器輸出的電信號轉(zhuǎn)換為控制器工作電壓的 CAN_ＲX 電平信號。因此，在 POF-CAN 通信層可以省去 CAN 收發(fā)器，通過設(shè)計專門的接口電路實現(xiàn) POF-CAN 組網(wǎng)連接。

2 POF-CAN 驅(qū)動/接收器開發(fā)

在環(huán)形光纖 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中，不同節(jié)點之間通過光纖單環(huán)網(wǎng)通信，設(shè)備和節(jié)點之間通過 CAN 控制器通信。CAN 控制器與總線之間采用邏輯控制單元( Logic Control Unit，LCU) 替代傳統(tǒng)的 CAN 總線收發(fā)器，能消除環(huán)形光纖 CAN 網(wǎng)絡(luò)的阻塞問題［8］。在環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)時，CAN 控 制 器 發(fā) 出 的TTL 電平通過接口電路到達(dá)光信號發(fā)送端，信號沿光纖環(huán)網(wǎng)傳輸一周后回到源節(jié)點光信號接收器，并由CAN 控制器的數(shù)據(jù)接收端接收數(shù)據(jù)。此時，POF-CAN接口電路需要將接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)通過 LCU 進(jìn)行比對，判斷接收到的數(shù)據(jù)是否由該本點發(fā)出，進(jìn)而決定是否中斷數(shù)據(jù)流。根據(jù)邏輯控制單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)電路的設(shè)計時延 Tdelay滿足如下關(guān)系時，發(fā)送狀態(tài)下的節(jié)· 911 · 基于 POF-CAN 通信總線的充電樁/站監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計點可以剔除環(huán)回的發(fā)送報文:

                  Tbit ＞ Tdelay ＞ Tring                       ( 1)

式中，Tbit為位時延，其值取決于通信傳輸?shù)牟ㄌ芈?/span>; Tring為環(huán)網(wǎng)時延，即信號傳輸一周回到源節(jié)點的時間。考慮到光在傳輸介質(zhì)中的傳輸時間遠(yuǎn)小于光電收發(fā)器的轉(zhuǎn)換時延，因此在計算 Tring時忽略 POF 線路中的傳輸時延，僅考慮器件光電轉(zhuǎn)換的時延。則環(huán)網(wǎng)最大傳輸時延的估計值為與器件參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)有關(guān)的函數(shù):

Tring = n × MAX［tProDly － LH，tProDly H               ( 2)

式中，n 為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù); tProDly-LH為信號低電平 － 高電平的光電轉(zhuǎn)換時延; tProDly-HL為信號高電平 － 低電平的光電轉(zhuǎn)換時延。tProDly-LH和 tProDly-HL均由器件參數(shù)決定，可

通過實驗測得。

采用 650 nm DC-5MBd 的 FT05MHNＲ /FＲ05MHIＲ收發(fā)器，具備總線逐位仲裁和環(huán)網(wǎng)邏輯控制功能的POF-CAN 驅(qū)動/接收器電路如圖 2 所示。

圖2中，LCU 部分采用基于 SN74HC 系列邏輯芯片的電路。SN75451 為高速電流外設(shè)驅(qū)動器，用于將小功率 TTL 電平信號轉(zhuǎn)換為提供給光發(fā)送器驅(qū)動電流，通過調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻 Ｒ28的大小可以對驅(qū)動電流進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)阻值為 51 Ω 時，驅(qū)動電流約為 60 mA。時延模塊由一個 LC 延時電路構(gòu)成，LC 電路的參數(shù)決定了Tdelay，因此需要綜合考慮位時延 Tbit和環(huán)網(wǎng)時延 Tring來確定。由于 FＲ05MHIＲ 光接收器具有反相特性，因此在 LCU 與電流驅(qū)動之間加入非門，采用了反相的光發(fā)射電路。

3 充電樁嵌入式軟件開發(fā)

充電樁在硬件結(jié)構(gòu)上，主要由微控制器、射頻讀寫器模塊、電源模塊，以及電量采集、刷卡設(shè)備、攝像頭( 用于錄入付款碼等) 、打印機(jī)、顯示器等外圍接口組成。充電樁的采集信息主要包括用戶信息和充電樁的充電信息。這些設(shè)備由充電樁內(nèi)部的微控制器統(tǒng)一管

理。

如圖 3 所示，通信裝置硬件核心為 AＲM微控制器，微控制器通過 ＲS485-TTL 接口與智能電表通信，還可以完成讀取 IC 卡、控制繼電器模塊、存儲卡的寫入和讀取等功能。觸摸屏與微控制器的 FMC( Flexible Memory Controller) 接口連接，從而實現(xiàn)頁面的展示以 及觸摸信號的上傳。攝像頭連接微控制器的 DCMI ( Digital Camera Interface) 接口，實現(xiàn)付款碼的錄入功能。針式打印機(jī)與 IC 卡刷卡機(jī)以及電壓/電流傳感器均使用串口收發(fā)數(shù)據(jù)。

圖 3 基于 POF-CAN 通信的監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

同時，微控制器通過 CAN 接口接入 CAN-POF 總線，實現(xiàn)與監(jiān)測主站的數(shù)據(jù)交互。嵌入式軟件運(yùn)行流程如圖 4 所示。

下位機(jī)軟件采用多線程方式運(yùn)行，以中斷為主要程序驅(qū)動方式。對于定時完成的任務(wù)，由微控制器內(nèi)部的時鐘中斷請求完成。時鐘中斷主要包括定時獲取傳感器數(shù)據(jù)、定時上傳系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)等。外部中斷主要為用戶操作請求，如屏幕二維碼掃描完成、用戶刷卡操作或其他命令輸入等，對于不同的中斷，軟件執(zhí)行不同任務(wù)。對于外部中斷，系統(tǒng)判斷中斷類型后執(zhí)行任務(wù)。

圖 4 充電樁嵌入式軟件流程圖

4 CAN 應(yīng)用層協(xié)議制定

根據(jù)電動汽車充電站的通信需求，須制定系統(tǒng)CAN 應(yīng)用層協(xié)議。具體傳輸信息包括用戶車輛信息( 用戶身份、車牌、賬戶信息) 、電動汽車電池型號、充電方式、充電時間( 包括預(yù)計結(jié)束時間) 、充電電量等。

4.1 充電樁節(jié)點報文

在大型充電站的應(yīng)用場景下，需要實現(xiàn)對所有充電樁與用戶數(shù)據(jù)的管理。首先，下位機(jī)向上位機(jī)報告其所有硬件所處狀態(tài)，便于上位機(jī)對其進(jìn)行監(jiān)控，上位機(jī)通過圖表等方式將數(shù)據(jù)展示給工作人員，并生成故障日志; 其次，對于用戶操作，下位機(jī)應(yīng)能夠?qū)崟r地將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，并由上位機(jī)請求服務(wù)器數(shù)據(jù)，完成對用戶操作的實時響應(yīng)［9］，并上傳主站。監(jiān)測系統(tǒng)通信從站報文格式如圖 5 所示。

圖 5 充電樁節(jié)點報文幀格式

CAN 總線的數(shù)據(jù)幀最多為 8 個字節(jié)，所以采用多幀發(fā)送模式進(jìn)行傳輸，將從站的報文分為 3個數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。

4.2 監(jiān)測主站報文

監(jiān)測主站的報文主要是數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息主要為用戶數(shù)據(jù)，包括用戶編號、當(dāng)前可用余額、用戶充電時間、地點等。上位機(jī)需要將數(shù)據(jù)上報給服務(wù)器或云端，方便用戶或管理員查看。為了方便云端對充電樁進(jìn)行統(tǒng)一管理，每一個充電樁是否正在被使用的信息都需要上傳至云端，用戶通過手機(jī)即可查看附近的可用充電樁并進(jìn)行預(yù)約。

5 實驗驗證

為了科學(xué)地驗證 POF-CAN 總線能夠滿足系統(tǒng)通信實時可靠的性能要求，在南網(wǎng)電科院及中電電力實驗室構(gòu)建了包含主從站的虛擬充電站系統(tǒng)，對通信傳輸?shù)目煽啃耘c CAN 應(yīng)用層協(xié)議制定的正確性和有效性進(jìn)行了驗證實驗。在虛擬充電站系統(tǒng)中，虛擬主站通過 POF-USB 通信接口與 POF-CAN 環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)組網(wǎng)通信，監(jiān)測了 3 個虛擬從站節(jié)點的實時運(yùn)行狀態(tài)。虛擬從站節(jié)點( 基于 AＲM 微控制器實現(xiàn)) 模擬充電樁，監(jiān)測了系統(tǒng)運(yùn)行過程中的用戶預(yù)約啟動、用戶信息采集、電量信息采集、停止充電等充電樁運(yùn)行狀態(tài)。同時模擬了實際監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)傳輸過程，實現(xiàn)了監(jiān)測主站和充電樁/站報文數(shù)據(jù)的交互，包括電量監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、IC 卡交互等信息。溫濕度實驗中采用 ESS-1000L 控溫控濕箱。

溫度的選取點為 － 10 ℃、－ 5 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、 25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃。濕度的選取點為 10% ＲH、25% ＲH、40% ＲH、55% ＲH、70% ＲH、85% ＲH、95% ＲH。

交流磁場采用 MFAC-001 型多功能磁場測試儀、MFA-101A 磁場天線。交流磁場場強(qiáng)依次為 0． 36 mT、0． 5 mT、0． 63 mT。恒定磁場采用尺寸為 50 mm × 50 mm × 50 mm 的 300 mT 磁鐵。

射頻電磁場輻射抗擾度試驗中，采用 EMC-ＲC 測試系統(tǒng)，抗擾性電平設(shè)置為 10 V /m，要求模塊在標(biāo)準(zhǔn)試驗與抗擾性電平下能正常工作。圖 6 為 EMC-ＲC 系統(tǒng)現(xiàn)場。

圖 6 EMC-ＲC 系統(tǒng)現(xiàn)場

無線電傳導(dǎo)騷擾限制試驗中，模塊處于典型工作狀態(tài)，其置于高 0． 8 m 的絕緣桌上，絕緣桌在轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行 360°旋轉(zhuǎn)。同時，測量天線在 1 ～ 4 m 高度上升或下降，以便能夠使具有準(zhǔn)峰值檢波器的接收機(jī)測量到最大輻射騷擾值。采用了 0． 4 ～ 30 MHz 的騷擾信號，騷擾信號的平均峰值約為 58 μV /m。圖 7 為無線電傳導(dǎo)騷擾限制試驗信號。

圖 7 無線電傳導(dǎo)騷擾限制試驗信號

上述各項實驗中，通信成功率均達(dá)到* 。

6 安科瑞交直流電動汽車充電樁運(yùn)營收費(fèi)管理解決方案

6.1概述

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。

充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營的所有功能，包括財務(wù)管理、變壓器監(jiān)控和運(yùn)營分析等功能。

6.2應(yīng)用場所

（一）商場、小區(qū)等物業(yè)環(huán)境；

（二）學(xué)校，醫(yī)院等公建；

（三）各類企事業(yè)單位；

（四）公交樞紐，公路充電站。

6.3平臺結(jié)構(gòu)

6.4平臺主要功能

（一）資源管理

充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運(yùn)行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測

（二）交易結(jié)算

充電價格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表

（三）用戶管理

用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

（四）充電服務(wù)

充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等

（五）微信小程序

掃碼充電，賬單支付等功能

（六）數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析

（七）變壓器監(jiān)控

監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，超負(fù)荷時對充電樁的調(diào)度管理

6.5平臺硬件配置

平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

若客戶自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點數(shù)的不同，分別如下：

6.6推薦現(xiàn)場汽車充電樁配置

7 結(jié)束語

   由于 POF 具有優(yōu)良的物理特性，采用 POF-CAN總線的充電站監(jiān)測系統(tǒng)能夠提高現(xiàn)場布線、安裝的靈活性，同時采用全光鏈路的信號傳輸方式能減小外部環(huán)境中電磁噪聲對通信的干擾。這一結(jié)構(gòu)以現(xiàn)場服務(wù)器為核心，能有效地對充電樁進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與運(yùn)行控制。在實驗室環(huán)境下搭建的虛擬充電樁/站實驗平臺上進(jìn)行測試，結(jié)果表明 POF-CAN 總線能夠滿足電動汽車充電站通信系統(tǒng)可靠性和實時性的要求。

   在進(jìn)一步實際應(yīng)用過程中，根據(jù)電動汽車用戶和充電站運(yùn)營商更豐富的功能需求，對通信協(xié)議和上下位機(jī)進(jìn)行功能擴(kuò)展，能夠?qū)崿F(xiàn)更多樣化的數(shù)據(jù)傳輸。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊晶.電動汽車智能充電樁的設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（11）:214-215.

[2鄧 凱，羅 敏，杜 蕙，易 斌，方彥軍.基于 POF-CAN 通信總線的充電樁 /站監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06月版.

[4]智能電網(wǎng)用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣產(chǎn)品報價手冊.2020.06月版.

作者簡介：李婧婧,女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事汽車充電樁的研發(fā)和應(yīng)用。