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的通信特性，開發(fā)了POF與CAN 總線的 POF-CAN 轉換模塊。結合電動汽車充電站裝置應用，設計了相應的硬件系統(tǒng)、嵌入式軟件和 POFCAN 系統(tǒng)應用層協(xié)議。在實驗室環(huán)境下搭建虛擬充電站測試平臺進行驗證實驗，結果表明該系統(tǒng)能夠滿足對實時性、可靠性的要求，且具有抗電磁干擾、施工維護靈活經濟的特點，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。

關鍵詞: 塑料光纖; CAN 總線; 數(shù)據監(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)展產業(yè)鏈上的重要環(huán)節(jié)。充電站內的監(jiān)測管理系統(tǒng) 是運營商實現(xiàn)自動化管理的途經。充電站建設具有控 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) 的設計方案通信傳輸?shù)目煽啃?、經?性、靈活性等方面開展研究與設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［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，但未對電網中的負載波動與諧波干擾對通信可靠性造成的影響進行分析; 文獻［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［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，后期維護成本高，經濟性較差。

與傳統(tǒng)光纖相比，塑料光纖是一種以高分子聚合 物材料為傳導介質的導光材料［4］，適于在空間狹窄區(qū)域布線，架設成本低。POF 具有線徑細、易彎折( 彎折半徑在 30 mm 內) 的特點，具有很好的走線靈活性。 同時，考慮到充電站內大功率電能變換設備產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?，可以從原理上避免外部環(huán)境 對傳輸線路的電磁干擾。

本文針對 POF 的傳輸特性進行了實驗測試，進一步論證了 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)傳輸媒質的可能性。并根據POF的物理層傳輸特點，結合 CAN2.0協(xié)議，開發(fā)了 POF-CAN 轉換模塊，設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 電平信號轉換為 CAN_H 和 CAN_L 差分電壓信號 進行傳輸。而在以 POF 作為傳輸介質的通信系統(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行定 義，并沒有針對物理層驅動/接收器特性的相關規(guī)定， 因此可以根據不同的物理層應用對發(fā)送媒體和信號電 平進行優(yōu)化。為了滿足 CAN 協(xié)議的上層設計規(guī)范，必 須針對 POF 的物理層傳輸特點進行研究。

根據 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、轉換器件的工作波長。采用截斷法通過光檢測器進行 PMMA 塑料光纖衰減率測試， 得到 PMMA-POF 傳輸特性如圖 1 所示［7］。

根據圖 1，進一步精確測得在可見光波長范圍內 PMMA-POF 在 500 nm、570 nm 和 650 nm 處的 3 個低損耗窗口，詳細參數(shù)如表 1 所示。

根據測試結果，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 電平信號轉換為一定功率電流信號，以驅動 POF 專用的光電發(fā)送器模塊實現(xiàn)電信號到 650 nm 波長光信號的轉換。在接收信息時，則需要將光電接收器輸出的電信號轉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，通過設計專門的接口電路實現(xiàn) POF-CAN 組網連接。

2 POF-CAN 驅動/接收器開發(fā)

在環(huán)形光纖 CAN 總線網絡中，不同節(jié)點之間通過光纖單環(huán)網通信，設備和節(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 網絡的阻塞問題［8］。在環(huán)網拓撲結構中，當節(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光信號發(fā)送端，信號沿光纖環(huán)網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)據接收端接收數(shù)據。此時，POF-CAN接口電路需要將接收數(shù)據與發(fā)送數(shù)據通過 LCU 進行比對，判斷接收到的數(shù)據是否由該本點發(fā)出，進而決定是否中斷數(shù)據流。根據邏輯控制單元結構設計，當電路的設計時延 Tdelay滿足如下關系時，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)網時延，即信號傳輸一周回到源節(jié)點的時間?？紤]到光在傳輸介質中的傳輸時間遠小于光電收發(fā)器的轉換時延，因此在計算 Tring時忽略 POF 線路中的傳輸時延，僅考慮器件光電轉換的時延。則環(huán)網最大傳輸時延的估計值為與器件參數(shù)和網絡節(jié)點數(shù)有關的函數(shù):

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

式中，n 為網絡節(jié)點數(shù); tProDly-LH為信號低電平 － 高電平的光電轉換時延; tProDly-HL為信號高電平 － 低電平的光電轉換時延。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)網邏輯控制功能的POF-CAN 驅動/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 為高速電流外設驅動器，用于將小功率 TTL 電平信號轉換為提供給光發(fā)送器驅動電流，通過調節(jié)串聯(lián)電阻 Ｒ28的大小可以對驅動電流進行設置，當阻值為 51 Ω 時，驅動電流約為 60 mA。時延模塊由一個 LC 延時電路構成，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)

充電樁在硬件結構上，主要由微控制器、射頻讀寫器模塊、電源模塊，以及電量采集、刷卡設備、攝像頭( 用于錄入付款碼等) 、打印機、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。這些設備由充電樁內部的微控制器統(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。針式打印機與 IC 卡刷卡機以及電壓/電流傳感器均使用串口收發(fā)數(shù)據。

圖 3 基于 POF-CAN 通信的監(jiān)測裝置硬件結構圖

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)據交互。嵌入式軟件運行流程如圖 4 所示。

下位機軟件采用多線程方式運行，以中斷為主要程序驅動方式。對于定時完成的任務，由微控制器內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、定時上傳系統(tǒng)運行數(shù)據等。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。對于外部中斷，系統(tǒng)判斷中斷類型后執(zhí)行任務。

圖 4 充電樁嵌入式軟件流程圖

4 CAN 應用層協(xié)議制定

根據電動汽車充電站的通信需求，須制定系統(tǒng)CAN 應用層協(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( 包括預計結束時間) 、充電電量等。

4.1 充電樁節(jié)點報文

在大型充電站的應用場景下，需要實現(xiàn)對所有充電樁與用戶數(shù)據的管理。首先，下位機向上位機報告其所有硬件所處狀態(tài)，便于上位機對其進行監(jiān)控，上位機通過圖表等方式將數(shù)據展示給工作人員，并生成故障日志; 其次，對于用戶操作，下位機應能夠實時地將數(shù)據傳送給上位機，并由上位機請求服務器數(shù)據，完成對用戶操作的實時響應［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)據幀最多為 8 個字節(jié)，所以采用多幀發(fā)送模式進行傳輸，將從站的報文分為 3個數(shù)據幀進行傳輸。

4.2 監(jiān)測主站報文

監(jiān)測主站的報文主要是數(shù)據信息。數(shù)據信息主要為用戶數(shù)據，包括用戶編號、當前可用余額、用戶充電時間、地點等。上位機需要將數(shù)據上報給服務器或云端，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，用戶通過手機即可查看附近的可用充電樁并進行預約。

5 實驗驗證

為了科學地驗證 POF-CAN 總線能夠滿足系統(tǒng)通信實時可靠的性能要求，在南網電科院及中電電力實驗室構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 應用層協(xié)議制定的正確性和有效性進行了驗證實驗。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)網實現(xiàn)組網通信，監(jiān)測了 3 個虛擬從站節(jié)點的實時運行狀態(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)運行過程中的用戶預約啟動、用戶信息采集、電量信息采集、停止充電等充電樁運行狀態(tài)。同時模擬了實際監(jiān)測系統(tǒng)運行中的數(shù)據傳輸過程，實現(xiàn)了監(jiān)測主站和充電樁/站報文數(shù)據的交互，包括電量監(jiān)測、數(shù)據采集、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)，抗擾性電平設置為 10 V /m，要求模塊在標準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，絕緣桌在轉臺上進行 360°旋轉。同時，測量天線在 1 ～ 4 m 高度上升或下降，以便能夠使具有準峰值檢波器的接收機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 為無線電傳導騷擾限制試驗信號。

圖 7 無線電傳導騷擾限制試驗信號

上述各項實驗中，通信成功率均達到* 。

6 安科瑞交直流電動汽車充電樁運營收費管理解決方案

6.1概述

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網技術對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應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，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，基于TCP/IP的數(shù)據交互協(xié)議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括財務管理、變壓器監(jiān)控和運營分析等功能。

6.2應用場所

（一）商場、小區(qū)等物業(yè)環(huán)境；

（二）學校，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平臺結構

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，充電樁運行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測

（二）交易結算

充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表

（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

充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等

（五）微信小程序

掃碼充電，賬單支付等功能

（六）數(shù)據服務

數(shù)據采集，短信提醒，數(shù)據存儲和解析

（七）變壓器監(jiān)控

監(jiān)控充電站變壓器負荷，超負荷時對充電樁的調度管理

6.5平臺硬件配置

平臺服務器：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器，服務器配置根據充電槍點數(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。這一結構以現(xiàn)場服務器為核心，能有效地對充電樁進行數(shù)據管理與運行控制。在實驗室環(huán)境下搭建的虛擬充電樁/站實驗平臺上進行測試，結果表明 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。

   在進一步實際應用過程中，根據電動汽車用戶和充電站運營商更豐富的功能需求，對通信協(xié)議和上下位機進行功能擴展，能夠實現(xiàn)更多樣化的數(shù)據傳輸。

參考文獻：

[1]楊晶.電動汽車智能充電樁的設計[J].電子技術與軟件工程，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)的設計

[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06月版.

[4]智能電網用戶端電力監(jiān)控/電能管理/電氣產品報價手冊.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)和應用。