電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)設計.doc

1 緒論1.1 引言 汽車工業(yè)的告訴發(fā)展，汽車帶來的環(huán)境污染、能源短缺、資源枯竭和安全等方面的問題越來越突出。為了保持國民經濟的可持續(xù)發(fā)展，保護人類居住環(huán)境和能源供給，各國政府不惜巨資，投入大量人力、物力，尋求解決這些問題的各種途徑。我國面臨的形式也十分嚴峻，國內的石油儲藏量和開采量相當有限，隨著汽車保有量的增加，石油需求越來越多，目前已不能自給，不足部分主要通過進口來滿足，而且每年成遞增趨勢。 由于電動汽車具有突出的環(huán)保方面的優(yōu)勢，使得電動汽車的開發(fā)和研究成為各國開發(fā)綠色汽車的主流。電動汽車使用的能源是可以用與發(fā)電的一切能源。因此使用電動汽車可以擺脫汽車對化石燃料的依賴，改善能源結構，使能源供給多樣化，使能源的供給有保障。電動汽車在解決道路交通事故方面和傳統(tǒng)汽車相比也具有一定優(yōu)勢。因此，開發(fā)電動汽車是迎接汽車面臨挑戰(zhàn)的重要對策之一。電動汽車具有良好的環(huán)保性能和可以以多種能源為動力的顯著特點，即可以保護環(huán)境，又可以緩解能源短缺和調整能源結構，保障能源安全。目前發(fā)展電動汽車已成為各國政府和汽車行業(yè)的共識，電動汽車的研發(fā)已成為汽車行業(yè)的熱點。因此，無論是從設計、研究和開發(fā)的觀點，還是從實用的角度來看，了解和掌握電動汽車技術的社會需求會越來越大。目前世界上許多發(fā)達國家的政府、著名汽車廠商及相關行業(yè)科研機構都在致力于電動汽車技術的研究開發(fā)與推廣應用。電動汽車充電站是電動汽車大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的電動汽車能源服務基礎設施，如何實現(xiàn)電動汽車充電站運行管理的自動化是必須研究的課題。系統(tǒng)建設的必要性：1）保證動力電池充電安全的需要。目前純電動汽車多使用鋰離子蓄電池作為電能存儲單元。鋰離子電池對充電要求較高，充電過程控制不好會造成電池永久損壞，甚至引起電池爆炸。充電站監(jiān)控系統(tǒng)的充電監(jiān)控功能可以監(jiān)測電池和充電機當前狀態(tài)。采用智能充電機的充電保護措施可以有效保證動力蓄電池充電過程的安全。2）提高充電站運行和管理水平的需要。電動汽車充電站作為保障電動汽車正常使用的能源基礎服務設施，因其構成設備數量多，用人工方式來管理這些設備很難實現(xiàn)，所以有必要利用先進的信息技術實現(xiàn)其運行和管理自動化，降低工作人員的勞動強度，提高充電站運行和管理水平。1.2 電動汽車的發(fā)展及其關鍵技術1881年的法國誕生了世界上第一輛電動車，但是由于技術的原因，在不長的時間里燃油汽車就占據了汽車市場的絕大部分市場份額。近年來，隨著許多電動汽車關鍵技術的不斷發(fā)展以及全球汽車生產商對電動汽車發(fā)展的重視程度不斷加深，現(xiàn)代電動汽車己經作為一種全新概念的交通工具被提上日程，它自身將會承擔更多的功能，正因為這樣，電動汽車在發(fā)展中，必須面對并解決以下關鍵技術：(1) 車身設計車身設計的工作早在一開始就將實用性和外觀性聯(lián)系在了一起。尤其在現(xiàn)代汽車要求速度越來越快的情況下，對于汽車的空氣動力學、行駛平順性等方面考慮己經成為車身設計的主要工作。在設計電動汽車時，應該在車身設計上多下功夫，力爭使電動汽車的無功損耗降低到最低點。(2) 動力驅動技術電動汽車主要是依靠直流電動機來驅動的，但是由于目前直流電動機的轉速轉矩變化范圍窄，并不能滿足汽車行駛的需要，所以國際上已經開始了關于電動汽車用交流電機的研制的熱潮，其中開關磁阻電機的研制，高效永磁同步電機交流電機都已進入試用階段；控制技術矢量控制和直接轉矩控制技術己經在理論界得到了充分的驗證和肯定，技術也同趨成熟。隨著技術的發(fā)展，電機和電機控制器也越來越成熟，電機向著高電壓、小電流、大功率、小體積、重量輕的方向發(fā)展，直流電機已逐漸被交流電機所代替?？刂破饕蚕蛑悄芑?、集成化的方向發(fā)展。(3)能源供應系統(tǒng)現(xiàn)代電動汽車經過數十年的發(fā)展，其各項標準己經基本達到了人們用車的要求，但是卻遲遲不能占據市場，最主要的原因就是現(xiàn)在的電動汽車的續(xù)駛里程不能滿足入們的要求。如何尋找或者研制一種更加優(yōu)良的能源是電動汽車發(fā)展的一個極其關鍵的問題，目前的局面是鉛酸、鎳氫、鋰離子、燃料電池多種電源并存，鉛酸電池占據了主要地位，針對目前的市場占有情況如何合理的使用提高鉛酸電池的壽命和效率，就具有十分明顯的經濟和社會價值，而且隨著鉛酸電池生產技術的不斷更新，新一代的卷式鉛酸電池能量比將大大增強，其充放電將變得越來越簡單，因此本論文的研究將圍繞鉛酸電池展開。1. 3 電動汽車充放電技術研究概況電動汽車充放電技術就是對蓄電池的輸入輸出進行合理的控制，達到節(jié)能、延長設備壽命的預期目標。電動汽車的充放電技術對電動汽車的能源存儲源免維護鉛酸蓄電池的充放電進行合理的控制，達到行駛里程和蓄電池壽命的最大化。電動汽車充放電控制系統(tǒng)如同電動汽車的總體控制中心，它具有功能多、靈活性好、適應性強的特點，從而可以非常合理地利用有限的車載能量，達到電池壽命和行使里程的最大化。根據目前國內外技術發(fā)展的情況，主要是實現(xiàn)充電時間的縮短，電池壽命的延長和持續(xù)行駛罩程的最大化，因此，問題歸結于兩個方面，一、根據電池充放電原理縮短蓄電池充電時間(快速充電技術)，二、電動汽車運行過程中在保證制動正常的條件下結合充放電原理進行能量的回收。常規(guī)的充電方式包括恒壓充電、恒流充電和將兩者組合起來應用于不同時問段的混合充電方式。從本質上來講都是一種充電電流無法隨蓄電池充電狀態(tài)自動調節(jié)的單一模式充電法，所以無法實現(xiàn)充電過程的最優(yōu)化。相對于常規(guī)充電模式而言，智能化充電模式根據電池生產單位提供的技術數據對其整個充電過程進行控制，根據蓄電池的充電狀態(tài)而動態(tài)跟蹤蓄電池的可接受最大充電電流及后期充電電壓的變化，使得實際充電電流始終保持在最優(yōu)值附近，從而保證了蓄電池幾乎在滿足自身理論特性的狀態(tài)下的充電。對于智能充電可以概括為：根據蓄電池的充放電特性來找到一種最佳的充電方式，并且用合適的電力電子裝置來實現(xiàn)它。前面是針對蓄電池特性的研究，后者是針對電力電子裝置的研究。這里的最佳的充電方式就是最佳的充電電壓和充電電流的選取。智能充電的作用是給標準蓄電池充電，它的功能是要求根據不同的電池，控制不同的狀態(tài)，自動檢測電池端電壓和端電流的值，經過處理后產生電壓偏差和變化率信息，再經過模糊處理，輸出電流和電壓的控制信息，實時、精確的控制充電過程，目前不少研究者在這一方面已經做了大量的研究，但大多是基于不可控整流方式和功率因素補償來實現(xiàn)，對電網仍有一定的污染，其控制方式有待于進一步的提高。結合電池充放電原理，根據電動汽車的驅動設備電機特性，在電動汽車運行過程(減速和制動時電動機工作在發(fā)電狀態(tài))對其能量進行有效的回收利用，可以有效增加汽車行駛里程，根據日本本田公司研究數據，對電動汽車能量進行有效回收利用，可使汽車在UDDS(Urban Dynamo Driving Schedule)市區(qū)發(fā)電工況下延續(xù)行駛罩程26左右。因此，結合蓄電池充放電特性對其充放電過程進行控制就具有明顯經濟價值。電動汽車在運行過程中，其輸出功率會隨著路況、環(huán)境等多種因素的變化而變化，同時在減速和制動過程中對電機能量進行回收，根據負載變化動態(tài)調節(jié)蓄電池充電電流的大小，達到延長行使里程的目的。目前日本豐田、本田公司和美國紐約州的斯卡奈塔第聯(lián)合大學以及美國的國家航空與航天管理局路易斯研究中心在此領域的研究較為深入，我國近幾年，也在此領域展開了研究，如清華大學、北京理工、武漢理工等研究機構。1.4 電動汽車充放電技術存在主要問題當前電動汽車產業(yè)遲遲未能工業(yè)化的主要原因電池問題，當前的電池容量和體積質量的關系不能滿足電動汽車的需要，也就是說一定重量的蓄電池只能提供給電動汽車有限的能量，致使電動汽車行駛里程太短，由于電池技術不可能再短時間內取得突破，所以只能在短時充電和延續(xù)汽車行駛里程進行深入的研究，一方面，隨著快速充電技術的深入，可以使電動汽車像在加油站加油一樣，在較短時間內補充能源，也可以采取在公共的充電站更換蓄電池組來補充能源；另一方面，我們可以對運行過程中的能量進行部分回收，通過對對電池充電的方式實現(xiàn)減速和制動，一方面延續(xù)行駛里程，另一方面，可以拉大充電站之間的距離，減少充電站的建設。1.5 本論文的主要內容當今社會電動汽車的發(fā)展迅猛，因此對電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)提出了很高的要求。面臨能源和環(huán)境的巨大壓力，以電力作為驅動系統(tǒng)動力源的電動汽車成為綠色交通工具，有著廣闊的前景，電動汽車充電站則是電動汽車運行的不可缺少的能源服務基礎設施。但是目前電動汽車充電站普遍實行無人值班，且能夠保證大規(guī)模充電站正常運營的充電站監(jiān)控系統(tǒng)尚無成熟產品，各充電站之間也無信息聯(lián)系，這就要求充電機的可靠性及自動化智能化程度更高，功能更加完善。儀器的設計，本著簡明科學實用的原則，力求從整體出發(fā)，從實際使用出發(fā)，突出系統(tǒng)的可靠性免維護免培訓特點和系統(tǒng)結構的簡明完整性，把對操作人員的專業(yè)技術要求降到最低，發(fā)揮系統(tǒng)整體設計的優(yōu)勢，使系統(tǒng)整體性能達到最佳，功能強大而操作簡單，測量精確而維護方便，在此基礎上，完成電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)設計，做到監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性能高。在系統(tǒng)設計中，應充分應用近年來發(fā)展起來的各種新技術新器件新方法，在保證各項性能指標能夠滿足系統(tǒng)方面要求的前提下，力求簡化結構，降低成本，提高可靠性和穩(wěn)定性4。設計時需要注意的問題：（1）、產品的技術指標生產工藝等要符合國家有關規(guī)定和地方管理部門的規(guī)定。（2）、運行的可靠性和穩(wěn)定性一定要好，安裝維護要方便，操作要簡單。（3）、各項功能要實用，既要滿足國家和地方的有關規(guī)定也要考慮用戶的要求。（4）、設計制造盡可能使用通用的有替代產品的原件，器件和設備。（5）、能使用軟件實現(xiàn)的功能，一般不用硬件來實現(xiàn)，以減小體積，將成本降至最低。（6）、設計要從整體出發(fā)，分步分層實施，突出系統(tǒng)的整體性能，力求系統(tǒng)整體性能最大優(yōu)化。2 系統(tǒng)的設計理論與基本知識從第一章中我們了解到了電動汽車發(fā)展及其相關技術，對電動汽車的發(fā)展應該用了一個大概的認識。要想建成一個合格的電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)，所需了解的地方包括電動汽車的電能供給方式、充電站建設模型、以及一個電動汽車充電站的監(jiān)控系統(tǒng)應該包括哪些監(jiān)控方面等。下面就以上所說的比較重要的幾點做一下簡要的介紹2.1 電動汽車的電能供給方式與充電站建設模式2.1.1電動汽車的電能供給方式目前，電動汽車電能供給方式主要有交流充電、直流充電和電池組快速更換3 種典型方式。1）交流充電方式。外部提供220 V 或380 V 交流電源給電動汽車車載充電機，由車載充電機給動力蓄電池充電。一般小型純電動汽車、可外接充電式混合動力電動汽車(plug in hybrid electric vehicle，PHEV)多采用此種方式。車載充電機一般功率較小，充電時間長。2）直流充電方式。地面充電機直接輸出直流電能給車載動力蓄電池充電，電動汽車只需提供充電及相關通信接口。地面充電機一般功率大，輸出電流、電壓變化范圍寬。有些地面充電機還具備快速充電功能。3）電池組快速更換方式。電動汽車與充電機無直接聯(lián)系，而是通過專用電池更換設備將車上少電的電池取下，換上充滿電的電池，這個過程所需2.1.2充電站建設模式結合電動汽車的發(fā)展趨勢以及電動汽車電能供給的典型方式，本文認為未來電動汽車充電站建設主要有3 種典型模式：1）模式1。在住宅小區(qū)或商業(yè)大廈的專用停車場安裝一定數量的智能充電樁和少量的智能地面充電機。智能充電樁為電動汽車提供220 V 或380 V 交流電源接口，智能地面充電機為電動汽車提供應急充電服務。該模式適用于小型純電動汽車、PHEV 等。2）模式2。在專用停車場安裝一定數量的智能地面充電機，直接連接電動汽車上的專用充電接口為車載電池充電。該模式適用于具有專用停車場的車輛，如純電動公交車、純電動環(huán)衛(wèi)車等。3）模式3，即電池更換站模式。站內安裝有直接為電池包充電的充電機和直接為電動汽車充電的應急充電機，配備電池快速更換設備和電池架，配有專用配電系統(tǒng)(含電能諧波集中治理裝置)，能為純電動汽車提供電池更換服務。該模式適用于一次充電續(xù)駛里程不能滿足日常行駛需要而頻繁充電的車輛，如大型純電動公交車、純電動環(huán)衛(wèi)車等。2.2系統(tǒng)應用功能需求2.2.1充電監(jiān)控功能充電監(jiān)控功能是充電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能，主要實現(xiàn)對充電樁和充電機的監(jiān)視與控制。1）對充電樁的監(jiān)控。監(jiān)視充電樁的交流輸出接口的狀態(tài)，如電流、電壓、開關狀態(tài)、保護狀態(tài)等；采集與充電樁相連接的電動汽車的基本信息；控制充電樁交流輸出接口的開斷。2）對充電機的監(jiān)控。充電機作為被監(jiān)控對象，上送給監(jiān)控系統(tǒng)的數據主要包含2 類：充電機狀態(tài)信息，即輸入輸出電壓、電流、電量、功率因數、充電時間、當前充電模式、充電機故障狀態(tài)等；電池狀態(tài)信息，即電池包基本信息、電池單體電壓、電池單體溫度、電池故障狀態(tài)、電池管理系統(tǒng)設置信息等。此外，在電池包狀態(tài)信息部分，系統(tǒng)還需根據采集到的電池單體電壓、溫度等計算出電池包內單體最高電壓、最低電壓、最高溫度、最低溫度等統(tǒng)計信息，供限值統(tǒng)計、告警系統(tǒng)使用。對充電機的控制功能主要包括：對充電機充電開始、停止、緊急停止的控制；充電機充電模式的調整，即根據充電機連接電池的類型及其充電特性，操作人員可通過圖形畫面調整各階段充電參數，并下發(fā)給充電機；向充電機及其連接的電池管理系統(tǒng)下發(fā)對時命令。2.2.2 配電監(jiān)控功能實現(xiàn)對電動汽車充電站配電設備的監(jiān)控，方便統(tǒng)一管理和數據共享。可實現(xiàn)對整站的總功率、總電流、總電量、功率因數、主變狀態(tài)、開關狀態(tài)、無功補償及諧波治理設備的監(jiān)視和控制。2.2.3 煙感監(jiān)視功能在模式3 的充電站中，為了保障電池充電安全，除了通過電池管理系統(tǒng)監(jiān)視電池電壓、溫度外，在電池充電架中安裝了數量眾多的煙霧傳感器，用于探測鋰離子動力電池因過充導致電池自燃而釋放出的煙霧。這些傳感器接入充電站監(jiān)控系統(tǒng)后，和充電監(jiān)控功能(特別是在電池管理系統(tǒng)失效時)一起保障電池充電的安全。2.2.4 電池維護監(jiān)控功能在大型充電站中，需要通過專門的電池維護設備對電池進行定期維護。在維護過程中，系統(tǒng)將采集到的維護數據存入充電站監(jiān)控系統(tǒng)數據庫，形成電池的完整數據檔案，便于對電池進行整體評估。2.2. 快速更換設備監(jiān)控功能在具備電池快速更換設備的充電站中，可通過充電站監(jiān)控系統(tǒng)對電池快速更換設備下發(fā)具體電池更換命令：讓快速更換設備在指定軌道位置更換2.3 電動汽車充電站電動汽車充電站是指為電動汽車充電的站點，與現(xiàn)在的加油站相似。隨著低碳經濟成為我國經濟發(fā)展的主旋律，電動汽車作為新能源戰(zhàn)略和智能電網的重要組成部分，以及國務院確定的戰(zhàn)略性新興產業(yè)之一，必將成為今后中國汽車工業(yè)和能源產業(yè)發(fā)展的重點。然而，電動汽車產業(yè)是一項系統(tǒng)工程，電動汽車充電站則是主要環(huán)節(jié)之一，必須與電動汽車其他領域實現(xiàn)共同協(xié)調發(fā)展。 在中國電動汽車充電站的發(fā)展是必然的，搶占先機也是企業(yè)的制勝之道。在目前的情況下，國家雖有大力倡導，各企業(yè)又蠢蠢欲動，但電動汽車走入尋常百姓家不是短期內容易做到的。國家政策可以給（購車補償、上路等），而電動汽車充電站網則無法短期建，主要原因是給電動汽車快速充電需要瞬時強大的功率電力，常規(guī)電網無法滿足，必須要建專用充電網絡，這涉及整個國家電網改造，國家電網大改造不是小事，耗資巨大，從討論、立項到成網，非一朝一夕能實現(xiàn)。 現(xiàn)在能較好的解決快速充電問題的方案是-換電站-利用給汽車更換電池的方法代替漫長的充電過程。一輛汽車需要配備兩塊電池，當一塊電池用完后自動切換到另一塊，此時可到換電站將用完 的電池換下，裝上滿電的電池。而換下的電池由電站統(tǒng)一充電和維護，前提是充電站要有相當數量的備用電池。這個方法優(yōu)點是快速，用戶換完電池就可以上路，比加油都快。用這種方法再加上停車場充電樁等輔助手段，相信電動汽車的普及就近在眼前。 充電業(yè)務模式是指電動汽車用戶在汽車電能將要耗盡的時候選擇到固定地點的充電站和充站樁為汽車的電池進行直接充電的模型。這是電動汽車充電站最先考慮的業(yè)務模式，在這種業(yè)務模式下，電動汽車用戶通過在充電站/充電樁直接為汽車充電，即時消費電力產品并通過現(xiàn)場付費的模式支付費用，完成交易。 為此，建設相應的電動汽車充電計費系統(tǒng)，引入集中式的信息管理平臺，是開展電動汽車充放電站建設工作的重要組成部分。2.3.1系統(tǒng)模塊介紹充電站的收費系統(tǒng)是必須的，建設電動汽車充電計費系統(tǒng)，系統(tǒng)的實現(xiàn)由三部分組成，下面分別進行介紹： 1、建設充電計費系統(tǒng)管理平臺，對系統(tǒng)涉及到的基礎數據進行集中式管理，例如電動汽車信息、購電用戶信息、資產信息等。 2、建設充電計費系統(tǒng)運營平臺，用于對電動汽車的充放電及購電用戶的充值進行運營管理。 3、建設充電計費系統(tǒng)查詢平臺，用于對管理平臺及運營平臺產生的相關數據進行綜合查詢充電站按照功能可以劃分為四個子模塊：配電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、電池調度系統(tǒng)、充電站監(jiān)控系統(tǒng)。充電站給汽車充電一般分為三種方式：普通充電、快速充電、電池更換。普通充電多為交流充電，可以使用220V或380V的電壓?？焖俪潆姸酁橹绷鞒潆?。充電站主要設備包括充電機、充電樁、有源濾波裝置、電能監(jiān)控系統(tǒng)。2.3.2 充電站電力配套常規(guī)充電 典型常規(guī)充電站的規(guī)模 根據目前電動汽車常規(guī)充電的數據資料，一般以2040輛電動汽車來配置一個充電站，這種配置是考慮充分利用晚間谷電進行充電，缺點是充電設備利用率低。在高峰時也考慮充電，則可以6080輛電動來配制一個充電站，缺點是充電成本上升，增加高峰負荷。 充電站電力配套的典型配置（前提充電柜具有諧波等處理功能） a方案： 建造配電站設計2路10KV電纜進線（配3*70mm電纜），2臺500KVA變壓器，24路380V出線。其中二路為快速充電專用出線（配 4*120mm電纜、50M長、4回路），二路為機械充電或備用出線，其余為常規(guī)充電出線（配4*70mm電纜、50M長、20回路） b方案： 設計2路10KV電纜線（配3*70mm電纜），設置2臺500KVA用戶箱變，每臺箱變配4路380V出線（配4*240mm電纜、20M長、8回路），每路出線設置一臺4回路電纜分支箱向充電柜供電（配4*70mm電纜、50M長、24回路）。 快速充電 典型快速充電站的規(guī)模 根據目前電動汽車快速充電的數據資料，一般以同時向8輛電動汽車充電來配置一個充電站。 充電站電力配套的典型配置 a方案、建造配電站設計2路10KV電纜進線（配3*70mm電纜），2臺500KVA變壓器，10路380V出線（配4*120mm電纜、50M長、 10回路）。 b方案、設計2路10KV電纜線（配3*70mm電纜），設置2臺500KVA用戶箱變，每臺箱變配4路380V出線，供充電站（配4*120mm電纜、 50M長、8回路）。 機械充電機械充電站的規(guī)模 小型機械充電站可以結合常規(guī)充電站建設同時考慮，可以根據需要選擇更大容量的變壓器。大型機械充電站一般以80100組充電電池同時充電配置一個大型機械充電站，主要適用于出租車行業(yè)或電池租賃行業(yè)，一天不間斷充可以完成對400組電池的充電。 充電站電力配套的典型配置（大型機械充電站） 配電站2路10KV電纜進線（配3*240mm電纜），2臺1600KVA變壓器， 10路380V出線（配4*240mm電纜、50M長、10回路）。 便攜式充電 別墅 具備三相四線表計，獨立的停車庫，可以利用已有的住宅供電設施，從住宅配電箱專門放一路10mm2或16mm2的線路至車庫的專用插座，來提供便攜式充電電源。 一般住宅 具有固定的集中停車庫，一般要求地下停車庫（充電安全考慮），可以利用小區(qū)原有的供電配套設施進行改造，必須根據小區(qū)已有的負荷容量來考慮，包括谷電的負荷。具體方案應根據小區(qū)的供電設施、方案以及小區(qū)的建筑環(huán)境具體來確定。3 系統(tǒng)需求分析及總體設計需求分析和總體設計是系統(tǒng)開發(fā)必經階段。在需求分析階段，應該確定系統(tǒng)的功能和特性。在電動汽車充電站中，監(jiān)控系統(tǒng)最重要的是完成對充電站的監(jiān)控，確保充電站的安全。其主要功能如圖3.1所示。圖3.1主要功能充電系統(tǒng)監(jiān)控，針對充電機控制器及相連的電池管理系統(tǒng)，該網絡為三級，其網絡結構如圖3.2所示：圖3.2 網絡結構第一網絡是充電機控制器和對應的電池箱上安裝的電池管理系統(tǒng)之間的通訊，由于充電機控制器和電池管理系統(tǒng)之間的串行通訊比較簡單，電池通訊系統(tǒng)不主動發(fā)送命令和數據，采用主從式結構，故選用RS-485總線，控制器借助電池管理系統(tǒng)實時了解各個單體電池的荷電狀態(tài)，為實現(xiàn)智能充電創(chuàng)造條件。電池管理系統(tǒng)所采用到的數據（主要包括單體電池數量、電壓、溫度、平均電壓、最高電池電壓、最高溫度、故障代碼、充電標識、故障狀態(tài)、最大允許電壓等變量）按照協(xié)議進行處理并重新打包成合適的總線傳送的數據格式，然后充電機控制器通過總線將其發(fā)送至監(jiān)控PC機。第二網絡是監(jiān)控PC機和充電機控制器之間，由于它對抗干擾性、可靠性要求較高，并且傳送距離較遠，故采用一種多主總線。監(jiān)控PC機接受來自總監(jiān)控中心的指令，控制充電機完成指令所規(guī)定的任務，實時監(jiān)控充電機的狀態(tài)，將檢測到的信息反饋給總監(jiān)控中心，為總監(jiān)控中心調度決策提供參考；同時，它對充電站內部一些設備的信息進行存儲、轉發(fā)和管理。充電機控制器是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，一方面要完成對充電機的實時數據采集（主要是充電機狀態(tài)，包括電流、電壓、時間、溫度、開關狀態(tài)、保護狀態(tài)和電量等參數）和實時控制，這些控制主要是對充電機開關、停止和充電模式的調整、對與其相連的電池管理系統(tǒng)下發(fā)命令；另一方面，還要完成對電池組各數據進行收集和管理。及時把系統(tǒng)的實時數據傳輸給監(jiān)控PC機和接受監(jiān)控PC機發(fā)來的控制命令。最后是監(jiān)控PC機和城市總監(jiān)控中心之間的通訊，因為充電站監(jiān)控系統(tǒng)各工作站和服務器之間數據交換頻繁，數據量大，故采用以太網方式通信。另外，為了進一步保證充電的安全還有一條針對安裝在充電架上的煙霧傳感器的監(jiān)控網絡。煙霧傳感器是用于探測鋰離子動力電池因過充電導致電池自然而釋放出的煙霧。該網絡和電池管理系統(tǒng)共同保持充電電池的安全。首先煙霧傳感器信號經過轉換節(jié)點轉換為通信信號，然后通過總線發(fā)送給煙霧報警計算機。煙霧報警計算機僅接受煙霧傳感器的報警信號，及時發(fā)現(xiàn)有故障的充電電池，沒必要與上級進行通信，其模塊如圖3.3所示。圖3.3 煙霧報警4 硬件電路和軟件設計4.1 總體結構框架硬件平臺以atmel公司的at91rm9200芯片為核心，這款工業(yè)級芯片內嵌網絡控制器，包含了以太網mac控制，因此只需外接一片10/100m物理層芯片dm9161e提供以太網接入通道即可。can總線接口采用can控制器芯片mcp2515和高速can總線收發(fā)器tja1050構成。mcp2515與at91rm9200的連接是通過標準串行外設接口spi(at91rm9200內嵌)來實現(xiàn)的，它支持canv2.0b技術規(guī)范，能夠發(fā)送和接收標準的和擴展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。tja1050是與mcp2515相配的高速can總線收發(fā)器，它擔負著節(jié)點和總線之間接收和發(fā)送電平轉換的任務。另外，為了使硬件平臺提供高效的軟件運行環(huán)境，系統(tǒng)還設計了存儲電路(16mb nor flash，主要用來存放系統(tǒng)引導程序bootloader、內核、文件系統(tǒng)；64mb nand flash，用來存儲數據；32mb sdram，提供內核與應用程序的運行空間)、復位電路、jtag調試接口和rs485擴展串口。圖4.1總體結構框架4.2 功能模塊NAND FLASH：Nand-flash內存是flash內存的一種，其內部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量內存的實現(xiàn)提供了廉價有效的解決方案。Nand-flash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優(yōu)點，適用于大量數據的存儲，因而在業(yè)界得到了越來越廣泛的應用，如嵌入式產品中包括數碼相機、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤等。NOR FLASH：flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行，所以大多數情況下，在進行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫為0。 由于擦除NOR器件時是以64128KB的塊進行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以832KB的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。 執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權衡以下的各項因素。 l 、NOR的讀速度比NAND稍快一些。 2、 NAND的寫入速度比NOR快很多。 3 、NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。 4 、大多數寫入操作需要先進行擦除操作。 5 、NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。SD RAM：Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步動態(tài)隨機存儲器，同步是指 Memory工作需要同步時鐘，內部的命令的發(fā)送與數據的傳輸都以它為基準；動態(tài)是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數據不丟失；隨機是指數據不是線性依次存儲，而是自由指定地址進行數據讀寫。JTAG：JTAG是英文“Joint Test Action Group（聯(lián)合測試行為組織）”的詞頭字母的簡寫，該組織成立于1985 年，是由幾家主要的電子制造商發(fā)起制訂的PCB 和IC 測試標準。JTAG 建議于1990 年被IEEE 批準為IEEE1149.1-1990 測試訪問端口和邊界掃描結構標準。該標準規(guī)定了進行邊界掃描所需要的硬件和軟件。自從1990 年批準后，IEEE 分別于1993 年和1995 年對該標準作了補充，形成了現(xiàn)在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994。JTAG 主要應用于：電路的邊界掃描測試和可編程芯片的在線系統(tǒng)編程。CAN口為一種總線接口模式，以太網口為at91rm9200與網絡通信的接口4.3 CAN總線的特點CAN總線屬于現(xiàn)場總線范疇。它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，稱為控制器局域網現(xiàn)場總線。CAN網絡原本是德國Bosch公司為歐洲汽車市場所開發(fā)的。CAN推出之初是用于汽車內部測量和執(zhí)行部件之間的數據通信。例如汽車剎車防抱死系統(tǒng)、安全氣囊等。對機動車輛總線和對現(xiàn)場總線的需求有許多相似之處，即能夠以較低的成本、較高的實時處理能力在強電磁干擾環(huán)境下可靠地工作。因此CAN總線可廣泛應用于離散控制領域中的過程檢測和控制，特別是工業(yè)自動化的底層監(jiān)控，以解決控制與測試之間的可靠性問題12。CAN總線有如下基本特點：CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用數據通信數據塊進行編程，可以多主方式工作。CAN采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網絡上傳送數據時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數據，有效避免了總線沖突。CAN采用短幀結構，每一幀的 有效字節(jié)為8個（CAN技術規(guī)范2.0A），數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短。CAN的每幀數據都有CRC效驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適于在高干擾環(huán)境中使用。CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它操作不受影響。CAN可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播集中方式傳送和接受數據CAN總線直接通訊距離最遠可達10km/5Kbps,通訊速率最高可達1Mbps/40m。節(jié)點數可達110個，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。采用不歸零碼編碼/解碼方式，并采用位填充（插入）技術。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級別判別等項工作13。4.3.1 CAN總線的系統(tǒng)構成從原理和實現(xiàn)的角度，只要有兩個CAN節(jié)點和將他們連接成一體的通信媒體就可以構成一個CAN總線系統(tǒng)，這兩個節(jié)點之間通過媒體交換信息，而由CAN總線構成的控制網絡的結構一般是由控制器節(jié)點、傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點以及其他的監(jiān)控節(jié)點如人機界面組成，CAN作為控制局域網還可以通過網關和其他網如以太網互聯(lián)構成大型復雜的控制網絡結構。用CAN總線系統(tǒng)組成的網絡，從控制的角度來看，最小的控制系統(tǒng)是一個單回路的簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)由一個控制器，一個傳感器和一個執(zhí)行器組成；以CAN總線為基礎的網絡控制系統(tǒng)也可以由多個互不相關的控制回路組成15，而他們共享一個控制網絡CAN總線。 控制系統(tǒng)如圖4.2所示。從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的概念來說，傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點都可以結成控制器，即所謂的智能節(jié)點，這樣就形成了真正分布式的網絡控制統(tǒng)。圖4.2 CAN總線控制系統(tǒng)的結構4.3.2 總線訪問及仲裁技術CAN總線使用的是一種叫做“載波監(jiān)測，多主掌控/沖突避免”(CSMA/CA)的通信模式。載波監(jiān)測的意思是指在總線上的每個節(jié)點在發(fā)送信息報文前都必須監(jiān)測到總線上有一段時間的空閑狀態(tài)。一旦在此空閑眾泰被監(jiān)測到，那么每個節(jié)點都有均等機會來發(fā)送報文，這被稱為多主掌握。沖突避免是指在兩個以上節(jié)點同時發(fā)送信息時，節(jié)點本身首先會檢測到出現(xiàn)沖突，然后采取相應的措施來解決這一沖突情況。此時優(yōu)先級高的報文先到達，低優(yōu)先級的報文發(fā)送會暫停。在CAN總線協(xié)議中是通過一種非破壞性的仲裁方式來實現(xiàn)沖突檢測的。這就意味著當總線出現(xiàn)發(fā)送沖突時，通過仲裁后原發(fā)送信息不會收到任何影響。所有的仲裁判別都不會破壞優(yōu)先級高的報文信息內容，也不會對其發(fā)送產生任何的延時。當總線空閑時呈隱性電平，此時任何一個節(jié)點都可以向總線發(fā)送一個顯性電平作為一個幀的開始。如果有兩個或兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送，就會產生競爭。CAN總線解決競爭的方法和以太網的CSMA/CD方法比較類似，并且CAN做了改進，是按位對標識符進行仲裁。各發(fā)送節(jié)點在向總線發(fā)送電平的同時，也對總線上的電平進行讀取，并與自身發(fā)送的電平進行比較。如果電平相同則繼續(xù)發(fā)送下一位，不同則停止發(fā)送，退出總線競爭。剩余的節(jié)點則繼續(xù)上述過程，知道總線上只剩下一個節(jié)點發(fā)送的電平，總線競爭結束，優(yōu)先級最高的節(jié)點獲得了總線的使用權。CAN總線以報文為單位進行數據傳送，報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中（擴展幀是29位標識符），具有最低二進制數的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計中被確定后就不能再被更改。這種非破壞性位仲裁方法的有點在于，在網絡最終確定哪一個站的報文被發(fā)送以前，報文的起始部分已經在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。不過，上述的仲裁方法也存在一些不足和局限性4.4 硬件平臺搭建充電站內，服務器存儲和處理的數據量大，運行時間長并且要求系統(tǒng)響應時間短，因此對系統(tǒng)硬件平臺的性能要求很高。此外，硬件平臺需采用國際計算機市場上的主流產品，符合計算機產業(yè)的發(fā)展方向，適應電力工業(yè)的應用環(huán)境。參考配置見表1。設備名稱型號規(guī)格數量機箱塔式IBM system x3500M2，內部集成顯卡及兩個自合適千兆以太網口1個CPU和內存英特爾至強四核X5570 2.93GHZ.8M緩存；內存4G1個硬盤500G企業(yè)版SATA3.5寸硬盤1個表14.5 軟件設計服務器存儲和管理充電站內的各種海量數據信息，數據之間邏輯關系復雜。站內的工作站需要服務器快速響應各種請求并提供數據服務，遠程客戶端通過瀏覽器可以訪問服務器上的數據。因此需要開發(fā)針對充電站的數據管理系統(tǒng)和web服務程序。根據服務器實現(xiàn)的功能，整個軟件系統(tǒng)采用架構如圖4.3所示。圖4.3 充電站服務器軟件系統(tǒng)架構整個軟件系統(tǒng)采用分層和模塊化結構，便于系統(tǒng)維護和軟件升級，提高服務器的可擴展性。系統(tǒng)通過相應的軟件實現(xiàn)服務器的硬件平臺管理、數據存儲、數據管理和遠程訪問功能。操作系統(tǒng)管理服務器硬件，提高硬件平臺的運行效率和穩(wěn)定性，為上層軟件提供運行平臺，方便服務器軟件功能的擴展，提供數據的安全保護和服務器用戶權限管理。服務器存儲的數據量大，數據之間邏輯聯(lián)系緊密。與文件系統(tǒng)相比，數據庫能夠提高充電站內信息在硬件設備上的高效存儲，提信息據查詢、修改等操作的效率和安全性。數據庫為應用程序提供大量接口，方便系統(tǒng)的二次開發(fā)。此外，數據庫還提供用戶權限管理，為服務器上數據提供二次保護，提高服務器數據的安全性。充電站數據管理系統(tǒng)負責上層軟件與本地數據庫的通信，響應上層軟件查詢、存儲、修改數據庫中數據的請求并提供相應的服務。提供服務器的用戶權限管理，管理充電站內的通信協(xié)議。充電站提供遠程監(jiān)控功能，遠程客戶端通過服務器實現(xiàn)遠程訪問，客戶端用戶只需安裝ie6或ie7瀏覽器，輸入充電站服務器的網址，驗證身份后登錄、查詢和操作權限內的數據。服務程序提供數據的圖形顯示方式，可以輸出和打印報表。5 監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能實現(xiàn)5.1充電機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)（1） 充電機控制器的軟件流程設計控制器作為監(jiān)控系統(tǒng)的中樞來控制充電器的運行，即采用何種方式充電（恒流限壓、恒壓限流和衰減充電等）、啟動和停機等，實現(xiàn)智能化充電管理，由采集電路對電壓和電流進行實時采集，根據采樣值和相關的控制算法得出相應的控制量，由檢測回路檢測采集的電壓和電流，在根據控制量的大小和相應的控制策略得到對應的控制信號，從而對充電機充電進行智能控制。此外，還要將充電機相關信息通過CAN通訊的方式上傳至監(jiān)控的PC機上；同時還要接受電池管理系統(tǒng)的數據，控制器的主要功能的軟件流程如圖5.1所示圖5.1 軟件流程圖（2） 通訊程序設計通訊接口在開始運行之前，必須先進行初始化，然后at91rm9200以一定的時間間隔通過總線檢測電池管理系統(tǒng)發(fā)送的數據，然后在通過CAN總線與監(jiān)控PC機進行數據交換，主程序框圖5.2如下：圖5.2 通訊程序（3） CAN通訊程序設計CAN通訊軟件設計主要包括3大部分：CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接受。報文的接受主要采用兩種方式：中斷和查詢接受方式，本系統(tǒng)為了提高通訊的實時性、防止接受緩沖器的益出采用中斷的接受方式，其流程比較簡單，這里不再多做論述。5.2系煙感監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計該系統(tǒng)主要包括主程序和CAN通訊流程。其中CAN通訊流程和充電機監(jiān)控系統(tǒng)的相同，主流程圖如圖所示。循環(huán)在完成這些操作后，最后還要完成的是與系統(tǒng)以外設備的通訊。圖5.35.3 管理信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)該系統(tǒng)主要以Visual Studio及C#語言為前臺開發(fā)工具，Access2007為后臺數據庫，ADO技術為二者的數據接口，C#是一種功能強大的可視編程語言，為開發(fā)基于Microsoft Windows應用程序提供了最迅速、最簡單的方法。Access是微軟公司Office軟件包中的關系型數據庫，具有靈活、界面友好、易于學習和操作等特點，是開發(fā)小型數據庫應用系統(tǒng)的理想工具，可以獨立開發(fā)數據庫系統(tǒng)，也可以作為后臺數據庫的理想工具，可以獨立開發(fā)數據庫系統(tǒng)，也可以作為后臺數據庫與C#等高級語言結合使用。ADO是當前數據庫訪問的一種主流技術，可以通過ADO.NET組件方便的進行數據的入庫與出庫操作。創(chuàng)建一個名為EVCS.mdbd數據庫，可以在數據庫上設置密碼，要求用戶訪問時輸入密碼，以保障數據庫或其中的對象的安全性。該數據庫包含用戶登記表、充電機基本信息表、電池表和煙感報警信息表等。通過在ACCESS中建立好表之后，并通過關鍵字建立各個表之間的聯(lián)系，就可以完成對數據表的查詢、修改，通過對這些數據進行分析處理、打印報表。運行界面是系統(tǒng)與用戶之間的接口，是用戶與計算機信息系統(tǒng)之間傳遞、交換信息的媒介，也是控制和選擇信息輸入輸出的主要途徑，其設計應堅持界面直觀友好、操作簡單、能夠自行引導用戶進行系統(tǒng)操作等原則。為保證充電站內相關信息的安全，必須設計登錄界面，只有輸入正確的口令后才可以進入系統(tǒng)主界面，系統(tǒng)主界面將所有的信息匯總顯示，點擊任一個菜單便可進入相應的字程序。6 總結本設計從實際出發(fā)， 考慮到生活和工業(yè)生產中的各種因素的存在，在設計過程中把可靠性作為第一位，同時也考慮到了運行的經濟性等因素，合理的選擇運行方式及各種元器件，力求使設計方案達到優(yōu)化組合的要求。另外，在設計過程中，盡量采用了一些國外的先進思想和技術。隨著國內電動汽車示范運行的大規(guī)模開展以及電動汽車產業(yè)化的推進，還需在以下幾個方面對電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)進行深入研究：1）研究和制訂電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范，研究和制訂充電站監(jiān)控系統(tǒng)與充電機、充電樁、電池維護設備等的通訊協(xié)議。此外，隨著具備電池更換功能的電動汽車充電站逐漸增多，特定區(qū)域內電動汽車充電站間的數據交換隨之增多，規(guī)范電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)之間數據交換標準也需進行研究。2）研究電動汽車充電站與波動性電源一體化集成控制技術，實現(xiàn)電動汽車充電站充電設備起停、充電功率調節(jié)與充電站可用輸入功率的自動化和智能化協(xié)調控制。3）隨著電動汽車商業(yè)化示范運行的增多，需要在現(xiàn)有的電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)之上進一步開發(fā)支撐充電站商業(yè)化運營的充電站綜合運營管理系統(tǒng)。附錄A：登錄（輸入用戶名，密碼；如果與已知的數據庫匹配，則登錄成功；如果沒有此用戶或者說密碼錯誤，則彈出相應的對話框。）private void btnland_click(object sender, EventArgs e) if (this.tbUserName.Text.ToString() = | this.tbPassword.Text.ToString() = ) MessageBox.Show(this, 用戶名和密碼不能為空, 系統(tǒng)提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information); return; string userid = this.tbUserName.Text.ToString(); string password = this.tbPassword.Text.ToString(); string SQLconnStr = server=OXKBDYF5CYJXRYP;database=vsshow;User Id=sa;Password=inis; SqlConnection cn = new SqlConnection(SQLconnStr); SqlCommand cmd = new SqlCommand(select * from userlogin where userID= + userid + , cn); SqlDataAdapter da = new SqlDataAdapter(cmd); DataSet ds = new DataSet(); cn.Open(); /連接 da.Fill(ds); /重載此成員 在 DataSet 中添加或刷新行。 if (ds.Tables0.Rows.Count = 0) MessageBox.Show(this, 用戶名不存在，請重新輸入用戶名！, 系統(tǒng)提示, MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Information);