（电路与系统专业论文）电动汽车充电站远程监管网络系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 在全球能源危机和环境污染严重的大背景下，我国政府积极推进新能源汽车 的应用与发展，充电站作为发展电动汽车所必须的重要配套基础设施，具有非常 重要的社会价值和经济效益目前，已建成的示范性充电站往往依靠人工简单管 理的方式，必须研发具有高度自动化、智能化、网络化的监管服务平台，提高设 备运行的可靠性，降低维护成本，减轻监控中心负担 本论文在前期调研和项目研究的基础上，结合电动汽车充电站未来的建站模 式和功能需求，提出了基于c a n 总线和g p r s c d m a 无线通信的双层网络架构的充 电站联网监管系统。该系统主要由电动汽车充电桩、集中器和后台监控中心三个 子系统构成集中器通过c a n 总线对站内多个充电桩进行统一管理，并通过 g p r s c d m a 与后台监控中心实现通信，后台监控中心可以支持大量的集中器和充 电桩，对分散在各处的充电设备进行统一的管理和监控，并对充电业务实现很好 的支撑。 充电桩采用c o r t e x - m 3 芯片l m 3 s 2 9 6 5 为主控制器，扩展了l c d 显示、r s 4 8 5 电能表通信，c a n 通信，r f i d 读卡器，加密键盘等外围接i ；2 电路集中器的设计 基于3 2 位a r m 9 处理a t 9 1 s a m 9 2 6 0 ，扩展了c a n 、g p r s c d m a 模块、以太网等外围 接口电路集中器搭载a r ml i n u x 操作系统及s q l i t e 嵌入式数据库系统，采用 面向对象的c + + 开发语言，集中器应用软件开发基于平台，采用c + + 面向对象开 发语言，实现了操作系统、设备驱动、p p p 拨号，应用层等层次功能。 针对目前充电站监管系统的没有统一标准的通信协议的问题，本文在国家电 网q g d w 3 7 6 1 协议的基础上，按充电站业务特点进行改进和完善，设计了基于 t c p i p 网络的远程通信协议，阐述了通信协议相关的数据帧结构，传输机制，通 信流程以及软件设计模型还对系统可靠性理论、有限状态机模型进行了研究， 提出了超时重传、两次握手，k e e p a l i v e 心跳等通信保障机制，提高了网络通信 的可靠性及稳定性 h 浙江大学硕士学位论文 摘要 论文最后对设计的软硬件系统进行了测试和分析，并对通信协议部分进行了 验证经测试和实际应用表明，系统达到了预期设计的性能指标和功能指标。 关键词：充电站监管系统通信协议有限状态机系统可靠性 i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t a st h eg l o b a le n e r g yc r i s i sa n ds e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，o u rg o v e r n m e n t h a sg i v e na c t i v e l ys u p p o r to na p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tf o rn e we n e r g yv e h i c l e s c h a r g es t a t i o n ，a so n eo ft h ee s s e n c ei n f r a s t r u c t u r ef o re l e c t r i cv e h i c l e s ，t a k e sg r e a t s o c i a lv a l u ea n de c o n o m i cb e n e f i t s 雏w e l l c u r r e n t l y ，m o s to ft h eb u i l tc h a r g es t a t i o n s a l em a n a g e dm a n u a l l y a na u t o m a t i c ，i n t e l l i g e n ta n dw e b f r i e n d l yr e g u l a t o r ys e r v i c e p l a t f o r mi sn e e d e df o ri m p r o v i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ，o p e r a t i o na n de f f i c i e n c y t h en e w p l a t f o r mc o u l de a s i l ym o n i t o rd i s t r i b u t e dc h a r g es t a t i o n se f f e c t i v e l y , w h i c hh e l p sf o r b e t t e rs t a b l e n e s sa n dr e d u c i n gc o s t w i t ht h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ho nt h i sp r o j e c lc o m b i n e d 、 ，i t l lt h ew a yo f e s t a b l i s h m e n ta n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ff u t u r ec h a r g es t a t i o n s ，w ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e dam a n a g e m e n ts y s t e mc o m p o s e do f n e t w o r k e dc h a r g es t a t i o n s ，b a s e do n c a nb u s a n dg p r s c d m aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i ss y s t e mi n c l u d e s c h a r g ep i l e ，c o n c e n t r a t o ra n db a c k s t a g em o n i t o rc e n t e r c o n c e n t r a t o rm a n a g e ss e v e r a l c h a r g ep i l e s ，a n dc o m m u n i c a t e 谢mb a c k s t a g em o n i t o rc e n t e rv i ag p r s c d m a b a c k s t a g em o n i t o r c e n t e ri sc a p a b l eo fs u p p o r t i n gm a n yc o n c e n t r a t o r sa n dc h a r g ep i l e s ， m a n a g i n ga n dm o n i t o r i n gs c a t t e r e dc h a r g i n ge q u i p m e n t s ，t h u so f f e r sah i g hq u a l i t y c h a r g i n g t h ec o n t r o l l e rc h i po fac h a r g i n gp i l ei sl m 3 s 2 9 6 5 ，w h o s ei pc o r ei sc o r t e x m 3 t h ep e r i p h e r a lc i r c u i t si n c l u d el c dm o d u l e ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c a n c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，r f i dr e a d e r , a n de n c r y p t e dk e y b o a r d s c o n c e n t r a t o ru s e sa a r m 9b a s e dc h i pa t 9 1s a m 9 2 6 0 ，a n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t si n c l u d ec a nm o d u l e ， g p r s c d m am o d u l e ，e t h e m e tm o d u l ea n ds oo n t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mo f c o n c e n t r a t o ri sa r m l i n u x w eu s ea no o pl a n g u a g ec + + t od e v e l o pt h es o f t w a r e ， w h i c hd e p e n d so na l lo p e ns o u r c es q l i t ee m b e d d e dd a t a b a s e i m p l e m e n t e ds o f t w a r e m o d u l e si n c l u d et h ed r i v e r sa n da p p l i c a t i o n s b e c a u s et h e r ei sn ow i d e l ya c c e p t e ds t a n d a r do fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si n c h a r g i n gp i l em o n i t o rs y s t e m w ed e s i g n e dar e m o t ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w h i c hi s i v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b o v et h et c p i pp r o t o c o ll a y e r , b a s e do nt h en a t i o n a lg r i ds t a n d a r dq c d w 37 6 1 t h i sp r o t o c o lc o n s i d e r st h es p e c i a lb u s i n e s so fc h a r g i n g ，a n dt h u sf i t st h ea p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n tw e l l i nt h i sp a p e r , w ed e m o n s t r a t et h es t r u c t u r eo ft h ed a t ap a c k e t , t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，c o m m u n i c a t i o np r o c e s s ，a n dl a s t l y , h o ww ei m p l e m e n ti ta n d t h ed e s i g nm o d e l w ed e s i g nm e c h a n i s m sl i k et i m e o u tr e t r a n s m i s s i o n , s h a k i n gh a n d s t w i c e ，k e e p a l i v eh e a r t b e a t , t oi m p r o v e t h e r e l i a b i l i t y a n ds t a b i l i t yo fn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n w es t u d yt h es y s t e mr e l i a b i l i t yt h e o r y , f i n i t es t a t em a c h i n em o d e la n d a p p l i e dt h e s et h e o r i e si ni m p l e m e n t a t i o n i nt h ee n d ，t h ei m p l e m e n t e dh a r d w a r e s o f t w a r es y s t e mi st e s t e da n da n a l y s e d ，a n d t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sv e r i f i e d t h er e s u l ta n dp r a c t i c es h o w st h a tt h es y s t e m h a sr e a c h e dt h ee x p e c t e dp e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n s k e y w o r d s ：c h a r g es t a t i o n ，m o n i t o rs y s t e m ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c a l ，f i n i t es t a t e m a c h i n e ，s y s t e mr e l i a b i l i t y v 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在浙江大学研究生的学习和生活中，认识了很多良师益友，给了我许多帮助 和支持，没有他们的关怀，我想我寸步难行 首先衷心感谢金心宇教授，金心宇教授无论在科研方面、育人方面、生活方 面都给予了我无微不至的关怀金心宇教授严谨的工作作风、渊博的学科知识、 诲人不倦的育人态度，都给我树立了一个很好的榜样在研究生阶段的学习与生 活的过程中，我不仅学会了学术研究的方法，更学到了做一个社会人的道理，为 我未来走入社会打下了坚实的基础，在此表示衷心的感谢和敬意 最后，我还要特别感谢我的父母，他们所给予的关心、支持和鼓励，是我人 生道路上永恒的动力! 周春喜 2 0 1 2 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着现代社会的快速发展和不断创新，人们在燃油汽车领域取得了巨大的突 破，大大改善了人类的生活质量，为社会提供了不可估量的财富。汽车是现代社 会的重要交通工具，目前全世界汽车保有量约1 0 亿辆，根据近期海外权威机构 预测，未来几年内全球汽车的保有量仍将以每年3 - 5 的速度继续增长。2 0 0 6 年 我国成为仅次于美国的世界第二大新车消费市场，超过了原先的日本。由于我国 对汽车的消费有着巨大需求，在未来一段时间里，我国汽车的保有量将继续保持 世界上最快的速度增长但是，汽车产业的快速发展也带来了许多不良影响，全 球性的能源危机和环境污染逐渐成为2 1 世纪人类面临最严峻的问题，而这些问 题在我国经济发展速度较快的沿海省份显得更加严重。 传统燃油汽车在快速发展的过程中加剧了对石油这一不可再生资源的依赖， 据国际能源署( i e a ) 2 0 0 8 年的报告预测，到2 0 3 0 年，全球石油消耗的5 7 将发 生在交通运输领域。而调查研究表明，平均而言大气污染的4 2 和城市噪声的8 0 都来源于交通运输领域。有关数据预测，2 0 1 0 年我国石油消费量将达2 亿吨，2 0 2 0 年我国石油消费量将达4 3 亿吨至6 1 亿吨，而且对外国石油的依赖也不断增长， 这将会给我国的能源紧缺问题造成巨大压力，同时也会对自然环境造成巨大污染 拉羽因此，目前迫切需要寻找实际可行的新能源汽车来逐渐取代传统的内燃机 车经过多年讨论和探索，国内外对于汽车工业未来发展比较一致的看法是：2 1 世纪是一个而临能源和环境巨大挑战的世纪，传统燃油汽车将向高效低排放的电 动汽车h 纠方向发展电动汽车以电能为能源，通过电动机将电能转化为机械能， 在运行中实现了零排放，为发展新型汽车产业以解决能源和环境问题提供了一条 新的途径我国政府最近颁布了汽车产业调整和振兴规划、关于开展节能 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 与新能源汽车示范推广试点工作的通知、节能与新能源汽车示范推广财政补 助资金管理暂行办法等政策，也积极推进新能源汽车的应用与发展，其中浙江 省作为试点先行地区之一电动汽车的开发和推广应用有利于缓解我省石油资源 供需的紧张局面，因此必须遵循国家新能源发展战略和强力节能减排政策，加快 电动汽车产业发展速度。 电动汽车作为一种发展前景广阔的绿色交通工具，今后的普及速度会异常迅 猛，未来的市场前景也是异常巨大的在全球能源危机和环境危机严重的大背景 下，我国政府积极推进新能源汽车的应用与发展，充( 换) 电站作为发展电动汽车 所必须的重要配套基础设施，具有非常重要的社会效益和经济效益。目前我国的 加油站数量已经超过1o 万个，今后的发展趋势是会逐渐转型为电动汽车充换电 站，因此充( 换) 电站作为一个朝阳产业，具有非常巨大的发展潜力和市场前景。 本课题研究的电动汽车充( 换) 电站智能监管系统，作为电动汽车充( 换) 电站的关 键技术核心，具有广阔的产业化前景就浙江省而言，电动汽车充( 换) 电站这一 新兴产业就会产生数以亿计的巨大经济效益，带动其他基础产业，同时新增大量 的就业岗位 1 2 国内外研究现状与发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 电动汽车的发展起步较早，最早可追溯到1 8 7 3 年，但是从1 9 3 5 1 9 6 0 年， 由于受限于电池技术和电动汽车充电配套设备不足等因素的影响，其发展基本处 于停滞状态1 进入2 1 世纪以来，随着世界性能源危机的爆发和环境问题的日益加剧，电 动汽车产业又迎来了新的发展机遇 1 日本汽车公司掌握了比较先进燃料电池技 术，它的混合动力技术也日趋成熟；美国的3 大汽车公司与能源部相继签订了关 于新能源汽车，主要是电动汽车的开发合同，其中通用公司准备投入1 4 8 亿美 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 元，克莱斯勒也准备投入近8 5 0 0 万美元，开展为期5 年的开发工作。欧洲也极 力推崇纯电动汽车的发展，各大汽车厂家纷纷推出了自主研发的电动汽车。法国 高度重视电动汽车发展，推广电动汽车应用和行业发展已作为改善交通能源结构 和保护城市环境的重要手段来执行，在政府相关部门的大力支持下，法国正在积 极地探索充电基础设施建设、电池租赁、电动汽车应用示范项目等领域，目前已 初步形成电动汽车推广的一整套完整的体系架构，包括电动汽车开发、生产、应 用、配套服务以及政策支持等，图1 1 为法国电动汽车充电站。法国电动汽车充 电配套服务主要包括常规充电与快速充电。常规充电由充电设施提供标准的民用 交流电源接口，为电动汽车进行充电，充电时间较长，一般需6 7 小时完成充 电，此类汽车要求自身具有车载充电机。快速充电由非车载充电机提供直流输出， 可以为电动汽车进行大电流快速充电，一辆残余电量2 5 的电动轿车，约用2 5 分 钟可完成充电。常规充电设备数量较多，主要应用于行业用户；快速充电设备数 量相对较少，主要应用于应急充电哺1 。 图1 1 法国电动汽车充电站 截至2 0 0 9 年，电动汽车充电站在欧洲、美国和日本等几个国家取得了一定的 成果。统计如下表1 1 ： 表1 1 国外电动汽车与充电站统计 国家纯电动汽车汽车保有纯电动占汽车充电站服务点充电桩换电 ( 辆)量( 亿辆)保有量比例站 欧洲 1 5 0 0 02 7 5十万分之五o 3 0 08 0 0 0 美国 7 0 0 03 4十万分之二118 1 3 6 1 0 日本7 4 0 00 8十万分之九 0 13 73 5o0 总计2 9 4 0 06 9 5十万分之四 1 6 1815 11 o 从表中可以看出，国外电动汽车占汽车总数的比例很小，且配套的充电设施 l，00 一目罗 、，j、 c良 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 和服务网点较少一 电动汽车问题的核心是解决好电池供电，电池的一次充电续航里程、充电时 间、使用寿命等被认为是阻碍电动汽车商业化的最大瓶颈n 1 。为解决电动汽车充 电难的问题，目前国内提出了多种发展模式，主要有电池更换、直流快速充电和 交流慢充三种模式n 1 我国在“八五”、“九五”期间开始电动汽车开发研究工作，“十五”期间， 国家科技部拨款8 8 亿发展电动汽车重大专项，以上几种充电站模式是固定充电 站。一些电动汽车生产厂家为推广电动汽车的应用，自己推出一些专用充电站； 例如，比亚迪首先实现充电自动化，实现刷卡计量收费，无人值守的充电方案。 目前，国家电网公司将对充电站的建设进行统一规范，实现充电机和充电接口的 标准化，为将来电动汽车的大规模推广应用奠定基础m 10 目前我国已有一些示范 性的电动汽车充电站，例如四川成都石羊电动汽车充电站、深圳大运中心电动汽 车充电站等，但是其服务功能还非常不完善，例如存在着缺乏统一的计量收费机 制，以人工监控管理为主，自动化管理水平较低等问题 目前，一场兴建电动汽车充( 换) 电站的运动已经在全国范围内展开，但是充 ( 换) 电站建设中的关键技术问题一一分布式智能监管系统，并未得到系统的研 究，目前国内还未有成熟稳定的电动汽车充( 换) 电站智能监管服务系统的整套解 决方案 1 2 2 发展趋势 ( 1 ) 充( 换) 电站网络系统的出现 面对能源危机和环境的e l 益加剧，电动汽车已成为国内外政府及主要汽车厂 商的第一研究目标，电动汽车产业在未来几十年将有广阔的发展空间针对当前 电动汽车电池的现状，目前出现了城市电动汽车充电网络系统( c n s u e v ) 的方案， 该方案是一个在城市全面铺网，专门为电动汽车提供专业的，规范的充电服务的 智能化系统，其主要目的是解决电动汽车续航能力差、电池充电难的缺点，更重 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 要的是对电池进行统一管理，延长使用寿命n 鲫而国外也在不断完善运营管理模 式，并基于不同的运营管理模式开发高效的管理服务系统。 ( 2 ) 换、充电站相辅相成互为补充 有专家提出，如果电动汽车的电池能够像普通汽车一样，在例如加油站一样 的地方进行电池更换，那么燃油汽车必将被电动汽车替代。如果能从根本上解决 电动汽车市场化应用的瓶颈问题，特别是民用轿车社会化推广应用所面临电池充 电难的问题，我国必将能够在短时期内取得电动汽车产业重大发展，取得显著的 社会效益和经济效益换电方式n 町可以最大限度减少车辆的等待时问，提高车辆 使用效率，还可以很好的实现电池充电的科学保护，有效延长电池使用寿命。因 此，在未来发展过程中，如果快速充电难题未得到根本解决，电动汽车充电站和 换电站必定需要互为补充，缺一不可 ( 3 ) 监管服务系统的自动化智能化 为了提高电动汽车充( 换) 电站的服务质量和利用率，从而提高充( 换) 电站的 经济效益，必须研发具有高度自动化、智能化的监管服务平台目前示范性的充 ( 换) 电站往往依靠人工简单管理的方式，为了实现“无人看守”自动充( 换) 电功 能，构建基于网络的分布式智能化监控管理技术平台是未来的发展趋势之一n 5 j 。 1 3 论文的研究意义 1 3 1 电动汽车是解决能源与环境危机的可行策略 作为能源消费大国，我国的能源形势非常严峻，目前已探明的石油储量仅占 全球的2 - 3 ；2 0 0 7 年中国原油消费总量约为3 5 亿吨，占全球的4 5 7 ，其中我 国交通运输行业消耗的石油约占总消耗量的6 0 ；在环境方而，燃油汽车产大量 使用也是造成环境污染和温室气体排放的主要原因电动汽车具有能量效率高、 低排放等优点，推广电动汽车应用，可以降低对不可再生资源的的消耗，缓解石 油供应紧缺的矛盾，保障我国能源安全而且，电动汽车几乎是零排放或超低排 5 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 敖，推广和普及电动汽车也是保护环境的行之有效的措施。 1 3 2 电动汽车是提高我国汽车工业技术竞争力的关键突破 电动汽车是我国汽车技术实现跨越发展的契机，也是未来汽车技术竞争的焦 点对提升我国汽车工业的技术水平，提高汽车产业的国际竞争力，具有十分重 要的战略意义从国内来看，发展电动汽车对调整我国产业结构、提高汽车工业 的创新能力和市场竞争能力，对保证国家未来的能源安全与经济安全具有重要的 战略意义，并将带动新能源、新材料等一系列相关产业的快速发展n 们 1 3 3 充电站是实现电动汽车产业化的核心问题 尽管电动汽车作为绿色交通工具具有很好的应用前景，但是电动汽车产业化 面临着配套设施发展滞后的问题。充换电站作为电动汽车电能补给的基础设施直 接影响到电动汽车产业化的发展中国科技部、中国工程院、中国汽车工业公司 等机构明确指出充( 换) 电站建设是电动汽车产业化的核心问题。国家发改委在新 修订的产业结构调整指导目录( 2 0 0 7 年本) 中首次提出鼓励建设新能源汽车 充( 换) 电站工程。目前全国在电动汽车充( 换) 电站领域的规划总投资已达几百个 亿 1 3 4 充电站监控系统是保障电动汽车运行的重要基础设施 充换电站作为电动汽车的能源供给系统，其核心的充换电管理技术对产业 发展和电动汽车的普及具有重要影响，也是制约电动汽车普及的主要原因之一 随着电动汽车产业化的发展，电动汽车将会被大规模使用，因此必须建立大量的 充换电站与服务网点，满足电动汽车市场化所需要的安全、便捷、充足的电能 补给目前消费者对于电动汽车的购买欲主要受充电不方便，充电时间长以及本 身对电动汽车充电的安全性考虑监管系统作为对充电设备集中管理和监控的系 统，其研究意义如下： 6 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 ) 保证充电过程的安全 采集并向监控中心上传充电桩运行状态信息，管理与保护充电过程，确 保电池和充电机安全和延长使用寿命，确保充电的安全 2 ) 提高充电站运营管理水平 监管系统可以很好的实现资产管理、计量计费管理以及客户档案管理等功 能，提高电动汽车充电站的服务质量和运营管理水平，提高充电站的经济效益 1 4 论文的组织结构 本课题从建设电动汽车充电站及监管系统的实际功能需求出发，设计并实现 了基于远程网络通信和c a n 现场总线技术的一整套软硬件方案对该系统实现过 程中的关键问题进行详细阐述，包括系统整体架构、软硬件实现的具体方案、网 络通信协议、系统可靠性、有限状态机理论研究等 本文的组织结构如下： 第一章主要介绍论文写作的背景，描述电动汽车行业在国内外的发展现状， 并简要阐述了该课题的研究目的和价值。 第二章主要介绍了电动汽车充电站的构成、监管系统相关的系统原理及架 构、功能需求、通信方案，并介绍系统开发相关的关键技术：现场总线技术、v p n 网络技术和嵌入式数据库 第三章首先介绍硬件系统设计的目标和要求，并针对硬件可靠性方面的需求 对硬件系统设计可靠性理论进行了深入的研究，并依此对系统涉及的各个硬件功 能模块给出了设计方案和具体实现。 第四章介绍了电动汽车充电站监管系统的总体软件设计，设计并实现了整个 系统的网络通信协议及网络通信q o s 保障机制；对重要的业务流程，实现方案和 原理都进行了详细描述；阐述了基于有限状态机理论的软件系统实现方案 第五章对本文设计的系统进行了硬件电气性能及可靠性测试，并对系统软件 7 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 的功能和通信协议进行。了验证分析。 第六章对本文的研究工作和取得的成果进行总结，并提出该系统后续需要改 进之处，最后对电动汽车充电站监管系统的研究方向和应用前景进行展望 8 浙江大学硕士学位论文第2 章系统原理及技术基础 2 系统原理及技术基础 2 1电动汽车充电站构成 2 1 1 充电站建站模式 电动汽车充换电站是电动汽车发展所必须的基础设施。电动汽车的能源补给 模式主要有三种 ( 1 ) 快速( 直流) 充电：通过充电机直接对电动汽车上的电池进行充电， 充电电流大、速度快，通常1 个小时左右可以完成充电。但快速充电对电池寿命 影响很大 ( 2 ) 慢速( 交流) 充电：通过交流充电桩，并经由车载充电机进行充电。 充电电流小，充电速度慢，根据充电机容量的不同，通常需要6 - 1 2 个小时左右。 由于充电时间长，用户需要等待较长时间。同时，分散式的交流充电桩建设达到 一定的规模后，维护和管理难度会较大 ( 3 ) 快速更换：通过集中充电站对标准电池进行集中充电，并为电动汽车 用户提供快速更换服务，更换时间在5 - 8 分钟左右。集中充电、快速更换模式在 充电时间、设备管理、充电安全等方面具有明显的优势 根据上述充电站的3 种模式，本文可确定对应的三种充电站建设模式： 1 ) 模式1 充电站 模式1 充电站结构如图2 1 所示，该系统主要由充电站监控系统、充电机以 及集中监控中心构成，通过充电机以直流方式给汽车进行快速充电 9 浙江大学硕士擘位论文第2 幸系统原理及技术基础 主站系统 v 充电站监控系统 vv丫 l 充电机1充电机n配电装置 d c 千d c 千 丫v l 电动汽车 电动汽车 图2 1 直流充电建站模式 2 ) 模式2 充电站 模式2 充电站结构如图2 2 所示，该系统主要由充电站监控系统、充电桩以 及集中监控中心构成，通过交流充电桩给汽车进行慢速充电，电动汽车带车载充 电机。 至叠堕 i 充电桩2 a c ： i 电动汽车 充电桩n 1 a c 千 v 电动汽车 图2 2 交流充电建站模式 3 ) 模式3 充电站 模式3 充电站结构如图2 3 所示，该系统主要由集中监控中心、充电站监控 系统、集中充电架构成用以对大量电池进行集中式快速充电，以满足站内电池 更换或者电池配送的需要 1 0 字盘 浙江大学硕士擘位论文第2 章系统原理及技术基础 d cy d c d c 匾硼毫囵医两帝翟目医稀圃 图2 3 集中充电建站模式 2 1 2 电动汽车充换电站功能模块 一个完整的充电站一般需要以下几部分构成，如图2 4 所示： 图2 4 充电站功能模块 1 1 浙江大学硕士学位论文 第2 章系统原理及技术基础 ( 1 ) 配电系统 配电站包括给充电设备供电，其他站内设备供电，一般通过高压配电系统进 行供电 ( 2 ) 充电系统 充电系统包括交流充电桩、直流充电桩、电池集中充电架等充电设备。 ( 3 ) 放电系统 放电系统用于将电池中没有使用完全的电量释放出来，重新补入到供电电网 中，一则利于电池的使用寿命，二则为了充分利用电能 ( 4 ) 电池更换系统 用于给电动汽车用户进行电池更换，可采用自动化辅助设备来完成。 ( 5 ) 电池管理系统 用于电池的管理、维护、故障维修等处理工作 ( 6 ) 监控系统 监控系统不仅可用于对充电站各个设备运行状况进行检测，同时可接入视频 监控、环境监控等 2 2 电动汽车充电站监管系统总体设计 2 2 1 监管系统设计目标 目前，已建成的示范性充换电站往往依靠人工简单管理的方式，没有很好的 实现资产管理、计量计费管理以及客户档案管理等功能为了提高电动汽车充电 站的服务质量和运营管理水平，提高充电站的经济效益，必须研发具有高度自动 化、智能化、网络化的监管服务平台，能够有效、方便地监控分散布置的电动汽 车充电桩，提高充电桩运行可靠性，降低充电桩运行和维护成本，减轻监控中心负 担，保护电池和充电机，确保充电的安全 构建基于网络分布式充电桩监控系统平台是未来的一个发展趋势该系统主 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章系统原理及技术基础 一要功能有： 一 用于集中管理充电桩充电电能计量计费信息； 用于用户信息、充电记录、消费明细的查询和打印等； 用于提供良好的人机交互功能，方便用户操作使用； 用于采集并向监控中心上传充电桩运行状态信息，管理与保护充电过程； 用于对分散布置的充电桩信息进行集中采集并实现资产管理； 用于充电桩设备的远程管理和程序远程升级 2 2 2 监管系统架构设计 在前期调研和研究的基础上，本论文提出了电动汽车充电站联网监管系统的 总体设计方案整体系统由四部分组成( 见图2 5 ) ：电动汽车充电桩、电动汽车集 中控制器、车载电池管理系统( b m s ) 、后台监控中心。 ri 坦：啦蕾f反魄- f w -、 厂l 乜一? 1 毛l 乜料、 1c ni 披 奋 i l 一磊莩卜；学乡 妒 lm t t 卜一 蜒 数 一 讷 t 控 m 服务臀月 c a n d 缝 i l ji 娜 i ： i ：= ：兰卜 j 匠 从懈蝴 1 一、 c a 卜垃仁 e d 口懈 n 迥，1 啼 电p 一脚申南 曩 疆 j r - 呶 y 、一 、之， 、 卜r ，i v 咆功 舡危咆帆_- 州 。a n 姆*。 图2 5 充电站联网监管系统方案 1 ) 充电桩通过电动汽车充电桩，用户可自助刷充电卡( 预付费卡) 进行充电 消费、余额查询、消费明细查询等功能用户可根据显示屏指示选择充电模式： 包括按时问充电、按电量充电、按金额充电等，充电桩控制器可通过r s 4 8 5 接口 浙江大学硕士学位论文第2 章系统原理及技术基础 抄读电能表的电量信息，也可以按照内部的实时时钟，或者按照充电卡的余额数 据控制大电流充电回路，实现充电的自动停止充电桩通过c a n 总线采集车载电 池管理系统( b m s ) 的数据，实现对电池组的认证和监测。 2 ) 集中器充电桩集中控制器是针对电动汽车充电系统的本地工作站，通过 c a n 总线与充电桩相连，并通过有线网络或无线网络( g p r s c d m a 3 g ) 方式与主 站后台服务器相连。为了数据的安全，需要对电量计费和金额数据进行安全加密。 在整个充电管理系统中，集中器主要负责充电桩与主站之问命令的传输、充电数 据的采集和查询、充电交易数据的转发和存储等功能；可以远程升级集中器程序 以及充电桩程序 3 ) 电池管理系统n 7 1 电池管理系统( b m s ) 的主要功能是监控电池的工作状态 ( 电池的电压、电流和温度) 、预测动力电池的电池容量( s o c ) 和相应的剩余行驶 里程，进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之问电压严重不 平衡现象，最大限度地利用电池存储能力和延长循环使用寿命。 4 ) 充电服务管理平台主要有三个功能：资产管理、运营计费、综合查询。 资产管理对系统涉及到的基础设备数据进行集中式管理，如汽车信息、电池资产 信患、用户信息、充电设备信息；运营计费主要对用户充电进行计费管理，提供 运营支撑平台；综合查询指对管理及运营的数据进行查询分析 2 2 3 监管系统功能模块设计 2 1 3 1 人机交互功能 1 ) 充电服务 充电桩能显示各种充电模式，并进行充电服务；充电桩具有以下三种充电模 式： 模式1 ：定电量充电，即输入所需电量，充电桩开始充电直到达到电量设定值 模式2 ：定时间充电，即输入设定时间，充电桩开始充电直到达到时间设定值 模式3 ：自动( 充满为止) 充电，即选择自动充电，充电桩会开始充电直到电池 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章系统原理及技术基础 电量充满为止。一 2 ) 查询服务 使用普通卡能够在充电桩上查询用户账户内的剩余金额，剩余里程，消费明 细，充电桩能够显示用户最近一次充电的时间、金额( 普通卡) 、里程( 里程卡) 、 电量等信息； 3 ) 在充电过程中，充电桩显示屏显示充电桩编号、用户卡号、充电电压、充电 电流、已充电量、已充时间、充电模式等信息 4 ) 充电结束后，充电桩显示用户号、剩余金额( 里程) 、本次充电金额等信息。 2 1 3 2 计量功能 充电桩内部配置单相交流电能表，对交流充电桩输出电能量进行计量；支持 d l t 6 4 5 - 1 9 9 7 、d l t 6 4 5 - 2 0 0 7 电能表通信规约。 2 1 3 3 付费功能 充电桩配备i c 卡读卡装置，用户能够通过i c 卡刷卡方式，在充电桩完成充 电控制和计费功能 2 1 3 4 通讯功能 主站与集中器之间，通过c d m a g p r s 3 g 或者以太网方式传输数据集中器与 充电桩之间，通过c a n 总线传输数据，一台集中器支持多个充电桩( 不小于3 2 个) 2 i 3 5 自检功能 充电桩具备白检及故障报警功能：充电桩在工作过程中，若出现故障，充电 桩能及时作出故障报警动作；充电桩具有自检功能，自检程序能实时检测内部和 外部电路或通讯通道，确保充电桩可靠工作，当自检程序发现错误或故障时，能 立刻做出故障报警动作 2 1 3 6 远程升级功能 系统应该具有远程升级功能，可以及时迅速地对现场的充电桩进行程序升级 和系统维护，极大的减轻了维护工作的负担主要功能特点如下： ( 1 ) 可以通过主站的后台管理系统对指定一个或者多个充电桩、集中器进行程 浙江大学硕士学位论文第2 章系统原理及技术基础 序升级、参数设置等日常维护工作； ( 2 ) 集中器与主站之间的升级通过g p r s c d m a 有线网络方式通信； ( 3 ) 充电桩的程序升级通过集中器完成，两者间的通信使用c a n 总线； ( 4 ) 集中器对接在其总线下的每个充电桩进行程序版本和参数管理，对每次升 级的日志文件进行记录，并可向服务器提供日志文件，便于系统管理人员更好的 开展管理和维护工作 2 2 4 系统网络通信方案研究 2 2 4 i 远程网络通信方案设计研究 远程网络通信主要指充电站内的设备与监控中心后台的通信。在电动汽车充 电站系统建设过程中，站内会出现视频监控、结算、生产调度、刷卡机、0 a 办公 等多种需求，因此在通信方案的选择上需要考虑完整的通信系统，需要把传输网、 业务网等主要通信网络进行衔接与整合，为整个电动汽车服务提供更好、更便捷 的基础设施。 对于站内充电站的通信方式按接入方式可以分为两大模式：专网模式和公网 模式n 卯 a 公网方案 对于处于街头或各处停车场内的充电桩，由于布点多且比较分散，因此适合 租用公网的方式，可供选择的接入方式有g p r s 、c d m a 、w i m a x ，a d s l 宽带等 b 专网方案 根据客户内部网对网络安全的特殊要求，可采用专用v p n 形式入网：通过一 条专线接入电力系统内部网络，双方互联路由器之间采用私有i p 地址进行广域 连接，两者之问建立加密隧道为客户分配专用的v p n 账号，普通用户不能进入 该v p n ，只有专网用户才能进入该v p n 网络，防止其他非法用户的进入，用以保 1 6 浙江大学硕士学位论文第2 章系统原理及技术基础 证用户内部安全。终端和服务器平台之间采用端到端数据加密，避免信息在整个 传输过程中泄漏n 射 按接线方式可分为有线方式、无线方式： 有线方式带宽大、网络稳定、通信可靠；但布线成本较高，只能在有条件的 地方使用，比如大型的充换电站内 无线的方式带宽较小，网络的稳定性、可靠性相对较差，会受当地无线网络 信号质量的影响但现在的g p r s 网络已经比较成熟，具有“实时在线”、 “按 流量计费”、“快捷登陆”，“高速传输”、 “自动切换”等优点n 射但这种方 式不用专门布线，安装方便，适合于离散分布的小型站点使用 本文设计的方案要求同时支持两种网络方式，以便在安装使用过程中根据实 际情况做出选择。 2 2 4 2 站内网络通信方案设计研究 充电站内通信的特点是距离短，但受到到的干扰严重，对网络通信的可靠性 要求较高，因此充电桩与集中器之间通信方式可采用低成本的现场总线方式，如 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 等方式由于r s 2 3 2 串行数据通信的传输速率低，距离近， 传输信号容易受外围环境的影响，难以满足充电站现场大电流环境的对系统可靠 性的要求，更难满足多个充电桩数据并发时，短时间内传输大量数据的要求 r s 4 8 5 由r s 2 3 2 发展而来，总线信号采用差分方式发送和接收，通信结构简 单，抗干扰能力较强、传输可靠但r s 4 8 5 总线只支持半双工通信，只能构成主 从式结构网络，通信方式也只能采用集中器轮询的方式进行，也不能满足多个充 电桩数据并发时，在短时间内传输大量数据的要求，系统的可靠性、实时性较差 考虑到两者相互之问通信的可靠性，并发性等要求，这里采用c a n 总线作为 充电桩和集中器之间的本地通信网络c a n 可靠性已被工业控制领域认可，并在 工业自动化，船舶，汽车电子等领域得到广泛地应用1 2 0 1 2 1 c a n 总线相对于r s 4 8 5 1 7 浙江大学硕士学位论文 第2 幸系统原理及技术基础 总线存在以下几方面明显的优越性： 1 ) c a n 总线支持多主方式； 2 ) 抗干扰能力强、传输可靠； c a n 总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性；同时c a n 总线成本低，性价 比高正是因为这些优势，c a n 总线无疑是集中器和充电桩之间通信最理想的方 式 充电站整体网络方案 充电站整体网络系统架构如图2 6 所示，单个充电站内主要设备为集中器和 充电桩，一个集中器可以同时管理多个充电桩，桩和集中器之问通过c a n 总线通 信；集中器再通过计算机网络( g p r s c d m a 以太网) 连接至后台监控中心( 服务器) ； 后台监控中心可以支持大量的集中器和充电桩，对分散在各处的充电设备进行统 一的管理和监控，并对充换电业务实现很好的支撑 图2 6 充电站网络架构 1 8 浙江大学硕士学位论文第2 章系统原理及技术基础 2 3 系统开发关键技术研究