新型电动汽车充电桩控制系统设计及应用研究

李 玲

(江苏省盐城技师学院，江苏 盐城 224000)

为了改善传统电动汽车充电桩控制系统存在的不足，提出以蓝牙作为通信工具，设计新的控制系统。

1 系统总体设计

1.1 系统总体框架结构设计

本系统主要由3部分组成，分别是充电桩控制模块、云服务器、用户APP客服端，结构如图1所示。

图1 系统总体框架结构Fig.1 Overall framework structure of the system

1.2 系统网络通信设计

在传统充电桩控制系统的基础上，改进网络通信体系，选取蓝牙作为充电桩与用户手机之间的通信工具，以此满足复杂环境下的通信需求。地下室车库等环境中，用户打开手机蓝牙，向充电桩发送充电命令，实现电动汽车充电控制。对于充电相关数据、业务请求等，在网络环境中，用户手机将自动向服务器发送信息，经过4G/5G/wifi，创建服务器与移动终端之间的通信。与此同时，服务器与充电桩管控中心计算机之间利用wifi/光纤进行通信，服务器与用户手机之间则选取4G/5G/wifi作为通信渠道。

1.3 数据加密与解密设计

系统中的蓝牙通信作业需要用户登陆充电桩APP，通过登陆客服端，从客服端扫描充电桩二维码，或采用手动识别的方式，将充电桩的设备号输入客服端，从而创建蓝牙通信连接。当充电连接请求发送至服务器后，得到蓝牙密钥[1]。采用混合加密算法，对蓝牙通信数据进行加密处理，从而提高蓝牙通信安全性。关于数据加密与解密设计，通过RSA加密与解密、RC4加密与解密，创建蓝牙通信安全体系。其中，数据加密设计利用RSA对RC4秘匙加密，生成RC4秘匙；利用RC4对数据信息加密，生成加密原文。将加密原文与RC4秘匙融合到一起，形成复合信息，通过蓝牙得以发送，数据接收端对数据进行解密。关于数据解密设计，将复合信息拆分为加密秘匙、加密原文，前者利用RSA解密，生成RC4秘匙，后者利用RC4解密，生成数据信息。用户或充电桩获取RC4秘匙、数据信息后，按照充电请求开始作业，同时向用户展示充电桩作业状态信息。

如果不法分子窃取通信数据，由于没有拿到RC4秘匙，无法获取正确的充电桩控制及消费等信息，不会给用户使用安全带来威胁。

2 充电桩控制电路与程序开发流程设计

2.1 控制电路硬件框架结构设计

选取STM32F407ZET6作为处理器，利用E2PROM、蓝牙模块、充电机控制接口、控制器，搭建系统控制电路。如图2所示为系统硬件电路框架结构设计方案。

图2 系统硬件电路框架结构设计Fig.2 Design of system hardware circuit frame structure

该设计方案采用CAN总线通信，为充电机接口与控制器之间创建通信连接。将型号为TJA1050收发器连接在系统控制电路中，实现充电桩控制信号的接收与充电作业状态的发送。控制电路各个模块之间的通信设计采用串口通信方式，创建核心控制器的串口2与蓝牙模块之间的通信；采用I2C通信模式，创建I/O口与E2PROM之间的通信。

本控制电路选取核心处理器STM32F407ZET6支持串口IAP，处理功能较为强大，根据充电桩控制需求，通过APP客服端升级固件。控制器与充电机之间的通信，利用充电机控制接口交换信息，设置J1939为通信协议。按照此通信协议，编辑信息报文，实现各个访问端口之间数据的发送与接收。关于蓝牙模块的设计，选取低功耗型号NRF51822作为蓝牙通信工具，通过发送串口AT指令，完成蓝牙通信。目前，蓝牙通信模块运行较为稳定，可以作为本系统通信工具。另外，电路中的E2PROM作为信息存储工具，除了记录充电桩输出信息、用户信息以外，还可以用来记录充电桩故障日志。由于该模块具有较好的容错能力，且掉电后信息不容易丢失，所以可以为系统控制数据的记录提供保障。

2.2 充电桩控制程序开发流程设计

充电桩控制程序开发选取μC/OS-ⅡV2.91软件，按照优先级不同，先后执行充电控制命令。其中，优先级的设计设定了5个控制命令层级：用户APP向充电机发送汽车充电控制命令，此任务的优先级最高；充电控制系统异常检测，同时检测看门狗情况，该任务是对系统整体状况进行检验，从而降低系统故障问题发生频率；查询充电机作业产生的数据，并对这些数据加以处理；查询蓝牙模块数据，并对这些数据加以处理；向蓝牙通信模块发送数据任务。

按照上述顺序执行充电控制命令，为了有效控制充电机的启/停，将开启/停止充电控制命令的执行设置为最高优先级，超出上述最高层级运行顺序。如果发现充电桩作业发生异常，则立即停止该装置作业。本系统为用户设置了3种充电控制模式，分别是定时充电、定量充电、自动充电(直至汽车电池充满)。其中，定时充电在地下车库应用，图3所示为定时充电控制程序主要流程。

图3 充电桩控制程序开发流程Fig.3 Development process of charging pile control program

第一步：读取充电控制信息，判断当前用户下达充电控制模式；第二步：从所有控制信息中识别定时充电控制命令；第三步：判断当前充电枪是否连接，如果连接成功，则执行第四步，反之则返回第一步并检验充电枪连接操作是否执行；第四步：向充电桩发送充电指令；第五步：锁定当前为汽车充电的充电枪；第六步：开启充电机作业模式，为汽车充电，该过程支持强行停止充电控制，如果发现充电机发生异常故障，系统将记录相关信息，并跳转至第十步；第七步：判断汽车电池当前是否处于充满状态，如果达到了充满状态，则执行第十步，反之，则执行第八步；第八步：系统向蓝牙模块发送消息，利用该模块返回充电控制时间信息；第九步：对比蓝牙模块返回的充电控制时间与预设的充电时间是否相符，如果相符，则执行第十步，反之，返回第六步；第十步：充电机的充电作业状态切换到停止充电状态；第十一步：结算本次充电费用，向用户发送金额消息；第十二步：解除充电枪。

3 用户APP服务端设计

用户APP服务端主要用于处理信息，并搭建用户与服务器、用户与控制电路之间的通信连接，起到人机交互作用。按照系统开发功能需求，将用户APP服务端拆分为8个功能模块。一是用户个人信息管理。用户按照APP使用要求，注册个人信息。完成注册后，系统将对用户的个人信息加以保护，避免信息泄露。二是充电桩搜索。每一个充电桩都有唯一的标识身份，用户通过扫码或直接输入标识号码，搜索到充电桩，如果该充电桩处于空闲状态，则可以为用户提供充电服务。三是人机交互。在APP操作界面为用户提供充电桩操作信息查询服务，也可以在此界面发送充电控制命令。四是智能预约排队充电。本系统设置了预约排队功能，按照设定的充电时间开始排队，用户不需要到达现场，等待充电机空闲时，可以自动连接充电枪，为该用户电动汽车充电。五是充电桩故障日志发送。APP接收到充电桩故障消息后，立即在消息界面通知用户。六是充电模式选取。本系统支持3种充电模式，根据用户需求选择相应的充电模式即可。七是账单支付。完成一次充电后，系统自动计算本次充电需要支付的费用，用户可以根据需求选择支付方式，通过APP客服端完成支付。八是用户反馈。设计用户反馈功能模块，用户在互动平台可以将问题反馈给管控中心，通过服务器将此消息发送给管控中心计算机。

4 云服务器设计

云服务器主要由平台软件、大型信息存储模块、计算机等组成。根据系统控制需求开发3项功能，作为APP客服端、现场控制终端作业辅助工具。

数据处理。为了满足多级客户的充电需求，云服务器模块增加了数据处理功能，由后台管理员与计算机自动处理模块共同完成数据加工与处理，以提高充电服务管控效率，降低多用户充电命令并发问题的发生频率，缓解数据库与服务器的作业压力。

数据分析。采用数据挖掘技术，对充电控制的海量数据加以分析。通过应用深度数据挖掘算法，获取充电地点、充电时间、充电模式选取等信息，将其作为数据后台接口创建的依据。按照层级服务标准，排列充电服务先后顺序，并为用户展示服务信息。

资源共享。借助互联网平台创建一个资源共享模块，按照资源类型不同，将其拆分为多个资源板块，用户可以通过访问资源共享板块，从众多资源板块中找到自己所需的资源信息，实现资源共享。

5 系统应用测试分析

5.1 系统应用测试内容与方法

按照系统架构设计方法搭建系统，对充电桩的服务情况进行测试。应用测试以预约充电服务为例，对充电桩是否能够按照设定的参数标准作业进行测试，并观察系统是否可以按照预约充电先后顺序为用户提供充电服务。当充电桩结束对汽车的充电服务后，转为空闲状态，此时为下一个等待用户提供充电服务，通过蓝牙连接，将该充电桩的充电枪与此用户的电动汽车充电接口连接，为其提供充电服务。观察充电桩是否按照用户预约充电的先后顺序对汽车进行充电，记录充电先后顺序、开始充电时间、蓝牙是否成功连接、充电枪是否连接、是否按照要求充电、前方排队情况、预约充电时间等相关数据信息。

5.2 系统应用测试结果分析

按照系统测试内容与方法搭建系统架构，对系统的充电桩服务功能进行测试。表1所示为充电桩服务功能测试结果。

表1 充电桩服务功能应用测试结果Tab.1 Test results of charging pile service function application

表1中，本系统能够有序控制充电桩为用户提供电动汽车充电服务，按照预约先后顺序安排充电，能够根据设定的充电服务要求为电动汽车按时充电/某时段充电。测试中，5台电动汽车用户的蓝牙设备均得以连接，待前方排队数量为0时，能够为当前排在第一位的汽车提供充电服务，成功连接充电枪开始充电。从用户反馈的充电效果来看，本系统能够按照用户设定的充电服务需求为其汽车充电。