电动汽车快速充电机监控终端的设计

电动汽车快速充电机监控终端的设计

作者：蔡贵方李优新等

来源：《现代电子技术》2013年第12期

摘要：随着物联网时代的到来，实现对快速充电机的智能远程管理，其监控终端的设计是其中的关键技术。结合单片机STM32和实时操作系统μC/OS⁃Ⅱ，介绍了快速充电机监控终端的整体设计方案，研究了大功率充电机CAN总线及GPRS数据发送的协议制定及软件设计方法，并对GPRS流量费用进行了经济性分析。结果表明该监控终端保证监控网络工作稳定，实现对充电机的运行状态的监测及其远程管理。

关键词：快速充电机；监控终端；协议制定；μC/OS⁃Ⅱ

中图分类号： TN87⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）12⁃0167⁃04

0 引言

随着国家对新能源技术的大力扶持，电动汽车逐渐成为国家在新能源汽车产业大力发展的对象，而电动汽车充电站、快速充电机是电动汽车大规模化后不可或缺的服务基础设施之一[1⁃2]。大量分布于各住宅小区、停车场的电动汽车用非车载智能快速充电机，实现高效、安全、智能化的管理必定成为主流。针对目前快速充电机群实行无人值守的运行情况，这就要求快速充电机须具有较高的可靠性和自动化程度，功能更加完善，可远程维护等功能。

这样，使得分布式、模块化、智能化成为快速充电机的发展方向，而高性能、低成本的充电机监控终端是其中的关键技术。为管理区域多台充电机的资源优化利用与管理的智能化，监控终端与Internet网的交互成为一种必然。

1 监控网络的整体方案

2 监控终端功能模块

2.1 监控终端的总体设计

定时将当前充电用户信息和充电机等运行参数通过GPRS发送到监控中心。监控终端可以根据用户的需要，打印用户的余额或收费凭据等。

2.2 CAN总线模块

（1）优先级确定。CAN协议规定报文ID越小，其报文的优先级越高。在竞争总线时，优先级高的报文优先发送，优先级低的退出总线竞争。CAN总线竞争的算法效率很高，是一

种非破坏性竞争[3]。因CAN协议规定标识符由高至低，前7位不能全为显性位。所以优先级1111b保留，故系统具有15级优先级别。

（2）类型码。协议将ID24～ID22规定消息的类型。在本系统中，用到的消息类型主要有：控制、状态、测量、警告和广播5种类型。根据将类型码的具体分配如表2所示。

表2 类型码的分配表

（3）源地址。协议规定ID12～ID16为源地址，ID17～ID21为目标地址，进而标识报文的各接收节点与发送节点。5位地址位，保留11111b为广播地址，可以确定31个控制节点，可满足电动汽车充电机的监控需求。在此系统中，定义00000b为监控终端，00001b为充电机节点，00010b为电池管理系统（BMS）节点。

（4）分段码。因不同的节点所发送的数据量不同，可能会出现一个数据帧不能把从底层采集到的数据一次性发送完毕（即超过8个字节的情况）。协议中将ID11～ID4定义为分段码，如表3所示。

表3 分段码的定义

在表3中，某节点的数据帧由分段码00H开始，由FFH结束，最大可支持发送256×8字节的数据。若该节点只有一帧数据，定义FFH同时也为单帧数据。

例如，BMS节点，包含了电池组总电压、电池组总电流、电池组SoC、电池组各个箱体（9个）的温度以及电池组状态的信息等。每个数据占用2 B。显然一个数据帧是无法发送该节点的全部信息，故须采用多帧方式发送。

2.3 数据发送模块

终端是通过串口外接周立功GPRS模块（ZWG⁃23A）连接到互联网。通过GPRS网络上网，连接到服务器之后，按照通信协议定时向服务器发送数据。根据《深圳市电动汽车充电系统技术规范》标准文件，协议由报文起始标识、版本号、命令字、报文长度、数据内容、校检码等组成的，其具体格式如表4 所示。

表4 终端与监控中心的通信报文协议组成

（1）起始标识。设为0xFAF5，用于唤醒接收方准备接收数据。

（2）报文长度。是由[发送序列号]到[数据内容]的总长度。

（3）校验码。是从[起始标识]到[数据内容]的无进位累加和。

（4）接收（发送）方类型与地址。监控中心为类型为“业务服务平台”，其数值为1，其地址为在此类型码下的某一个惟一地址；终端的类型为“调度终端”，其数值为255，地址为此类型下的某一个惟一地址。

（5）数据内容与命令字：不同的命令字决定该报文所携带的数据的内容的构成及所占用的字节数。

数据内容一般由一个或多个数据对象组合而成，也可以为空。发送方在应答非正常或无应答的情况下，每条数据报文最多重复发6次，每次间隔时间为30 s。数据内容根据命令字的不同其所组成的数据对象也不同，通常情况下，终端与监控中心的通信包括终端注册、中心应答、终端就绪、定时发送4个阶段。部分命令字与对应的数据内容见表5所示。

3 软件设计

3.1 μC/OS⁃Ⅱ的多任务管理

为实现监控终端的功能要求，在μC/OS⁃Ⅱ中设计了以下13个任务：显示任务、键盘查询任务、输入处理任务、打印任务、数据的存储任务、IC卡的读/写任务、GPRS的发送任务、CAN数据的接收任务、CAN数据的发送任务、GPRS的接收任务、命令控制任务、报警任务

及看门狗的喂狗和异常检测任务。

3.2 ZWG⁃23A模块的配置

4 结语

本文研究了电动汽车快速充电机监控网络的结构组成，详细分析了监控终端的通信网络的CAN与GPRS的通信应用层协议。其CAN网络协议具有广泛的通用性，GPRS的流量少，可推广到自动化的其他领域中的应用。

参考文献

[1] 佚名.国家电网：“十二五”将建设充换电站2351座充电桩22万个[J].电气技术，2011（3）：79.

[2] 腾乐天，娄久春，何维国.电动汽车充电机（站）设计[M].北京：中国电力出版社，2010.

[3] 史久根，张培仁，陈真勇.CAN现场总线系统设计技术[M].北京：国防工业出版社，2004.

[4] 邵贝贝.嵌入式实时操作系统μC/OS⁃Ⅱ[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2005.