新型电动汽车充电桩控制系统设计及应用研究
（江苏省盐城技师学院，江苏盐城，224000）
摘要：电动汽车作为环境保护发展产物之一，充分利用电能资源为汽车行驶提供动力，在很大程度上降低了汽车尾气排放对环境造成的污染。随着市场需求量的增加，电动汽车数量越来越多，因而加大了对充电桩建设要求。由于当前建设的充电桩存在通信设备建设成本偏高、数据通信不兼容等问题，不适合在地下车库等复杂环境中应用，所以需要重点研究充电桩控制系统的数据通信不兼容问题，同时提升用户体验评价。为了优化充电桩控制系统，选取STM32F407ZET6作为处理器，将充电桩控制模块、云服务器、用户APP客服端组合到一起，开发新的系统方案。该系统通过蓝牙建立用户手机与充电桩之间的通信，利用4G/5G/wifi，创建服务器与移动终端之间的通信，通过4G/5G/wifi作为通信渠道，建立服务器与用户手机之间的通信。系统应用测试结果显示，本系统能够通过蓝牙连接，将该充电桩的充电枪与此用户的电动汽车充电接口连接，按照预约先后顺序安排充电，可以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。所以，该系统可以作为电动汽车充电桩控制工具。
关键词：蓝牙；充电桩；电动汽车
Design and application of new electric vehicle charging pile control system
Li Ling
Abstract: as one of the development products of environmental protection, electric vehicles make full use of electric energy resources to provide power for vehicle driving, and reduce the environmental pollution caused by vehicle exhaust emission to a great extent. With the increase of market demand, the number of electric vehicles is increasing, which increases the requirements for the construction of charging piles. Due to the problems of high construction cost of communication equipment and incompatibility of data communication in the current charging pile, it is not suitable for application in complex environments such as underground garage. Therefore, it is necessary to focus on the incompatibility of data communication in the charging pile control system and improve the evaluation of user experience. In order to optimize the charging point control system, stm32f407zet6 is selected as the processor to combine the charging point control module, cloud server and user app customer service terminal to develop a new system scheme. The system establishes the communication between the user’s mobile phone and the charging pile through Bluetooth, uses 4G / 5G / WiFi to create the communication between the server and the mobile terminal, and uses 4G / 5G / WiFi as the communication channel to establish the communication between the server and the user’s mobile phone. The system application test results show that the system can connect the charging gun of the charging pile with the user’s electric vehicle charging interface through Bluetooth connection, arrange the charging according to the reservation order, and charge the electric vehicle on time / in a certain period of time according to the set charging service requirements. Therefore, the system can be used as a control tool for electric vehicle charging pile.
Keywords: Bluetooth; Charging pile; electric vehicle
近年来，我国扩大了电动汽车生产规模，并推出了一些销售优惠政策，在一定程度上推进了电动汽车发展进程[1]。虽然电动汽车在市场上需求量有所增加，但是因配套的充电桩建设速度较慢，影响了人们对电动汽车的购买意愿。目前，建设的充电桩通过wifi网络、有线网络、GPRS建立通信连接，实现与银行支付平台、运营商服务器之间的数据对接[2]。其中，账单支付以银联刷卡、预充射频卡为主。然而这些充电桩的运营方式不适合在复杂环境中应用，存在通信设备建设成本偏高、数据通信不兼容等问题，导致用户体验差[3]。为了改善传统电动汽车充电桩控制系统存在的不足，本文提出以蓝牙作为通信工具，设计新的控制系统。
一、系统总体设计
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
该结构中，充电桩控制模块作为现场充电机与用户之间的充电控制命令、充电状态传输桥梁，通过搭建控制电路，与充电机控制终端连接，实现对充电机作业状态的实时监测。如果发现充电机作业发生故障，该模块会向用户发送提示消息。正常作业情况下，按照用户设置的充电参数和时间，为电动汽车充电。APP客服端用于创建人机交互体系，用户在客服端注册个人信息，借助此终端向充电桩控制电路发送操控命令。另外，通过APP可以读取充电状态信息，所有的充电消费者记录也可以从中查询。云服务器用于接收数据，并加以存储，从而为运营商和用户之间的业务往来提供足够空间。
2、系统网络通信设计
本系统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，实现电动汽车还充电控制。而充电相关数据、业务请求等，用户达到有网络的环境后，用户手机将自动向服务器发送信息，而后经过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的通信，利用wifi/光纤进行通信。另外，服务器与用户手机之间的通信，选取4G/5G/wifi作为通信渠道。
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，或者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[4]。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。关于数据的加密与解密设计，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，形成符合信息，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。用户或者充电桩获取RC4秘匙、数据信息后，开始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。
如果不法分子向窃取通信数据，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。
二、充电桩控制电路与程序开发流程设计
1、控制电路硬件框架结构设计
本系统选取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
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。另外，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。关于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。
本控制电路选取的核心处理器STM32F407ZET6支持串口IAP，并且处理功能较为强大，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，选取低功耗型号为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，并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、充电桩控制程序开发流程设计
系统的充电桩控制程序的开发，选取μC/OS-ⅡV2.91软件作为开发工具，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，本研究设定5个控制命令层级：（1）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；（2）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；（3）查询充电机作业产生的数据，并对这些数据加以处理；（4）查询蓝牙模块数据，并对这些数据加以处理；（5）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，本系统将开启/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角度，如图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
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，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，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：结算本次充电的费用，向用户发送金额消息；
第十二步：解除充电枪。
三、用户APP服务端设计
系统中用户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，因而起到人机交互作用。该功能模块的开发，主要为用户提供汽车充电服务及个人信息管理服务。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。
（1）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。
（2）充电桩搜索。每一个充电桩都有唯一的标识身份，用户通过扫码或者直接输入标识号码，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。
（3）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，同时也可以在此界面发送充电控制命令。
（4）智能预约排队充电。为了便于用户为汽车充电，本系统设置了一项预约排队功能，按照设定的充电时间开始排队，用户不需要达到现场，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。
（5）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。
（6）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。
（7）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。
（8）用户反馈。考虑到用户对充电桩的作业模式或者功能可能存在不满，为此，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。
四、云服务器设计
云服务器主要由多个部分组成，包括平台软件、大型信息存储模块、计算机等。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。
（1）数据处理。为了满足多级客户的充电需求，本系统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，以此提高充电服务管控效率，以此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。
（2）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。
（3）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。
五、系统应用测试分析
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。本次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、预约充电时间相关数据信息。
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，而后对系统的充电桩服务功能进行测试。如表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
测试功能 电动汽车1 电动汽车2 电动汽车3 电动汽车4 电动汽车5
预约充电时间 9:10:20 9:12:18 9:30:25 10:20:21 11:26:20
前方排队情况 前方2台车 前方3台车 前方5台车 前方8台车 前方10台车
充电先后顺序 3 4 6 9 11
开始充电时间 9:20:36 9:30:28 9:50:26 11:45:21 13:21:18
蓝牙是否成功连接 是 是 是 是 是
充电枪是否连接 是 是 是 是 是
是否按照要求充电 是 是 是 是 是
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，并且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。
总结
本文针对电动汽车充电桩控制系统设计方案存在的不足，提出一种新的充电控制系统设计方案。该系统以STM32F407ZET6作为处理器，利用充电桩控制模块、云服务器、用户APP客服端组成系统架构。利用E2PROM、蓝牙模块、充电机控制接口、控制器，构建系统控制硬件电路，通过μC/OS-ⅡV2.91软件开发系统作业程序。系统应用测试结果显示，本系统能够为用户按照预约先后顺序安排充电，为电动汽车按时充电/某时段充电服务。
参考文献
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