对电动汽车充电桩数据采集终端设计探讨--中国期刊网

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对电动汽车充电桩数据采集终端设计探讨

发表时间：2020/8/4 来源：《基层建设》2020年第10期作者：张丽娜1 李广达2

[导读] 摘要：本文针对充电桩运行工况数据进行分类，围绕系统结构、功能模块两大层面进行数据采集终端设计思路的分析，并对其应用效果进行评价。

        平高集团有限公司河南省平顶山市 467000
        摘要：本文针对充电桩运行工况数据进行分类，围绕系统结构、功能模块两大层面进行数据采集终端设计思路的分析，并对其应用效果进行评价。试验结果表明，该设计方案可有效提升数据采集、存储与收发过程的安全性与实时性，具备良好适用价值。
        关键词：电动汽车；充电桩；数据采集
        引言：据中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计，截至2019年11月全国累计建有充电基础设施117.4万台，同比增长61.2%。为保障充电桩联网与平台集约化管理模式的实施，需针对充电桩的数据采集终端进行优化设计，满足数据采集、存储与远传需求。
        1充电桩运行工况数据分类
        充电桩数据采集终端基于本地有线组网、无线网络传输方式设计，其所需采集的充电桩运行工况数据主要包含八种类型：其一是设备状态数据，包含设备运行状态、充电桩连接状态、充电枪座锁止状态及电子锁状态等；其二是电气信息，包含输入/输出电压/电流、动力电池额定容量、充电桩功率、单体电池最高/最低充电电压、绝缘状况等；其三是充电模块信息，包含电流、电压、温度、交流输入告警、直流输出过流/过压告警、通信告警等；其四是故障告警，包含交流断路器、直流母线输出熔断器、充电机风扇、电池反接、烟雾告警等故障信息；其五是开关量状态，包括急停开关、门控开关、电子锁等状态信息；其六是温湿度数据，包括充电机内部温/湿度、环境温/湿度、电池组最低/最高温度等；其七是通讯报文，包括充电过程中的原始数据报文、BMS通讯报文；其八是计量及计费信息，包括充电起止时间、计时计费信息等[1]。
        针对上述运行工况数据，可基于遥测、遥信、模块功能与交易记录等类型进行数据采集、传输及通信，并且在充电桩处于待机状态下时每10min进行一次数据上传操作，在正常充电或充电桩出现故障时每15s上传一次故障数据，起到故障提示与告警功能。
        2数据采集终端系统设计与应用效果评价
        2.1系统结构设计
        本文设计的充电桩数据采集终端系统结构主要包含以下三部分：其一是数据采集模块，利用CAN/RS485通讯协议与电气隔离电路、微控制器单元连接，依靠通讯传输的方式从微控制器处接收到充电桩的实时数据；其二是ARM数据处理模块，利用ARM微控制器与RJ45接口、4G模块及系统电源、时钟和外围接口电路连接，依靠微控制器的数据处理功能，可针对不同厂家、不同型号的充电桩数据进行通讯协议解析，完成数据转发、存储等过程；其三是数据远传模块，以现场网络设计方案、布线环境为基础，通过有线或无线通信方式将采集到的充电桩数据远传至后台监控平台，实现前后数据的有效交互。
        2.2数据采集模块设计
        考虑到数据采集终端的设计需兼顾与不同厂家、不同型号充电桩设备的有效对接，因此基于功能实现角度需对其通讯接口、通信组网方式进行精细化设计，采用预留1路RS485接口、2路CAN通信接口的方式组建本地有线局域网，其中RS485通讯主要以数据采集终端和充电桩分别作为主、从设备，通过召唤-应答方式完成所需数据的转发、存储及上传；CAN总线可第一时间支持各设备间的数据传输功能，具备良好的实时性特点。在硬件设计方面，两种通讯接口均采用光电耦合器，数据传输速率可达250KB/S，且与主控电路间设有电气隔离电路，耐压等级大于2kV，以此确保有效排除外部总线干扰，避免引发控制回路的运行异常问题[2]。
        2.3微控制器数据处理模块设计
        2.3.1硬件设计
        选取STM32F105RBT6型单片机作为微控制器，该微控制器的时钟频率为72MHz，可提供1.25DMips/MHz的指令吞吐量，实现对数据的实时处理，并且FLASH存储空间为256KB、SRAM存储容量为64KB，能够有效提高程序的可扩展性。

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考虑到充电桩具有账单即时生成与数据离线缓存等功能需求，因此在微控制器外围设有实时时钟、FRAM与TF存储卡等关键器件，其中实时时钟采用FM31256芯片、高精度晶振和大容量电池组，可在数据采集终端掉电时自动切换至蓄电池供电，保障实现时钟的精确走时、减小时钟误差；FRAM也采用FM31256芯片，具有读写速度快、擦写次数多、运行功耗低等特点，可用于保存在数据采集终端设置的功率、电量定值以及离线账单等更新频率较高的数据，同时自带看门狗定时器作为监控电路，用于防止单片机程序跑飞、死机或发生死循环问题；TF存储卡是一种体积极小的快闪存储器卡，主要用于在数据采集终端处于离线状态下时保存一段时间内的充电桩数据，在上线后将数据重新上传至后台，避免发生数据丢失问题。
        2.3.2数据解析处理
        由于数据采集终端需采集不同厂家、不同型号充电桩的运行状态数据，因此在接收到数据后需对其进行解析处理，其处理流程为：开始——判断通讯链路是否连接正常——判断充电桩通讯是否正常——判断后台通讯是否正常——数据缓存——数据后台远传。
        2.4数据远传模块设计
        2.4.1通讯接口设计
        考虑到不同应用环境下的数据采集与传输需求，在该数据采集终端设有RJ45、4G无线两种通讯接口，结合现场使用环境进行通讯接口的选择与自动切换，实现后台数据的远传。当充电桩所处现场采用有线网络接入形式或无线通讯不适用时，即可利用数据采集终端的网口进行数据传输；当现场未接入有线网络时，即可采用无线通信方式进行数据远传。
        2.4.2模块控制流程
        在通信模块的控制流程设计上，数据采集终端与后台服务器采用在线即时通讯方式设计，在通讯过程中首先判断是否初始化成功，再判断失败数是否≥3次，随后依次进行模块上电和软复位；在数据远传环节，需判断后台通讯是否异常，再判断异常是否≥3次，并依次进行模块上电、软复位及模块复位[3]。
        2.5采集设备接口与电源
        在数据采集设备的接口设计上，在电源模块设有CAN2、RS485、CAN1、JTAG四个数据接口，在以太网模块设有SIM卡和4G无线模块，并且还设有运行指示灯、故障指示灯、本地通讯灯以及远程通讯灯。在数据采集终端的电源设计上，选用12V电源供电，在系统中针对各器件分别设有对应的电源，例如针对CAN/RS485通讯回路采用5V电源供电，针对ARM微控制器与外围电路采用3.3V电源供电，针对无线通讯模块采用3.8V电源供电，保障数据采集终端内部各器件的安全可靠运行。
        2.6应用效果评价
        将本文设计的充电桩数据采集终端应用于某市的5个电动汽车充电站内，在现场完成采集终端的安装与检验，确保其能够实现数据的实时采集。在数据采集终端试运行8个月后进行采集数据的汇总与试验，可观察到设备状态数据共59.02万条、故障告警数据为4745条、开关量状态数据为101.18万条、电气信息为161.82万条、温湿度数据为184.89万条、通信报文为3.41万条、计量计费数据为5.26万条，在试验期间采集到的数据共计3477.38万条，且数据采集终端运行状态稳定、实时性能好，收获良好的应用价值。
        结论：本文设计的电动汽车充电桩数据采集终端基于CAN/RS485进行数据采集与通讯，为用户提供有线、无线等多种通讯方式，可实现与后台的安全可靠通讯，有效达成设计目标。
        参考文献：
        [1]杨晶.电动汽车智能充电桩的设计[J].电子技术与软件工程，2019，（11）：214-215.
        [2]杨仁山.电动汽车充电桩充电管理系统设计[J].城市建设理论研究：电子版，2018，（04）：66.
        [3]周建英，陈浩珲，方颖颖，等.一种电动汽车充电桩集中监控平台的设计与实现[J].智能电网：汉斯，2019，（03）：149-156.