（电力电子与电力传动专业论文）充电机监控系统通信总线及上位机软件设计.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：c h a r g i n gs y s t e mf o ra c t u a le l e c t r i cv e h i c l e si si n d i s p e n s a b l es u b s y s t e m s a sl o n ga st h eb a t t e r i e sr u no u to fp o w e r , p e o p l em u s tu s eac h a r g i n gs y s t e mt or e c h a r g e t h eb a t t e r y t h er e s e a r c hf o r t h em o n i t o r i n go ft h ee l e c t r i cv e h i c l ec h a r g i n gs y s t e mi s j u s tb e g i n i n gp r e s e n t l y b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no fe l e c t r i cv e h i c l ec h a r g e s t a t i o n ，t h i st h e s i si sa b o u t t h e r e s e a r c ht ot h ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o nb u sa n ds o f t w a r ef o rt h ec h a r g e rm o n i t o r s y s t e m f i r s t l y , t h ep l a n n i n go fe n t i r en e t w o r kw a si n t r o d u c e d t h e nt h ei n d u s t r i a ll i v eb u s f e a t u r e s ，t h et e c h n i q u eo fc a n 2 0b u sa n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sw e r ed e t a i l e d d e s c r i b e d t h ed e s i g no ft h ec a n b u s ，t h eh a r d w a r e s o f t w a r ee n v i r o n m e n to ft h e s y s t e ma n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e t h ee m p h a s i so f t h ep a p e r t h ep r o t o c o lc a n 2 0 a n dj19 3 9 w a sr e f e r r e dd u r i n gt h ed e s i g n c r e a t i v e l yiu s et h i sc o m m u n i c a t i v eb u st h a t i su s u a l l yu s e di ni n n e rv e h i c l ei n t ot h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec h a r g i n gm a c h i n e a n dt h eh o s tc o m p u t e r t h ei n n o v a t i o no ft h i sd e s i g ni su s i n gt h em a t u r et e c h n i co f c a n b u si nan e wa r e a t h ec o n s t r u c t i o no ft h ec h a r g e rm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h e c h a r g e - s t a t i o na n dr e a l i z e dt h et r a n s p l a n to f t h ec a n - b u s i nt h ew h o l es y s t e m ，t h ef r o n t - e n ds y s t e mc o l l e c t sd a t aa n dc o n t r o l st h ec h a r g e a t t h es a l t l et i m e ，t h r o u g ht h ec a nb u sa n de t h e m e t ，t h ea c q u i s i t i o no ff r o n t - e n dd a t a m o d u l e s ，t h ec o n t r o lo fc o m p u t e r , c o m p u t e rs e r v e r sa n dd a t at r a n s m i s s i o no fd a t a w e r e a r ea c h i e v e d ，s ot h a tc h a r g e s t a t i o nc a nb em o n i t o r e dt o g e t h e r i nc o n s i d e r a t i o no ft h e i n s t r u c t i o no ft h ew h o l en e t ，t h ec o m m u n i c a t i o no fc a n b u sa n dt h es o f t w a r e h a r d w a r e d e s i g n ，t h i sp a p e rp r o p o s e s ac o m p l e t e ，a d v a n c e da n df e a s i b l es o l u t i o nf o r t h e c o m m u n i c a t i o nb u sa n ds o f t w a r eo f t h ec h a r g e rm o n i t o rs y s t e m t h i ss o l u t i o ni m p r o v e s t h er e a l t i m e ，a c c u r a c ya n ds e c u r i t yo fs y s t e m e t i cc o m m u n i c a t i o n ，a n dg r e a t l yi m p r o v e s t h ee f f i c i e n c yo fw o r k e r si nc h a r g e c u r r e n t l y , t h e t e s t so fa l lt h ep a r a m e t e r sa n df u n c t i o n sa r ec o m p l e t e di nl a b o r a t o r y , t h ep e r f o r m a n c eh a sb e e nb a s i c a l l yr e a c h e dt h ed e s i g n g o a l s t h i sp r o g r a m m ew i l lb e s o o nu s e di nt h eb u i l d i n go fo l y m p i cg a m e se l e c t r i cv e h i c l ec h a r g i n g k e y w o r d s ：c h a r g e s t a t i o n ；c a n b u s ；m o n i t o rs y s t e m ；v i s u a lc + + ：v b c l a s s n o ：t p 2 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 7 1 致谢 本论文的工作是在我的导师张维戈教授的悉心指导下完成的，张教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来张老 师对我的关心和指导。 张教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向张老师表示衷心的谢意。 张教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，牛利勇、文峰等同学对我论文中的c a n 通 信协议研究工作给予了热情帮助。电科院的刘家亮、严辉工程师也对论文中的软 件设计给予了极大的支持，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 1 课题背景 1 引言 目前，珍惜地球上有限的石油资源，保护人类赖以生存的自然环境，减少温 室气体排放量，遏制全球变暖趋势已经成为世界各国面临的共同课题。要缓解这 两个日趋严重的问题，汽车工业必然向着环保、清洁、节能的方向发展，包括发 展燃用清洁替代燃料汽车和电动汽车等。 电动汽车，是全部或部分的以电力来做为驱动系统动力源的汽车，相对以汽 油燃烧作为动力的传统汽车而言，电动汽车在环保、清洁、节能等方面占据着明 显的优势。电动汽车具有无( 低) 污染物排放、噪声低、能效高、维修及运行成 本低等优点，它的广泛普及将是缓解大气环境污染和能源紧缺的最有效方式之一。 因此，电动汽车成为当代汽车发展的主要方向，必是2 1 世纪最有潜力的交通工具。 目前各大国际汽车制造商纷纷投入大量的资金和人力进行电动汽车的研究和开 发，多种电动汽车样车频频涌现，有些已达到较高的产业化规模。人们不遗余力 地丌展电动汽车的研究，试图使其成为新世纪汽车的发展主流。所以，美国以及 一些欧盟国家相继推出专项研究计划，以期推动电动汽车的发展。 充电系统对于实际的电动汽车而言是不可缺少的子系统，当蓄电池的电能用 完之后，就必须使用充电系统对电池进行再充电，将电网的电能，转化为电动汽 车车载蓄电池的电能，同时可对电动汽车车载电池进行快速更换。而且，要在较 大范围内推广普及电动汽车，就必须配套建设充电系统，以增强公众对使用电动 汽车的兴趣和信心。因此，充电机( 站) 的建设更是实现电动汽车产业化和推广 普及的关键条件，研究电动汽车充电系统的相关技术问题，为充电系统的设计和 建设提供理论与实践的支持，是一项对于促进电动汽车产业化进一步发展有重要 意义的工作，在技术、经济和社会效益等多方面都具有重大的意义，这也是本论 文的意义所在。 目前新建充电站普遍实行无人值班少人值守，这就要求整个系统的可靠性及 自动化程度更高，功能更加完善，能够有较高的免维护性。这样，使得大规模、 智能化成为充电站的发展方向，而高性能和高自动化程度的充电机监控系统是其 中的关键技术。因此，对电动汽车专用充电机的监控技术进行研究，开发出电动 汽车专用数字化充电设备及监控网络，对我国的电动汽车的发展和普及，将具有 十分重要的理论意义和工程应价值。 此外，电力企业大力推进充电机( 站) 建设不仅能够为推动电动汽车的发展 北京交通大学硕十学位论文 起到重要作用，而且也是电力作为绿色能源在应用领域的拓展，将成为电力企业 的潜在的重要市场。与此同时，通过建设电动汽车用充电机( 站) 积极推进发展 绿色能源交通，可加大对电力企业的宣传力度，有效展示电力能源品牌形象、树 立电力企业的良好社会形象。 总之，电力企业大力推进电动汽车用充电机( 站) 的建设不仅为自身带来直 接的经济效益，而且能够有效解决能源和环境问题，意义重大。 奥运临近，我国在奥运工程建设中始终把可持续发展理念放在首位，减少能 源和资源消耗，争取把2008 年北京奥运会办成真j 下的绿色奥运会。为此，由 北京市科委立项，北京市公交总公司作为业主，投入5 0 辆纯电动公交车，并配套 建设一个地面充电站，为奥运场馆及相关设施服务。本篇论文的目的是为奥运会 电动汽车充电站提供一套完整的充电机监控系统解决方案。论文介绍了整个系统 的数据通信部分，从系统的结构、传输线路、通信协议尤其是软硬件配置等方面 对所研究的内容进行了完整的介绍。从而为大规模建设的充电站监控系统的设计 提供技术支持，推动充电体系的建设，进而推进电动汽车产业化和推广普及。 1 2 国内外现状 近年来国外的充电系统在产品和技术两个方向上都取得了长足的进展。一方 面是采用先进的技术( 如控制技术、人工智能技术等) 使得充电产品从单一型充 电机向多功能、安全型、智能型充电系列产品转化；另一方面现场工业总线技术 的发展也使得监控系统的通信手段多样化、高速化、安全化。 法国是一个缺少石油的国家每年要从国外进口大量石油。石油制品的价格很 高，约是美国的4 倍，法国大气的污染源主要来自汽车的排放。因此，法国是全 世界最积极研制和推广电动汽车的国家之一。 法国电力供应充沛且多用核能发电和水力发电，发电源干净、电价便宜，汽 车工业发达。法国有丰富的电力资源，核发电站的电力占全国总电力的7 5 ；水 力发电站的电力占全国总电力1 5 。电力的价格也较便宜。法国政府鼓励开发电 动汽车和充分利用电力资源，在政策上给予支持，为开发电动汽车提供资助。 法国政府、法国电力公司、标致一雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司签属协议， 共同承担丌发和推广电动汽车，共同合资组建了电动汽车的电池公司，萨夫特 ( s a f t ) 公司承担电动汽车的高能电池的研究和丌发，以及电池的租赁和维修等 工作。在拉罗切里( l ar o c h e l l e ) 市试验推广电动汽车的使用，投入了5 0 辆小型 4 座电动客车，建立了9 个普通充电站和3 个快速充电站，进行两年的使用试验。 法国政府还计划在巴黎等城市推广使用电动汽车。在法国政府出台了各种优惠政 2 引言 策保障电动汽车的发展的大力推动下，2 0 世纪9 0 年代以来，法国电动汽车得到了 迅速的发展。 根据日本电动车辆协会的统计，在日本使用的电动汽车1 9 8 9 年为1 0 4 6 辆， 1 9 9 0 年为1 2 7 1 辆，1 9 9 1 年为1 0 3 7 辆，1 9 9 2 年为1 3 0 0 辆。日本大阪市由市政府、 大发汽车公司、蓄电池公司和电力公司共同组成促进电动汽车发展的地方组织， 采用优惠的租赁方法来鼓励用户购买电动汽车，并在大阪市内建立l o 个快速充电 站，为用户提供全方位的服务，促进电动汽车的推广。 美国以及其他发达国家均投入巨资进行电动汽车的商业化开发和应用，一些 著名的汽车公司也转向研究和丌发电动汽车以及配套设施建设。 目前，国外先进的智能充电监控系统大都具有以下功能：具有对充电机电流、 电压、时间和电量等参数监测、计量和显示；具有人机交互功能；数据库的历史 数据存储及报表打印功能；按照用户的要求使用上位机远端控制充电机启动、停 机及各种参数设置；具有系统故障报警功能。 在国内，电动汽车充电的技术和设备也在不断的发展，取得了很大的成就。 在我国“十五”计划期间，国家从维护能源安全，改善大气环境，提高汽车工业竞争 力，实现汽车工业跨越式发展的战略高度考虑，设立了“电动汽车重大科技专项”， 组织企业、高等院校和科研机构联合进行攻关，以电动汽车产业化技术平台为工 作重心，在电动汽车关键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得了重大突破， 研究确立了促进电动汽车产业化推广的政策、法规和相关标准，从而为我国在5 至l o 年内实现电动汽车产业化而奠定了政策和技术基础。在各地政府的大力支持 下，通过几年努力，北京、武汉和天津等7 个城市建立了电动汽车示范充电站。 北京市1 2 1 路电动汽车示范线充电站采用2 8 台3 0 k w 充电机进行电动汽车常规充 电。2 0 0 5 年6 月2 1 日，北京市纯电动公共汽车示范运行项目暨国内首支电动公交 车队在公交1 2 1 线路正式丌通，首批1 4 辆装载铅酸电池、具备完全自主知识产权 的纯电动公交车投入商业化运行。电动公交车在运行中采用和传统燃油公交车混 编的模式运行。武汉市利用市公交集团的场站资源，共同建立了混合动力公交车 的维修保养阵地，在市区内建立了9 个电动车辆的充电站。天津市在中国汽车技 术研究中心和开发区各建设一个充电站。杭州市建立了电动公交车和电动出租车2 座充电站( 换电站维护中心) 。株洲在株洲市黄河南路公交河西基地院内，建有五 个充电车位，一个带维修地沟的专用维修车间，实现了电动公交车的充电、维修 及保养功能。威海市在公交公司厂区建设了一座有8 台充电机的充电站。北京交 通大学研发了单体3 0 k w 大功率充电机，输出电压3 0 0 v - 5 0 0 v 可调，具有多种充电 模式，可三台并联使用，并在北京西黄庄公交总站建立了电动汽车充电站，具有 较成熟的监控技术；此外，国内许多大学和研究机构也针对电动汽车的充电监控 3 北京交通人学硕十学位论文 技术进行了大量的研究工作。 1 3 研究内容 本课题的研究目标是设计电动汽车充电站的充电机监控系统，实现电动汽车 智能充电机的全数字化监控，并能够通过c a n 总线接口以及r s 4 8 5 总线与电动汽 车的车载电池管理系统以及充电机完成良好的实时数据交换，实现电动汽车充电 机监控的高速、高效、安全、智能和集中。本课题的主要研究内容如下： 1 充电站监控系统网络设计。包括网络规划，各组成部分问通信方式，数据 记录存储传输方式，监控方式等。 2 通信总线物理层要求，通信线选择标准，屏蔽与安全要求。 3 根据c a n 2 0 及j 1 9 3 9 开发设计适合实际现场通信使用的应用层通信协议。 4 监控系统软硬件实现。重点包括系统前端c a n 总线通信部分硬件实现， 上位机监控软件、数据服务器端数据存储软件、客户端数据查询软件以及实验用 模拟充电机通信软件的设计和实现。 1 4 本章小结 本章首先介绍了研究背景和意义，结合对电动汽车专用充电技术和设备的国 内外研究现状进行了综述，最后介绍了课题的研究目标和研究工作的具体内容。 4 充电站监控系统网络规划 2 1 系统概况 2 充电站监控系统网络规划 奥运会期间，即将建设于奥运村中建设一座电动汽车充电站，用于电动巴士 集中更换电池，并为电池充电使用。 图2 - 1 充电站平面剖视图 f i g u r e 2 - 1t h ep l a n a rc u t a w a yv i e wo fc h a r g e - s t a t i o n 充电站主体为一封闭式充电间，如图2 1 所示，充电问的主要部分及功能如下： ( 1 ) 配电站。充电站的配电站包括高压配电和照明及其它用电配电两部分。前 者将1 0 k v 供电电网通过变压器等设备供给充电机充电；后者用于满足照明、控 制设备的供电。配电站配备计量设备，用于计量输入电量。 ( 2 ) 监控室。监控室用于监控充电机的运行情况、数据库管理、报表打印等。 ( 3 ) 充电机。充电机完成电池能量的补给。既可以满足应急性整车充电要求， 也支持日常地面补充充电。 ( 4 ) 充电平台。用于摆放卸载下来的电池。内有充电插座、电池管理系统供电、 电池管理系统内部网络、与充电机之间的通讯网络等接口。 北京交通人学硕十学位论文 ( 5 ) 电池更换库。充满电的电池箱按车辆编组完毕后，放于电池更换库，车辆 卸载完毕电池之后，从这罩领取电池装车。 ( 6 ) 维护车间。维护车间包括筛选和维护、充电间以及备用电池库。电池进入 维护车间后，首先进行电池的筛选，确定电池的好坏。不能使用的电池进行恰当 处理，避免污染环境；可以继续使用的电池进行维护和活化。维护完的电池送充 电间充满电后，进行装箱，为编组准备电池。 ( 7 ) 更换电池区。需要更换电池的车辆进入更换电池区进行电池更换。更换电 池区是更换电池的场所。另外，需要应急充电的车辆也停靠在更换电池区，通过 充电延长线引到车上，进行补电。 充电站共包括2 1 4 台常用充电机。充电机根据其功能和摆放位置不同，可分 别对应单箱电池、两箱电池、整车( 1 0 箱电池) 进行充电。其中单箱电池充电机 1 2 0 台，两箱电池充电机9 0 台，整车充电机4 台。除整车充电机外，其他充电机 位于充电平台的两侧，每台充电机分别对应充电平台上一个或两个摆放电池箱的 位置。根据电池箱大小不同每台充电机最多可对应1 6 节电池单体进行充电。 整个充电站可同时对3 0 0 箱电池进行充电。当电动汽车停靠在充电站内，快 速更换机构可通过红外定位系统将安装在汽车左右两侧的电池箱分别取出并摆放 在充电平台上，电池箱背部与充电平台上提前安装好的包括充电+ 极、r s 4 8 5 接 口、2 4 v 电源的极柱对接，便可完成后续充电通信等功能。汽车停靠位的左右两 侧充电平台与电池箱对应关系如图2 2 、2 3 所示。 第十六单元 第1 组5 号箱 第1 组3 号箱第l 组4 号箱 第l 组1 号箱第l 组2 号箱 第2 组1 号箱第2 组2 号箱 第2 组5 号箱 第2 组3 号箱 第2 组4 号箱 底膨 冤二十八罩兀 第二+ 九单元第兰十单元 第2 5 9 t 5 号箱第2 7 组s 号箱第2 9 组5 号箱 第巧组3 号箱第2 5 1 t 1 4 号箱第2 7 组3 号箱 第2 7 组4 号箱 第2 9 组3 号箱 第2 9 组4 号箱 第2 5 组1 号箱第2 5 组唠裙第2 7 组l 号箱第2 了组2 号葙第2 9 9 l l 号箱篇2 9 组2 号箱 第2 5 组1 号箱第2 6 组搿箱 第2 蛆l 号循第嚣组2 号福 第3 0 组l 号箱 第3 0 组2 号稻 第2 6 组5 号箱第2 8 组5 号辑第3 0 组5 号箱 第2 6 组3 号箱第2 6 组4 号箱第2 8 组滞箱第2 8 组4 号箱第3 0 组3 号福第3 0 组4 号箱 皎啦绒腾呔啦 图2 - 2 汽车停靠位左侧充电平台不恿图 f i g u r e 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep l a t f o r mf o rl e f t - - s i d ec h a r g i n ga tt h es t o p 充电平台高6 层，每单元的每层都可摆放2 箱电池，其中每单元都有两个备 用位没有连线( 如图2 2 中每单元空白处所示) ，用于临时摆放电池用。根据快速 更换机构的设置，每辆汽车停好后其车上左右两侧对应位置的电池箱都会分别被 固定的摆放在左右两侧充电平台上的相应位置进行充电，如图2 2 中所示。相同组 号的电池箱来自同一辆汽车。这样做的目的是为了便于使同一车上电池均衡性更 好，延长电池的寿命。同时，也便于工人操作对汽车电池进行更换操作。 6 充电站监控系统网络规划 第2 组7 号箱 第十三单元第十四簟元 第十五蕈元 第巧组6 号箱第2 7 组6 号箱第2 9 组6 号霜 第2 5 组7 号箱第2 5 组g 号箱第珂组7 号箱 第2 7 组8 号辑第2 9 组借箱第2 9 组8 号循 第2 5 组9 号箱第2 5 组l 唠秉曝珂组9 号箱第2 7 组l 唠钢第2 9 组唠霜第2 9 组1 唠罱 写r 2 6 组9 号箱第2 6 组1 嗬镉第2 8 组9 号箱第2 8 组1 0 号霸第3 0 组9 号裙第3 0 组1 啃铜 第2 6 组6 号箱第压组6 9 箱第s o , i t 6 号箱 第2 6 组t 号箱第2 6 组8 号箱第2 8 缎7 号箱 第2 8 组8 号箱 第3 0 组7 号箱 第3 0 组8 号箱 废，痰庳 废， 眨 图2 3 汽下停靠位右侧充电平台示意图 f i g u r e 2 3t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep l a t f o r mf o rf i g h t - s i d ec h a r g i n ga tt h es t o p 电池箱包括大箱和小箱两种。其中大箱电池中装有1 6 节电池单体，小箱电池 中装有8 节电池单体。每辆电动公交车整车使用1 0 箱电池，其中包括3 个大箱电 池( 如图2 3 中每组的6 、7 、8 号箱) 和7 个小箱电池( 图2 3 和图2 - 4 中每组的 其他电池箱) 。每箱电池都安装有一个电池管理系统，在充电过程中每个电池箱的 i d 号、单体电池数量、电压、温度、最高电池电压、平均电压、温度数量、温度、 最高温度、故障代码、充电标识、最大允许充电电压等4 7 个变量可以被采集并通 过监控网络传输到监控计算机和数据记录服务器进行监测和储存。 每个单元中除了的6 、7 、8 号箱各由一台充电机对应充电外其他单元内每层 不论摆放两箱电池还是一箱电池均由一台充电机对应充电。因此会出现有两箱电 池充电机和单箱电池充电机的区别。单箱充电机又有对应大箱电池( 1 6 节单体) 和小箱电池的区别( 8 节单体) 。 充电站配备可更换电池箱大约8 0 0 箱，每箱电池都有一个唯一的i d 号码，方 便对每箱电池的充电及使用记录进行追踪查询。现场采用电池快速更换和整车充 电等充电方式，充电机与被充电电池箱之间没有固定的对应关系。 充电机通过r s 4 8 5 总线与电池箱上安装的电池管理系统进行通信，将电池管 理系统所采集到的数据按照协议进行处理并重新打包成适合c a n 总线传输的数据 帧格式，通过c a n 总线发送至监控计算机。根据对应电池箱包含的电池单体数量 不同，每台充电机采集数据大约为5 0 - - - - 8 0 个采集信号( 数字量、开关量等) 。 整个监控系统还应配备有数据服务器和监控计算机。每台监控计算机通过 c a n 总线与4 2 台充电机相连，可分别对4 2 台充电机进行丌机、停机、紧急停机， 以及充电参数进行设定和控制。无论电池箱放到哪台充电机上面进行充电，都可 以在数据服务器上通过其i d 查询到该电池箱历史信息，也可以查询电池单体所有 充电过程的数据，以用于分析。监控计算机与数据服务器问通过以太网进行数据 通信，将监控记录转储，实现数据集中储存查询。 7 兰竺蝴缈一缈一纰 1一il 竺竺鞯 l一68组一组一组2 2 2 箱一箱一箱号一号一号 7 9 9 组一组一组 112 北京交通大学硕士学位论文 数据服务器存储所有单体电池充电的历史数据，以及充电过程中所有充电机 的充电记录，并提供相关数据的查询功能，提供向其他系统转发相关实时和历史 信息的功能。系统还应具备远程访问功能，方便用户远程维护和访问。 系统还包括一条烟雾报警监控网络，对充电站中处于充电过程中的电池的安 全进行监测，以防止意外发生。 视频监视系统以及供电系统监控由于不是本篇论文研究的重点，本文中不与 详细讨论。 2 2 网络结构 图2 _ 4 监控系统网络主要结构示意图 f i g u r e 2 - 4t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h em a i ns t r u c t u r eo f n e t w o r km o n i t o rs y s t e m 由上述系统概况分析，根据项目实际需求，同时考虑到项目进行过程中随时 面临的动态调整，对系统基本架构进行如下设计： 1 ) 充电机部分分为为独立电池箱充电的2 1 0 台常用充电机和为整车充电的4 台整车充电机。其中常用充电机根据所处位置划分为3 0 个充电机单元。由前面分 析对应图2 2 和图2 3 ，汽车停靠位右侧的每个充电机单元包含8 台充电机，停靠 位左侧的每个充电机单元包含6 台充电机。这样设计的原因是因为电动汽车两侧 所载电池箱并不对称，3 个大箱电池集中在汽车的同一侧，因此充电策略略有不同。 每台充电机通过r s 4 8 5 总线与对应电池箱上的电池管理系统进行通信。 充电站监控系统网络规划 2 ) 配置7 台充电监控计算机：其中包括5 台常用监控计算机，1 台整车充电 监控计算机，和l 台烟雾报警监控计算机。每台常用监控计算机安装3 块p c i 接 口的c a n 总线扩展卡，总共6 个c a n 总线接口，连接6 条c a n 总线，负责采集 6 个单元共4 2 台充电机( 其中6 台充电机的充电单元3 个，8 台充电机的充电单 元3 个) 的充电过程数据，并具备控制本网络中充电机开机、停机、紧急停机， 以及向充电机下发充电模式相关参数等功能。接收数据库服务器的对时命令。整 车充电监控计算机通过一条c a n 总线连接4 台整车充电机，并将采集数据与常用 监控计算机存入同一数据库中。烟雾报警计算机单独监测一条c a n 总线上连接的 烟雾报警器，并将报警信息独立储存。 4 ) 配置数据库服务器。用于存储充电监控工作站发送的电池箱以及电池单 体的充电过程数据、充电机的充电过程数据，并提供相关数据的曲线查询和报表 查询功能。为了保证数据的冗余可靠，配置双数据库服务器。数据库服务器接收 g p s 天文钟的时钟信号，并向各充电监控工作站下发对时命令。根据需要，可向 其他系统转发特定设备的实时数据和历史数据。 充电监控工作站、配电监控工作站和数据库服务器间采用双以太网连接，双 以太网工作在不同的网段，保证数据交换的迅速可靠，可以保证在一台数据服务 器出现故障时候另外一台仍然可以保证网络正常。充电监控工作站和充电机之间 采用c a n 总线通信。 烟雾烟雾烟雾烟雾烟棼烟雾烟雾烟雾烟雾烟雾烟雾烟雾烟雾煳骞煳嚣 报警报臀报管报警于i 警报警报静报管搬臀报警报餮报臀报警报臀报瞀 单丸 单兀啦几 单九啦冗单厄单几尊死j 社兀单元单冗单几币几怛儿i 社冗 1234567891 01 11 2 1 31 41 5 白 ll l lilllll liill | 一 | lllll|llll|l 删靠则。菇删务删菇删g -删每删崭删并 朋岛删穿烟劈删芬则每恻每 1 1 1 螽 撒静报臀报臀报警报警报警报静搬臀报臀报臀报警报警报警撤臀报臀 单元m 元m 无单元 单元 单兀单元单元单几单m单元单元巾儿荦几f f i ，l 1 61 71 81 92 02 1 2 22 32 42 52 62 72 82 93 0 图2 5 烟雾报警监控网络示意图 f i g u r e 2 - 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es m o k ew a r n i n gm o n i t o rn e t 烟雾报警监控网络由2 条c a n 总线构成。充电平台上每个电池箱位都安装一 个烟雾报警器，每个电池架上共1 2 个采集点，通过一块c a n 信号转换板与总线 相连。位于充电站同一侧的烟雾报警采集点连成一条c a n 网络，系统由2 条c a n 网络组成，由一台计算机单独监测，并将历史记录单独记录。烟雾报警系统示意 9 北京交通人学硕+ 学何论文 图如2 5 。 2 3 方案说明 据网络结构整个监控系统分为4 个部分： 数据通讯： 主要包括c a n 总线通讯规约制定及解释。规约制定的是否合理关系到项目通 讯的好坏和传输效率，因为整体的数据传输是通过c a n 总线来实现的，在通讯规 约的处理上可采用电池数据批量打包的方式进行上传，每批数据用唯一的i d 进行 表示。 监控计算机： 监控生产的过程，可以充当通讯服务器，采集的数据直接向本地实时数据库 和数据库服务器传输数据。由于电池始终处于移动状态，只能通过规约的i d 来进 行识别，实时数据通过i d 进行切换，监控工作站通过i d 来识别数据，根据需要 也可以在本地存储历史数据。 数据服务器： 安装s q ls e r v e r 来进行历史数据管理，同时也安装实时数据库。历史数据 库的d b i 接口提供快速的访问接口，来供第三方软件查询历史数据。 在同一个网络系统中，采用两个数据源节点构成双机冗余系统。两个节点采 用相同的计算机硬件配置、操作系统、数据库软件等，两个节点和现场设备具有 相同的物理连接。 采集的实时数据能够在两台计算机上同时存储和显示，当其中一台计算机出 现故障后，备用的计算机能够接替该计算机进行数据的采集和存储，并且可以通 知操作人员处理计算机的故障。当计算机恢复j 下常以后，自动接替备用计算机工 作，恢复初始的工作状态，备份计算机接替工作时期的存储数据能够恢复到采集 计算机上，实现数据的连续备份。 客户机： 客户机通过专门的数据库访问软件对数据服务器所储存的数据进行远程访 问，并可提供图表显示及打印功能。 2 4 系统功能 充电监控系统的主要功能有： 1 ) 监控所有充电机的运行数据、故障报警信号； l o 充电站监控系统网络规划 2 ) 监控所有充电电池组的单体电池电压、温度、充电容量等数据； 3 ) 提供充电机远程控制功能：设置运行参数、开关机、修改电池管理系统 参数等； 4 ) 提供所有充电机紧急停机功能； 5 ) 数据记录及相应报表打印功能； 其中，通过软件部分可实现的功能包括： 2 4 1 用户管理功能 通过监控计算机创建或修改用户名及密码。用户按可操作安全区分为若干级 别，控制用户系统权限。使对系统的操作控制更具有针对性和安全性。 2 4 2 监控功能 1 数据采集 数据采集系统采用c a n 接口通用p c i 通讯卡实现多个c a n 网络实时数据采 集。 系统中的数据来源主要有：充电机上传的充电过程及电池箱相关数据；人工 置入的数据；通信运行的参数数据；标准时钟数据及频率值； 数据的种类包括： 1 ) 充电机运行数据：包括充电机状态( 在线正常，在线异常，离线) 和各 充电过程相关数据( 时刻、起停标志、标志、位置、当前充电方式、当前工作阶 段、并联台数、累计工作时间、本段工作时间、运行模式、本机电压、本机电流、 本机对应车号等) 及累计输出电量等。 2 ) 充电机故障报警信号：包括充电机运行模式选择开关故障、充电机控制 板故障、充电机输入电压欠压、充电机输入电压过压、充电机输出电流过流( 输 出短路) 、充电机输出电压过压、充电机内部i g b t 保护、待充电电池极性反接、 充电机内部过温或低温、充电机i g b t 驱动信号被封锁、充电机e e p r o m 中数据 出错、充电机控制电源输出电压欠压、主控充电机向从属充电机发运行模式数据 出错、车辆禁止充电、独立充电机读电表失败、电表数据错误、主控充电机读电 表失败及与车辆c a n 通信失败。 3 ) 充电电池组信息：车辆编号、电池类型、电池串联数、电池并联路数、 1 6 箱电池每箱的电池模块数、各箱温度、各节电池电压、最高允许充电单体电流、 最高允许充电端电压、最高允许温度、额定容量、实际容量、充电前s o c 、最高 北京交通人学硕十学位论文 单体电压、最高单体电压箱号、电压最高电池编号、最高温度、最高温度检测点、 端电压、充电电流、电池连接状态、电池l i f e 、电池状态标志等。 4 ) 烟雾报警信号。 2 远程控制功能 监控系统除了应具备数据采集功能外还需要具备远程控制功能： 开机停机功能：能够使相应充电机开始充电工作停止充电工作。 读充电机运行模式功能：从相应充电机读取运行模式并在新窗口中显示。包 括总工作阶段及当前工作阶段，当前工作阶段工作方式，根据工作方式不同显示 给定电流，限制电流，停止电流或给定电压，限制电压，停止电压。 写充电机运行模式功能：设置总工作阶段及当前工作阶段，设置当前工作阶 段工作方式，并根据工作方式不同显示给定电流，限制电流，停止电流设置或给 定电压，限制电压，停止电压设置。 充电机紧急停机功能：提供危急情况下全体充电机紧急停机功能。 2 5 系统通信数据 2 5 1 数据的分类 为了便于分类，在逻辑上把描述电动汽车充电站监控系统的数据分为动态数 据和静态数据。 静态数据，指在运行过程中主要作为参考的数据，它们在很长的一段时问内 不会变化，一般不随运行而改变。如充电机的型号、通信地址等数据。我们也可 称之为参数数据。 动态数据，包括所有在运行中要发生变化的数据以及在运行中要输入、输出 的数据，这些数据也称之为实时数据。如充电机所充电池箱的电流、电压、通信 状态等数据。 历史数据，描述充电站状态的数据定期保存到关系数据库，用于离线分析和 报表展现，则称之为历史数据。 2 5 2 数据的采集 充电站监控系统网络规划 图2 - 6 系统数据采集示意图 f i g u r e 2 - 6t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs y s t e md a t ac o l l e c t i n g 电动汽车充电站监控系统所有实时数据都由系统中的采集工作站负责采集， 采集工作站与充电机通过c a n 总线通信网络进行信息的交互，运行在采集计算机 上的规约解析程序负责把充电机上送的相关通信报文解析成符合系统规范的数 据，发送给系统中心服务器。系统数据采集示意图如图2 - 6 。 系统中心服务器根据用户配置把相关实时数据定时存储到历史库中。 动态数据的采集主要有下列子类别： 1 ) 模拟量：主要包括电池箱电压、电池单体电压、电流、电池箱温度；配 电系统的主变及输电线有功功率、无功功率，主变及输电线电流，配电线电流、 有功功率、无功功率，电网频率，主变油温及功率因数等。 2 ) 数字量：充电机的起停状态、充电机与电池箱的通信状态等。 3 ) 脉冲量：充电机输出电量。 4 ) 时间量：按标准时钟源对整个系统统一时钟，标准时钟源如天文时钟。 5 ) 其他类型：充电机的运行方式和充电方式定值信息。 2 6 本章小结 本章介绍了充电站的设计规划，分析了充电站的硬件配置，及充电机与电池 的对应关系。这些都是监控系统设计的基础。然后阐述了监控系统的网络结构， 网络组成以及监控软件的设计概要和数据采集的要求。对充电站监控系统进行了 总体上的设计。 通信总线及总线应用层协议设计 3 通信总线及总线应用层协议设计 一个通信系统能够可靠的工作，除了各部分都能实现相应功能外，各组成部 分间的稳定通信系统运行一个不可或缺的重要环节。在充电机监控系统中，充电 机与上位监控计算机间及时准确的通信，无疑是整个系统能否有效工作的关键。 现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表及控制设备互连的 实时控制通信网络，它遵循i s o o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分通信协 议。现场总线网络上传输的是小批量数据信息，如检测信息、状态信息、控制信 息等，传输速率低，但实时性要求高，要求抗干扰能力强。简而言之，现场总线 是一种实时控制网络。现场总线可采用各种通信介质，如双绞线、电力线、光纤 等，实现成本低。 局域网用于连接局部区域的各台计算机，网络上传输的是大批量的数字信息， 如文本、声音、图像等，传输速率高，但不要求实时性。从这个意义而言，局域 网是一种高速信息网络。就实现方式而言，局域网需要专用电缆，如同轴电缆、 光纤等，尤其在工业现场的恶劣环境下，为了避免干扰，使实现成本更高。 因此，在工业现场监控中常使用现场总线控制网络作为通信手段。 3 1 现场控制器与上位p c 机常用通信方式 目前在自动化系统中现场控制器与上位p c 机之间的通信方式有很多，有的是 比较通用的，适于大型的开放式网络自动化系统，有的则是专门针对某个特定控 制系统或单机控制系统。从同一时刻传输的数据位数来分就是并行通信和串行通 信两大类。并行通信是指将待发送数据的各位同时传送，串行通信则将数据一位 一位地按顺序传送。并行通信传输效率高，但所需硬件设备复杂，通信双方连线 多，因此不适于长距离通信，所以一般只适用于要求实时性强，传送速率较高的 控制系统中，实用面较窄；相比之下，串行通信简单易实现，传输距离较长，所 以已被广泛应用于各种工控系统中。鉴于其各自的优缺点，在监控系统中，这两 种方法都有广泛应用。 3 1 1 并行通信 并行通信方式，总的来说，主要都是基于计算机标准总线，如i s a 总线、p c i 总线，以及嵌入式工控机广泛采用的p c i 0 4 ( p c i 0 4 p l u s ) , 营, 线。其中p c 工总线数 北京交通人学硕： ：学位论文 据传输速率高，一般足以满足工控系统对传输速率的要求。但p c i 总线规范十分 复杂，其接口的实现比i s a ，e i s a 困难。 i s a 总线是在i b mp c 总线的基础上发展起来的，i b m 公司在p c 总线的基础 上增加了一个3 6 引脚的a t 扩展槽而形成a t 总线。在i b mp c a t 及其兼容机的 机箱中，通常在母板上分别设置几个a t 插槽和p c 插槽，这种结构被人们称为i s a 总线。i s a 总线较原来的p c 总线在性能上有了较大的提高，如其寻址空间的范围、 数据总线的宽度、终端处理能力等都有了很大的提高，而基于该总线的接口电路， 其布线要求没有p c i 接口板的要求高，因而目前在i s a 总线上开发接口电路仍是 人们首先考虑的方法。因此，一般在高校和一些科研单位开发的运动控制器有不 少都采用基于i s a 总线的通信方式。 但是对于充电机监控系统这样的分布式控制系统来说，并行通信方式由于其 复杂的硬件设备，较难实现的长距离抗干扰数据传输，因此虽然其数据传输速率 可以满足要求，但并不适用于作为充电站内充电机与上位监控计算机间的通信方 式。 3 1 2 串行通信 串行通信传输线少，通信简单，传输距离远，是工业控制领域，尤其是分布 式控制系统中的传统