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(dòng)汽車(chē)充電站總線(xiàn)通信問(wèn)題，設計了一種基于塑料光纖( POF，Polymer Optical Fiber) 通 信總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)充電樁/站監控系統。研究了塑料光纖傳輸介質(zhì)的通信特性，開(kāi)發(fā)了POF與CAN 總線(xiàn)的 POF-CAN 轉換模塊。結合電動(dòng)汽車(chē)充電站裝置應用，設計了相應的硬件系統、嵌入式軟件和 POFCAN 系統應用層協(xié)議。在實(shí)驗室環(huán)境下搭建虛擬充電站測試平臺進(jìn)行驗證實(shí)驗，結果表明該系統能夠滿(mǎn)足對實(shí)時(shí)性、可靠性的要求，且具有抗電磁干擾、施工維護靈活經(jīng)濟的特點(diǎn)，為提高電動(dòng)汽車(chē)充電站監控系統的可靠性和抗干擾性提供了一種新的解決方案。

關(guān)鍵詞: 塑料光纖; CAN 總線(xiàn); 數據監測; 充電站; 電動(dòng)汽車(chē)

0引言

充電樁/站為電動(dòng)汽車(chē)提供續航保障，是電動(dòng)汽車(chē) 發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈上的重要環(huán)節。充電站內的監測管理系統 是運營(yíng)商實(shí)現自動(dòng)化管理的途經(jīng)。充電站建設具有控 制點(diǎn)面多、面廣和數量分散的特點(diǎn)。綜合考慮電動(dòng)汽 車(chē)充電樁( 站) 的設計方案通信傳輸的可靠性、經(jīng)濟 性、靈活性等方面開(kāi)展研究與設計具有重要價(jià)值與意義。

對于電動(dòng)汽車(chē)充電站監測系統，目前已有較多已公開(kāi)的研究成果。文獻［1］提出一種基于無(wú)線(xiàn)通信和云存儲的充電樁管理系統，其優(yōu)點(diǎn)在于靈活便捷、易于維護，但未對電網(wǎng)中的負載波動(dòng)與諧波干擾對通信可靠性造成的影響進(jìn)行分析; 文獻［2］提出使用 CAN 總線(xiàn)的智能充電樁監測與控制通用系統; 文獻［3］提出一種基于 ＲS485 串行總線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)充電站配電監控系統，均采用了傳統的銅類(lèi)介質(zhì)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(lèi)介質(zhì)在現場(chǎng)布線(xiàn)時(shí)，由于要考慮多節點(diǎn)共地的問(wèn)題，后期維護成本高，經(jīng)濟性較差。

與傳統光纖相比，塑料光纖是一種以高分子聚合 物材料為傳導介質(zhì)的導光材料［4］，適于在空間狹窄區域布線(xiàn)，架設成本低。POF 具有線(xiàn)徑細、易彎折( 彎折半徑在 30 mm 內) 的特點(diǎn)，具有很好的走線(xiàn)靈活性。 同時(shí)，考慮到充電站內大功率電能變換設備產(chǎn)生的電磁噪聲可能對通信系統造成影響［5 － 6］，而 POF 傳輸的是光信號而非電流信號，可以從原理上避免外部環(huán)境 對傳輸線(xiàn)路的電磁干擾。

本文針對 POF 的傳輸特性進(jìn)行了實(shí)驗測試，進(jìn)一步論證了 POF 在短距離通信系統中的適用性和成為 電動(dòng)汽車(chē)充電站監測系統傳輸媒質(zhì)的可能性。并根據POF的物理層傳輸特點(diǎn)，結合 CAN2.0協(xié)議，開(kāi)發(fā)了 POF-CAN 轉換模塊，設計了一種基于塑料光纖通信總 線(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)充電樁/站監控系統。

1 POF 傳輸特性研究

在以雙絞線(xiàn)為傳輸介質(zhì)的 CAN 總線(xiàn)通信系統中， 為了抑制電氣系統中的共模干擾，需要通過(guò)專(zhuān)門(mén)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(jìn)行傳輸。而在以 POF 作為傳輸介質(zhì)的通信系統中，則不需要考慮共模干擾的問(wèn)題。

在 CAN2.0 規范中，只針對物理信號子層進(jìn)行定 義，并沒(méi)有針對物理層驅動(dòng)/接收器特性的相關(guān)規定， 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(jìn)行優(yōu)化。為了滿(mǎn)足 CAN 協(xié)議的上層設計規范，必 須針對 POF 的物理層傳輸特點(diǎn)進(jìn)行研究。

根據 POF 在不同波長(cháng)下的衰減率變化曲線(xiàn)，從而決定 POF 總線(xiàn)的傳輸、轉換器件的工作波長(cháng)。采用截斷法通過(guò)光檢測器進(jìn)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(jìn)一步精確測得在可見(jiàn)光波長(cháng)范圍內 PMMA-POF 在 500 nm、570 nm 和 650 nm 處的 3 個(gè)低損耗窗口，詳細參數如表 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(cháng)的紅光波段作為時(shí)分復用的 POF-CAN

圖 1 PMMA-POF 傳輸特性曲線(xiàn)

總線(xiàn)工作波長(cháng)。對以 POF-CAN 為傳輸方式的單節點(diǎn) 而言，發(fā)送信息時(shí)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(dòng) POF 專(zhuān)用的光電發(fā)送器模塊實(shí)現電信號到 650 nm 波長(cháng)光信號的轉換。在接收信息時(shí)，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(guò)設計專(zhuān)門(mén)的接口電路實(shí)現 POF-CAN 組網(wǎng)連接。

2 POF-CAN 驅動(dòng)/接收器開(kāi)發(fā)

在環(huán)形光纖 CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，不同節點(diǎn)之間通過(guò)光纖單環(huán)網(wǎng)通信，設備和節點(diǎn)之間通過(guò) CAN 控制器通信。CAN 控制器與總線(xiàn)之間采用邏輯控制單元( Logic Control Unit，LCU) 替代傳統的 CAN 總線(xiàn)收發(fā)器，能消除環(huán)形光纖 CAN 網(wǎng)絡(luò )的阻塞問(wèn)題［8］。在環(huán)網(wǎng)拓撲結構中，當節點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，CAN 控 制 器 發(fā) 出 的TTL 電平通過(guò)接口電路到達光信號發(fā)送端，信號沿光纖環(huán)網(wǎng)傳輸一周后回到源節點(diǎn)光信號接收器，并由CAN 控制器的數據接收端接收數據。此時(shí)，POF-CAN接口電路需要將接收數據與發(fā)送數據通過(guò) LCU 進(jìn)行比對，判斷接收到的數據是否由該本點(diǎn)發(fā)出，進(jìn)而決定是否中斷數據流。根據邏輯控制單元結構設計，當電路的設計時(shí)延 Tdelay滿(mǎn)足如下關(guān)系時(shí)，發(fā)送狀態(tài)下的節· 911 · 基于 POF-CAN 通信總線(xiàn)的充電樁/站監測系統的設計點(diǎn)可以剔除環(huán)回的發(fā)送報文:

                  Tbit ＞ Tdelay ＞ Tring                       ( 1)

式中，Tbit為位時(shí)延，其值取決于通信傳輸的波特率; Tring為環(huán)網(wǎng)時(shí)延，即信號傳輸一周回到源節點(diǎn)的時(shí)間?？紤]到光在傳輸介質(zhì)中的傳輸時(shí)間遠小于光電收發(fā)器的轉換時(shí)延，因此在計算 Tring時(shí)忽略 POF 線(xiàn)路中的傳輸時(shí)延，僅考慮器件光電轉換的時(shí)延。則環(huán)網(wǎng)最大傳輸時(shí)延的估計值為與器件參數和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數有關(guān)的函數:

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

式中，n 為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數; tProDly-LH為信號低電平 － 高電平的光電轉換時(shí)延; tProDly-HL為信號高電平 － 低電平的光電轉換時(shí)延。tProDly-LH和 tProDly-HL均由器件參數決定，可

通過(guò)實(shí)驗測得。

采用 650 nm DC-5MBd 的 FT05MHNＲ /FＲ05MHIＲ收發(fā)器，具備總線(xiàn)逐位仲裁和環(huán)網(wǎng)邏輯控制功能的POF-CAN 驅動(dòng)/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(dòng)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(dòng)電流，通過(guò)調節串聯(lián)電阻 Ｒ28的大小可以對驅動(dòng)電流進(jìn)行設置，當阻值為 51 Ω 時(shí)，驅動(dòng)電流約為 60 mA。時(shí)延模塊由一個(gè) LC 延時(shí)電路構成，LC 電路的參數決定了Tdelay，因此需要綜合考慮位時(shí)延 Tbit和環(huán)網(wǎng)時(shí)延 Tring來(lái)確定。由于 FＲ05MHIＲ 光接收器具有反相特性，因此在 LCU 與電流驅動(dòng)之間加入非門(mén)，采用了反相的光發(fā)射電路。

3 充電樁嵌入式軟件開(kāi)發(fā)

充電樁在硬件結構上，主要由微控制器、射頻讀寫(xiě)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(hù)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(guò) 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(xiě)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(shí)現頁(yè)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(shí)現付款碼的錄入功能。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)數據。

圖 3 基于 POF-CAN 通信的監測裝置硬件結構圖

同時(shí)，微控制器通過(guò) CAN 接口接入 CAN-POF 總線(xiàn)，實(shí)現與監測主站的數據交互。嵌入式軟件運行流程如圖 4 所示。

下位機軟件采用多線(xiàn)程方式運行，以中斷為主要程序驅動(dòng)方式。對于定時(shí)完成的任務(wù)，由微控制器內部的時(shí)鐘中斷請求完成。時(shí)鐘中斷主要包括定時(shí)獲取傳感器數據、定時(shí)上傳系統運行數據等。外部中斷主要為用戶(hù)操作請求，如屏幕二維碼掃描完成、用戶(hù)刷卡操作或其他命令輸入等，對于不同的中斷，軟件執行不同任務(wù)。對于外部中斷，系統判斷中斷類(lèi)型后執行任務(wù)。

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(dòng)汽車(chē)充電站的通信需求，須制定系統CAN 應用層協(xié)議。具體傳輸信息包括用戶(hù)車(chē)輛信息( 用戶(hù)身份、車(chē)牌、賬戶(hù)信息) 、電動(dòng)汽車(chē)電池型號、充電方式、充電時(shí)間( 包括預計結束時(shí)間) 、充電電量等。

4.1 充電樁節點(diǎn)報文

在大型充電站的應用場(chǎng)景下，需要實(shí)現對所有充電樁與用戶(hù)數據的管理。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(jìn)行監控，上位機通過(guò)圖表等方式將數據展示給工作人員，并生成故障日志; 其次，對于用戶(hù)操作，下位機應能夠實(shí)時(shí)地將數據傳送給上位機，并由上位機請求服務(wù)器數據，完成對用戶(hù)操作的實(shí)時(shí)響應［9］，并上傳主站。監測系統通信從站報文格式如圖 5 所示。

圖 5 充電樁節點(diǎn)報文幀格式

CAN 總線(xiàn)的數據幀最多為 8 個(gè)字節，所以采用多幀發(fā)送模式進(jìn)行傳輸，將從站的報文分為 3個(gè)數據幀進(jìn)行傳輸。

4.2 監測主站報文

監測主站的報文主要是數據信息。數據信息主要為用戶(hù)數據，包括用戶(hù)編號、當前可用余額、用戶(hù)充電時(shí)間、地點(diǎn)等。上位機需要將數據上報給服務(wù)器或云端，方便用戶(hù)或管理員查看。為了方便云端對充電樁進(jìn)行統一管理，每一個(gè)充電樁是否正在被使用的信息都需要上傳至云端，用戶(hù)通過(guò)手機即可查看附近的可用充電樁并進(jìn)行預約。

5 實(shí)驗驗證

為了科學(xué)地驗證 POF-CAN 總線(xiàn)能夠滿(mǎn)足系統通信實(shí)時(shí)可靠的性能要求，在南網(wǎng)電科院及中電電力實(shí)驗室構建了包含主從站的虛擬充電站系統，對通信傳輸的可靠性與 CAN 應用層協(xié)議制定的正確性和有效性進(jìn)行了驗證實(shí)驗。在虛擬充電站系統中，虛擬主站通過(guò) POF-USB 通信接口與 POF-CAN 環(huán)網(wǎng)實(shí)現組網(wǎng)通信，監測了 3 個(gè)虛擬從站節點(diǎn)的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)。虛擬從站節點(diǎn)( 基于 AＲM 微控制器實(shí)現) 模擬充電樁，監測了系統運行過(guò)程中的用戶(hù)預約啟動(dòng)、用戶(hù)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(shí)模擬了實(shí)際監測系統運行中的數據傳輸過(guò)程，實(shí)現了監測主站和充電樁/站報文數據的交互，包括電量監測、數據采集、IC 卡交互等信息。溫濕度實(shí)驗中采用 ESS-1000L 控溫控濕箱。

溫度的選取點(diǎn)為 － 10 ℃、－ 5 ℃、5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、 25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃。濕度的選取點(diǎn)為 10% ＲH、25% ＲH、40% ＲH、55% ＲH、70% ＲH、85% ＲH、95% ＲH。

交流磁場(chǎng)采用 MFAC-001 型多功能磁場(chǎng)測試儀、MFA-101A 磁場(chǎng)天線(xiàn)。交流磁場(chǎng)場(chǎng)強依次為 0． 36 mT、0． 5 mT、0． 63 mT。恒定磁場(chǎng)采用尺寸為 50 mm × 50 mm × 50 mm 的 300 mT 磁鐵。

射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗中，采用 EMC-ＲC 測試系統，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 系統現場(chǎng)。

圖 6 EMC-ＲC 系統現場(chǎng)

無(wú)線(xiàn)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(jìn)行 360°旋轉。同時(shí)，測量天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電傳導騷擾限制試驗信號。

圖 7 無(wú)線(xiàn)電傳導騷擾限制試驗信號

上述各項實(shí)驗中，通信成功率均達到* 。

6 安科瑞交直流電動(dòng)汽車(chē)充電樁運營(yíng)收費管理解決方案

6.1概述

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警；用戶(hù)通過(guò)微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)程。

充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數據交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能，包括財務(wù)管理、變壓器監控和運營(yíng)分析等功能。

6.2應用場(chǎng)所

（一）商場(chǎng)、小區等物業(yè)環(huán)境；

（二）學(xué)校，醫院等公建；

（三）各類(lèi)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(hù)檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測

（二）交易結算

充電價(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表

（三）用戶(hù)管理

用戶(hù)注冊，用戶(hù)登錄，用戶(hù)帳戶(hù)管理，消息管理

（四）充電服務(wù)

充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線(xiàn)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）數據服務(wù)

數據采集，短信提醒，數據存儲和解析

（七）變壓器監控

監控充電站變壓器負荷，超負荷時(shí)對充電樁的調度管理

6.5平臺硬件配置

平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買(mǎi)，或者客戶(hù)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(hù)自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據充電槍點(diǎn)數的不同，分別如下：

6.6推薦現場(chǎng)汽車(chē)充電樁配置

7 結束語(yǔ)

   由于 POF 具有優(yōu)良的物理特性，采用 POF-CAN總線(xiàn)的充電站監測系統能夠提高現場(chǎng)布線(xiàn)、安裝的靈活性，同時(shí)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。這一結構以現場(chǎng)服務(wù)器為核心，能有效地對充電樁進(jìn)行數據管理與運行控制。在實(shí)驗室環(huán)境下搭建的虛擬充電樁/站實(shí)驗平臺上進(jìn)行測試，結果表明 POF-CAN 總線(xiàn)能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)充電站通信系統可靠性和實(shí)時(shí)性的要求。

   在進(jìn)一步實(shí)際應用過(guò)程中，根據電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)和充電站運營(yíng)商更豐富的功能需求，對通信協(xié)議和上下位機進(jìn)行功能擴展，能夠實(shí)現更多樣化的數據傳輸。

參考文獻：

[1]楊晶.電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計[J].電子技術(shù)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(xiàn)的充電樁 /站監測系統的設計

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06月版.

[4]智能電網(wǎng)用戶(hù)端電力監控/電能管理/電氣產(chǎn)品報價(jià)手冊.2020.06月版.

作者簡(jiǎn)介：李婧婧,女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事汽車(chē)充電樁的研發(fā)和應用。