基于北斗互联的充电桩运维系统设计与实现

聂津 陈涵 郑蔚蔚

摘  要：在国家加快电动汽车充电基础设施的建设的大环境下，充电桩的建设呈现出爆发的态势。针对建设在人员稀少、环境偏僻的充电站，运维工作耗费大量时间人力与财力。运用北斗衛星系统安全可靠、全天候机制，不受任何台风、地质灾害等影响的优势，采用短报文一对一发送接收功能，实现充电桩运维系统远程控制。项目已在多地实施运用，在稳定性、安全性、标准化、分层管控上取得了传统充电桩运维系统无法比拟的优势。

关键词：北斗通信  北斗短报文  充电桩 电气控制

中图分类号：TN919    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（b）-0001-03

汽车作为人们出行的第一选择，也存在浪费能源、污染环境等缺点。在能源制约、环境污染的大背景下，新能源汽车发展势头强劲。面对着日益严重的环境问题，推广电动汽车减少排放是国家改善环境、节约资源的重要举措。中国已经连续3年成为全球新能源汽车推广量最大的国家，2017年我国新能源汽车全年累计总销量77.7万辆，截至2018年4月份，中国新能源汽车新增销售22.5万辆。随之，作为后勤保障充电系统的需求量也越来越高，国务院办公厅《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》中明确指出充电基础设施是为电动汽车提供电能补给的各类充换电设施，是新型的城市基础设施。大力推进充电基础设施建设，有利于解决电动汽车充电难题，是发展新能源汽车产业的重要保障，对于打造大众创业、万众创新和增加公共产品、公共服务“双引擎”，实现稳增长、调结构、惠民生具有重要意义。据统计，截至2018年4月份，全国报公共类充电桩仅有26.2万个，与指导意见中要求的设施比例有较大差距。围绕电动汽车充电需求，若要形成平均服务半径小于5km的充电网络，形成可持续发展的“充电基础设施”产业生态体系，在未来的几年内充电桩的建设需求量巨大。

1  充电桩运维系统研究及应用情况

近年来，国内外学者对充电桩的研究取得了较有价值的成果，在电动汽车交流充电桩控制系统设计一文中分析了电动汽车交流充电桩的系统结构和工作原理，实现了充电过程控制导引连接确认、识别充电接口传输最大电流和充电连接状态实时采集等功能[1]。在《电动汽车智能充电桩的设计和应用》一文中，结合软硬件要求给出了电动汽车智能充电桩的详细设计，该设备确保智能充电桩在充电过程中操作页面清晰，充电快速安全、计费准确，为用户带来良好的体验[2]。在《基于群系统一致性电动车充电桩接入微电网的控制研究》一文中，针对电动汽车快速充电和动力电池换电功率大造成变流器不均流问题提出群系统一致性策略对群充电桩进行协同控制[3]。在《一种新型电动汽车充电桩技术方案探讨》一文中，从充电桩架构的角度入手，分析充电桩的现状与存在的问题。定义充电桩的功能需求，设计新型电动汽车充电桩架构，同时也规划了新型架构下需要支持的标准体系[4]。在《一种新型电动汽车充电桩控制系统设计与应用》一文中，针对充电桩推广过程中通信方式不兼容问题，设计一种新型电动汽车充电桩控制系统[5]。从系列文献中可知，目前成熟的充电桩运行模式，数据通信主要通过有线网络、4G网络或WiFi实现，主要存在的问题有：（1）在面向小区、地下停车场、偏远地区等复杂环境下数据通信不兼容、通信设备成本高、用户体验不佳等问题。（2）充电设施大都安装在人员稀少、潮湿多尘，户外或半户外的地方，环境相对较恶劣，通信的接入很不稳定。（3）各充电厂家、型号复杂不一，没有形成完善和统一的标准。（4）大部分故障均需人工到现场重启设备，效率低。（5）主要通信芯片或系统为国外知识产权，无法保证设备使用及数据传输的绝对安全。据统计，71%的轻微故障和离线问题可通过设备重启解决，当前均采用人工现场处理，耗费大量时间及相关抢修资源，如果能设计使用一种稳定性高且安全性强的通信解决方案，通过系统远程控制充电设施，即可解决上述的大量轻微问题。

2  基于北斗技术在充电桩运维系统的设计

为解决远程稳定通信问题，一是可采用光纤通信;二是可采用北斗卫星;三是使用4G网络。光纤在高速公路网络敷设施工难度大，投资高;4G通信在边远地区及异常环境条件下不稳定，而采用北斗卫星可有效解决光纤通信投资大及4G通信不稳定的问题。如表1所示，从功能性、安全性、建设周期、投资规模、信号稳定、备用可靠等方面分析了3种通信技术在充电桩运维通信使用中的优缺点，可以看出运用北斗技术的充电桩运维通信在各方面均有较高优势。

2.1 北斗短报文技术

北斗短报文通讯可为用户机与用户机、用户机与地面中心站之间提供每次最多120个汉字或1680比特的短报文通讯服务。每个用户机都有唯一的一个ID号，并采用1户1密的加密方式，通讯均需经过地面中心站转发。其基本流程如下。

（1）短报文发送方首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请信号加密后通过卫星转发入站。

（2）地面中心站接收到通讯申请信号后，经解密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户。

（3）接收方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通讯。与定位功能相似，短报文通讯的传输时延约0.5s，通讯的最高频度也是1次/s。

2.2 基于北斗短报文的充电桩运维电气控制系统

如图1所示，基于北斗短报文的充电桩运维电气控制保障充电设施的良好运转，有效解决避免光纤通信施工难度大、投资高的问题。充电桩监控对充电桩的实时监控和预警功能;充电桩返回工作状态是对在充电设施上加装远程维护控制模块，后台监控端制动匹配判断故障设备是否恢复。

与传统充电桩运维电气控制系统相比基于北斗短报文的充电桩运维电气控制系统有以下几大优势。

（1）传统通信受通信距离的限制，需有基站;而北斗双向通信无通信距离的限制，无需中继。

（2）传统通信易受环境、天气影响，气候恶劣的情况下通信状况较差;而北斗双向通信是全天候的，不受环境和天气的影响。

（3）传统通信均采用公用和开放的信道进行数据传输，无法保证数据的安全性;而北斗双向通信是独立的数据传输通道，数据安全性有保障。

（4）传统通信的数据采用自定义的传输机制，无规范性;而北斗双向通信一开始就规定了标准的北斗协议，保证了传输机制的高可靠性。

3  基于北斗技术在充电桩运维系统的软硬件实现

3.1 基于北斗技术充电模组硬件设计

硬件电路主要由控制器、充电机控制接口、WiFi模块等部分组成，硬件电路结构如图2所示。为了增强系统的稳定性，控制器和充电机接口通过CAN总线通信，WiFi模块和主控MCUT直接相连，控制器采用STM32处理器，功能强大，可通过APP客服端实现固件升级。充电机控制接口为充电机和控制器信息交换窗口，接收控制器控制指令返回充电状态信息。

3.2 基于北斗技术充电模组软件

如图3所示，给出了基于北斗技术充电模组软件流程，其中控制模块通过内置低功耗的电流传感器判断故障充电设施是否在充电状态，在非充电状态下，监控人员可通过系统下发指令对TCU进行远程重启，同时控制模块可在规定时间内返回TCU设备通电状态，结合系统的实时监测功能，后台监控系统可判断故障设备是否恢复，运维服务平台实现对于出现的问题及时进行相应和处理，保证系统的稳定运行。

4  基于北斗技术在充电桩运维系统的实施

该项目已应用于国网公司在福建省的智能充电桩项目。按照国网公司相关规定，充电设施发生离线、故障需抢修人員45min到场处理，时间紧迫。并且福建高速充电设施多，路途远，抢修人员按时到场处理压力大且经常高速行车，特别是夜间及不良气候抢修，安全风险大。基于北斗技术在充电桩运维系统充分利用北斗卫星系统安全可靠、全天候，不受任何台风，地质灾害等影响的优势，采用其特有的短报文采用一对一发送接收功能，可实现远程操作。如图4所示，项目在充电设施上加装控制监控设备，可监控充电设施状态，并将状态传回指挥中心。车联网平台同步监控到离线或故障时，若需对设备进行重启，可由指挥中心远程下达指令对充电设施进行重启，重启成功后可监控并返回设备状态。这样就可全面替代人员到场处理普通故障。在处理无效情况下再安排人员到场处理。

5  结语

由于北斗卫星通信的安全可靠特性，基于北斗卫星的智能充电设施运维系统，可以在电动汽车充电行业全面推广，大大加强了充电设施运维的智能化，应用前景十分广阔。主要优势包括以下几个方面。

（1）促进各充电桩厂家加快形成统一的维护通信技术规范和远程维护通信标准。

（2）北斗卫星通信不受环境气候、地理位置限制，同时是国家战略，在2020后北斗三代组网成功，北斗的带宽和速度都大幅度提升，那么将使得充电设施的北斗运维更加智能化，精确运维。

（3）智能充电设施运维系统，实时监控充电桩状态，可在云端与电动汽车互联互通，扩展基于北斗卫星的物联网应用。

参考文献

[1] 徐坤，周子昂，吴定允，等.电动汽车交流充电桩控制系统设计[J].河南科技大学学报：自然科学版，2016，37（3）：47-52.

[2] 李占锋，王亚平.电动汽车智能充电桩的设计和应用[J].微型电脑应用，2018，34（6）：65-67.

[3] 柴万腾，程志江，李永东，等.基于群系统一致性电动车充电桩接入微电网的控制研究[J].可再生能源，2018，36（6）：882-887.

[4] 李洪峰，李红霞，陈志刚，等.一种新型电动汽车充电桩技术方案探讨[J].电力系统保护与控制，2017，45（6）：142-147.

[5] 杨涛，程耕国，程骅，等.一种新型电动汽车充电桩控制系统设计与应用[J].现代电子技术，2017，40（15）：179-182.