直流充电桩设计方案及公司发展规划

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1、1 直流充电桩设计方案及公司发展规划直流充电桩设计方案及公司发展规划 独立独立设计人设计人：黄亮：黄亮博士博士 2016.8.3 机密机密 1. 单枪头单枪头直流充电桩设计方案直流充电桩设计方案 1.1 市场市场上主流的上主流的系统方案系统方案 市场上主流产品的控制系统结构如图 1 所示。 三相三相AC输入输入三相三相AC输入输入三相三相AC输入输入三相三相AC输入输入三相三相AC输入输入充电模块充电模块1充电模块充电模块2充电模块充电模块3充电模块充电模块4充电模块充电模块5120120CAN总线总线CANLCANLCANLCANLCANLCANHCANHCANHCANHCANHCANHCA

2、NL232通讯通讯刷卡付费刷卡付费控制模块控制模块485通讯通讯显示屏显示屏CANHCANLBMS图 1.1 市场直流充电桩系统架构 1.1.1 充电模块充电模块 充电电力变换部分全国厂商全部采用模块化结构， 充电模块目前全国做到的最大功率为 15kW。但是 15kW 的定义是只有在输出电压 750V 时，电流 20A 才能达到 15kW，充电模块的最大限定电流都在 20A 左右。因为南京金龙大巴600V/600Ah 的动力电池充电规格是 600V/100A，所以充电桩需要 15kW 充电模块 5 个并联，而不是 4 个。每个模块提供电流 20A，总共提供 100A 充电电流。 1.1.2 控

3、制模块控制模块 控制核心是控制模块，实时接收车载 BMS 的充电指令信息，并将充电电流目标值通过 CAN 总线发送给各充电模块，充电模块根据充电电流目标值自动均流输出，模块间不均流度5%。 2 1.1.3 刷卡付费模块刷卡付费模块（刷卡机）（刷卡机） 控制模块通过 RS-232 接口控制刷卡付费模块 （刷卡机） ， 完成刷卡计费功能。全国有上百家公司在做基于 RFID 技术的刷卡机与卡片，刷卡机与卡的之间的通信技术、加密技术全部封装在刷卡机和卡片各自里面的芯片里，充电桩公司并不用去控制刷卡机与卡片之间如何通信，如何加密解密，刷卡机只留出 RS-232 接口给充电桩公司，并提供的 RS-232

4、接口协议用于编程读取刷卡机数据。充电桩公司本身并不生产刷卡付费模块，而是采购。刷卡付费模块由我们另外找由充电桩公司提供的供货商采购。 但是充电桩公司卖给我们的控制模块是带有对刷卡付费模块控制程序的。 1.1.4 显示模块显示模块 一般为触摸屏，内嵌有 ARM 芯片，用于人机交互，用户通过显示触摸屏对充电桩进行手工操作。显示模块通过 RS-485 接口与控制模块进行信息交互。 因为人机交互、刷卡计费、充电模块控制在功能上是一体化的，所以一些充电桩公司往往将控制模块与显示模块合并，做成一个模块，叫监控模块。 总结：总结： 1）以上充电模块、控制模块、显示模块都可以采购，刷卡付费模块是由充电模块供货

5、商提供第三方联系方式另外采购， 控制模块已经集成了刷卡付费程序，不需要用户开发。 2）显示模块的人机交互程序都是现成的，只需将开机画面里的厂商名字进行修改就可以使用。我们也可以对显示模块单独开发，做我们自己特色的人机交互程序。 3）所有充电模块提供商全部都不提供网络支付功能和网络监控功能。 1.2 市场主流市场主流系统结构系统结构的远程监控方案的远程监控方案 市场上充电桩的远程监控方案主要是 2 种。 第一种方案是每个充电桩都设计有 RS485 通信接口，所有充电桩全部挂到RS485 总线上去；充电站会有一台工业计算机也挂在 RS485 总线上，接收所有充电桩的信息；工业计算机再通过网口将数据

6、传输到网路上去。如图 1.2 所示。 第二种方案是每台充电桩全部挂到 CAN 总线上去，将第一种方案的 RS485总线换成 CAN 总线；其它不变。如图 1.3 所示。 3 充电桩充电桩1充电桩充电桩2充电桩充电桩3充电桩充电桩N120485A485A485A485A485B485B485B485B485A485BInternetTCP120RS485总线总线服务器服务器充电站充电站 控制中心控制中心图 1.2 基于 RS485 的网络监控方案 充电桩充电桩1充电桩充电桩2充电桩充电桩3充电桩充电桩N120CANHCANHCANHCANHCANLCANLCANLCANLCANHCANLInte

7、rnetTCPCAN总线总线服务器服务器充电站充电站 控制中心控制中心图 1.3 基于 CAN 总线的网络监控方案 总结：总结： 两种方案的区别：在于充电桩联网使用的工业总线不一样。 CAN 网络要优于 RS485 总线组成的工业网络。首先在网络速度上，CAN 总线波特率较快。 其次在数据链路层， CAN 有非常完善的信息冲突、 纠错等机制，4 而 RS485 没有这些机制， 如果 RS485 想要达到 CAN 总线的安全性， 需要程序员编程。 但是这种远程监控方案并未在市场有大规模推广， 直流桩基本都是独立运行的系统，并未成网络运行。 1.3 本人本人设计的直流充电桩设计的直流充电桩 1.3

8、.1 网络结构设计网络结构设计 如果想要完成卢院长的网络支付功能，和我设想的充电导航及监控功能，则每个直流桩都必须和 Inter 网相连。网络结构如图 1.4 所示。 充电桩充电桩1充电桩充电桩2充电桩充电桩3充电桩充电桩NInternetGPRSGPRSGPRSGPRS服务器服务器手机客户端手机客户端图 1.4 基于 2G/3G 网络的监控方案 每台充电桩都配有一张手机卡上网， 手机卡为目前通信服务商提供有费用低廉的物联网卡，专用于物联网设备的上网。充电桩通过 2G(GPRS)或者 3G 网络上 Inter 网，将充电桩信息通过 Inter 网传输给服务器。 充电用户通过手机客户端上网访问服

9、务器，收取空闲充电桩信息、自身充电状态信息，并通过网络支付 APP 将指令传达给服务器，再由服务器通过 Inter 网对充电桩下达充电任务，实现手机客户端对充电桩的充电付费控制。 如果有些大型充电站在充电桩达到一定数量后，客户觉得 2G/3G 网络平时上网费用较高， 本人设计的充电桩还兼容一种低成本上网费用的基于 Wi-Fi 集中的网络方案，如图 1.5 所示。 5 充电桩充电桩1充电桩充电桩2充电桩充电桩3充电桩充电桩NWI-FIWI-FIWI-FIWI-FI 服务器服务器手机手机 客户端客户端2G/3G网络网络Internet集中器集中器图 1.5 基于 Wi-Fi 集中的网络方案 首先各

10、充电桩通过Wi-Fi网络组成一个局域网， 因为充电桩的数据量并不大，所以可由一个集中器将所有充电桩信息进行集中管理； 集中器内嵌有 GPRS 模块，再通过 2G/3G 网络连接到 Internet 网络上；集中器通过 Internet 网向服务器发送信息，或接收信息再向各分立充电桩下达指令。 这样， 原来每台充电桩都会增加的物联网卡上网费用变成了一台集中器的物理网卡上网费用，这样可以有效减少物联网卡的包月费用。在一些公共场所，比如学校、体育馆、百货公司大楼，都有免费的 Wi-Fi 网络，那么该方案还可以省掉集中器，直接连接免费的 Wi-Fi 网络上网。 1.3.2 单桩系统结构设计单桩系统结构

11、设计 为实现以上网络结构，直流充电桩内部系统结构需要集成 2G(GPRS)模块与Wi-Fi 模块。我设计的系统结构如图 1.6 所示。 三相三相AC输入输入三相三相AC输入输入三相三相AC输入输入三相三相AC输入输入三相三相AC输入输入充电模块充电模块1充电模块充电模块2充电模块充电模块3充电模块充电模块4充电模块充电模块5120CAN总线总线CANLCANLCANLCANLCANLCANHCANHCANHCANHCANH刷卡付费刷卡付费触摸屏触摸屏多功能电表多功能电表GPRSCANHCANLBMSRS232RS485UARTRS485服务器服务器手机客户端手机客户端RS232CAN120路由

12、器路由器InternetWIFI模块模块WiFi图 1.6 基于无线网络的直流充电桩系统结构 6 本人设计的直流桩与市场可供货的直流桩系统结构不同之处在于： 1）增加了 2G(GPRS)模块，核心控制模块需对 2G(GPRS)模块进行控制，实现单个直流桩上网功能。 2）增加了 Wi-Fi 模块。本人设计 Wi-Fi 模块有两大功能，一是通过 Wi-Fi网络， 一个充电站里多台充电桩可以组成一个局域网络， 实现多桩群体协同控制；二是对于像我们学校这种具有免费公网（无线校园网）的区域，可以实现免费上网，充电桩内部的 Wi-Fi 模块可将信息通过校园路由器上网。 其它的刷卡支付、人机交互功能都未变。

13、与市场直流桩相同。 1.3.3 控制控制模块模块设计设计 本人设计的控制模块如图 1.7 所示。 RS-485RS-232 CAN1RS-485UARTRS-232CAN2GPIO显示屏显示屏电能表电能表STM32控制主板控制主板充电模块充电模块BMSBMS刷卡支付刷卡支付WiWi- -FiFiGPRSGPRS继电器阵列继电器阵列充电回路充电回路图 1.7 控制模块接口设计 控制模块设计思路为： 1）核心 CPU 采用基于 ARM Cortex-M3 内核 STM32 芯片。 2）设计两路 CAN 总线，一路与车载 BMS 通信，接收充电信息，另一路与充电模块通信，发生充电指令。 3）通过 U

14、ART 或者 RS-232 接口与支付模块相连，交互信息。用户可自助刷卡进行用户鉴权、余额查询、计费查询等功能。支付模块厂商由充电模块厂商7 提供， 嵌入式工程师根据充电模块厂商提供的源程序与支付模块厂商提供的协议进行支付模块的软件编程。 4） 通过RS-232接口与2G(GPRS)模块相连， 将充电桩的状态信息通过Internet上传给服务器。 5）通过 UART 接口与 Wi-Fi 模块相连。Wi-Fi 模块有两大作用，一个是组成充电站局域网，所有的充电桩通过 Wi-Fi 网络进行群控通信；另一个作用是在本地有免费无线 Wi-Fi 支持的区域，充电桩可以通过免费的 Wi-Fi 网络，将充电

15、桩的状态信息通过 Internet 上传给服务器。 6） 因为需通过国家电网公司计费控制单元应用软件联调测试， 为通过认证，控制模块设计通过 RS-485 接口与电能表相连，读取电量计量信息，用于计费。 7）通过 RS-485 接口与触摸显示屏信息交互，触摸显示屏用于人机交互，并投放广告。 8） 控制模块的 IO 口将通过并口线输出一块附加电路板， 叫继电器阵列扩展电路板，该功能主要用于控制一拖四充电桩的电能分配。 控制模块最好做成封装盒的形式， 接口全部都做成标准接口， 如图1.8所示。 图 1.8 控制模块接口 3D 效果图 8 1.3.4 人机交互设计人机交互设计 人机交互功能主要由触摸

16、显示屏完成。如果以控制模块的 STM32 芯片直接驱动液晶屏，需要嵌入式工程师编写触摸程序与显示程序，开发耗时较长。 这里本人计划直接采购工业触摸屏， 内嵌 FPGA+ARM 芯片高速处理图片与文字，无需编写显示与按键的底层驱动程序，直接编写监控界面程序即可。 考虑到卢院长提出的广告功能，直流充电桩屏幕不宜过小，建议采取 10 寸（Ipad 显示屏 9.7 寸） 、 12 寸 （笔记本显示屏 14 寸） 、 15 寸 （老式台式机显示屏）等大小显示屏。 如广州易显科技有限公司的触摸显示屏产品， 价格在300-500元， 图 1.9 内嵌 ARM 芯片的工业触摸显示屏 该种触摸显示屏既可人机交互、界面显示，也可投放广告。开发方法为： 首先在台式电脑安装组态软件 HMIMaker，HMIMaker 是一款基于 ARM 架构的嵌入式控制系统开发的嵌入式软件，专业应用于触摸屏的二级界面开发 图 1.10 HMIMaker 软件开发界面 9 HMIMaker 软件具有绘图、操作按钮、数据监控、实时曲线、动态图片、用户与密