基于LabVIEW和CAN總線的新能源汽車充電站監控系統設計*

菅曉峰 常東山 張麗麗

(1.內蒙古電力(集團)有限責任公司 薛家灣供電公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000; 2.內蒙古北方重工業集團有限公司,內蒙古 包頭014030)

發展新能源汽車是實現新能源革命和中國碳中和的基礎,全球范圍內新能源汽車發展速度呈現逐步加快的趨勢。[1]2003年前 7個月我國新能源汽車產銷累計分別完成 459.1萬輛和 452.6萬輛,同比分別增長40.0%和41.7%。[2]隨著新能源汽車規模的不斷擴大,充電站和充電樁的數量也大幅增長。截至2023年8 月,中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟內成員單位總計上報公共充電樁 227.2 萬臺,其中直流充電樁 96.3 萬臺、交流充電樁 130.7 萬臺。從2022年9月到2023年8月,月均新增公共充電樁約5.4萬臺。其中 2023年8月同比增長39.9%。[3]如此眾多的充電樁必須配備高效完善的監控系統,才能保證充電站的安全高效運行,同時,監控系統采集的大量充電樁運行數據,可為后期充電樁的技術改進、充電站的布局等提供數據支撐。

CAN總線具有可靠性強、實時性好、通信速率快、通信服務簡便等特點而廣泛應用于汽車控制系統。[4]因此本系統采用CAN總線實現數據傳輸,將各充電樁的數據通過CAN接口輸到CAN總線上,同時可方便的和汽車控制系統組網通信,實現汽車和充電樁間的數據交互。系統監控軟件采用LabVIEW軟件開發,具有操作方便、顯示直觀、工作穩定可靠等特點。

1 充電站監控系統總體設計方案

充電站是指由三臺及以上充電設備(交流充電樁或充電機)組成,提供電動汽車能量補給服務,并能夠對充電設備、動力蓄電池狀態進行監控的場所。[5]因此,通常一個充電站有多個充電樁需要監控,系統總體結構如圖 1,主要由監控上位機、充電樁數據采集控制器、CAN轉USB接口及CAN通訊總線構成。監控上位機通過USB轉CAN模塊USB-2E-U連接到CAN通訊網絡,軟件采用LabVIEW編程實現,完成對多臺充電樁數據采集控制器的監控管理,主要涉及工作參數設置、工作狀態的監控等工作。數據采集控制器采集充電樁工作時的電壓、電流、溫度、充電時間等參數,并通過CAN接口將所采數據發送到監控上位機。系統中各數據采集控制器相互獨立運行,其中某個數據采集控制器產生故障不會影響到整個系統的正常工作。

圖1 充電站監控系統總體結構圖

2 充電樁數據采集控制器設計

充電樁數據采集控制器整體結構如圖2所示,控制器核心采用32 位微處理器STM32實現,功能模塊主要包括溫度信號采集模塊、電壓、電流信號采集模塊、絕緣檢測模塊、報警信號輸出模塊、CAN通信接口和Modbus TCP/IP通信接口?？刂破鞑杉潆姌豆ぷ鬟^程中的電壓、電流和溫度信號,并將其和設定值比較,如超出正常工作范圍則報警提示。同時對充電樁的絕緣信息進行采集,如不滿足設定要求進行報警提示?？刂破鲗⒉杉降男盘柾ㄟ^CAN接口發送到監控上位機。

CAN通信接口由CAN控制器和CAN收發器構成,CAN控制器由STM32單片機內部的bxCAN控制器實現,CAN收發器選用帶隔離的高速CAN收發器CTM1050D,其主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平,具有隔離功能及ESD 保護作用;電磁抗干擾性極高;無需外加元件可直接使用,提高了CAN 總線的穩定性和可靠性。[6]

圖2 充電樁數據采集控制器結構圖

3 監控系統軟件設計

3.1 CAN通信協議設計

CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡,它以報文為單位進行數據信息的交換。其中報文標識符(ID)描述了數據含義及報文優先權,ID值越小對應的報文優先級越高。在CAN2.0B協議中幀格式分為標準幀及擴展幀,標準幀格式有11位的標識符(ID) ,擴展幀格式有29位的標識符。[7]本系統采用11位的標識符(ID)格式,系統中將11位標識符劃分為3個域,分別代表優先級、參數意義和設備ID號,定義如表1 所示。

表中各部分意義如下:

(1)P:優先級,由3 位組成,分 8 級, 0為最高級, 8為最低級;

(2)PS:參數意義,共4位,如0010代表PID參數設置命令;

(3)ID:設備編號,共4位,可表示15臺振動控制器,其中,1111代表全局命令,所有控制器都接收。

CAN協議規定報文ID號越小報文優先級越高,因此本監控系統根據需要將報文設計為4級優先級,報警報文優先級為0、參數設置報文優先級為1、狀態數據報文優先級為2,優先級為3的報文信息保留備用;每個優先級下根據參數意義不同可設置多種報文,根據報文發送頻率不同又分為觸發性報文和周期性報文。如表2所示,為充電樁ID為1的控制器收發的部分報文格式,其中表中未列出ID號的報文可作為將來擴展用。

表2 充電樁ID=1控制器響應報文

3.2 軟件整體架構

監控上位機軟件采用美國NI公司的LabVIEW圖形化編程軟件實現。它因具有擴展性強、圖形化的編程環境、開發時間少等特點而廣泛應用于信號處理和監控系統。本文利用LabVIEW軟件進行CAN網絡通信和監控界面的開發。

基于LabVIEW設計的監控軟件主要完成以下兩方面工作:一方面接收充電樁數據采集控制器發來的CAN報文,實時監控充電樁數據采集控制器的工作狀態,以保證每臺充電樁數據采集控制器都在監控系統的監控下;另一方面根據用戶操作發送控制命令,實現對充電樁數據采集控制器的控制操作,同時提供良好的人機交互界面。因此為了提高程序運行效率,軟件架構采用多線程處理方式,即發送循環/接收循環并行模式。在發送循環里采用事件結構完成對用戶操作的響應,實現對CAN模塊的初始化、啟動CAN收發等功能,同時將用戶操作命令組織成完整的CAN報文,并通過發送模塊發送到CAN總線上;如圖3所示為1號充電樁“啟動”命令的發送程序。接收循環每隔100ms讀取一次CAN接口卡緩沖區的數據,并根據接收到數據的ID標識符進行數據解析,進而進入相應的數據處理程序,將解析后的各充電樁數據同步顯示到對應的界面上,如圖4所示為1號充電樁電壓、電流、溫度數據接收程序。在界面上可以直觀看到各充電樁工作狀態數據,如果發生了報警信息,監控系統會以聲光報警的方式提醒操作者。

3.3 CAN通訊編程實現

本文所采用的USB-2E-U CAN接口卡提供了標準動態接口函數庫usbcan_e_64.dll,在LabVIEW中通過Call LibraryFunction 節點調用動態鏈接庫中的API函數即可實現對CAN接口卡的各種操作。CAN接口卡庫函數的調用流程如圖5所示,首先打開CAN接口卡設備,如打開成功即可初始化CAN通道,初始化完成后啟動CAN收發;啟動收發后就可通過調用發送CAN報文函數VCI_Transmit和接收CAN報文函數VCI_Receive實現數據的收發;比如接收函數VCI_Receive的調用過程如圖6所示,其中輸入的參數有設備類型號、設備索引號、CAN通道號、接收幀簇數組(VCI_CAN_OBJ_R)及大小200、接收等待時間(100ms),輸出數據為實際接收到的幀數及接收到的CAN報文,其他函數的調用方法類似。本系統中設置CAN通信的波特率為500kbps,濾波方式設置為全部接收。

圖3 CAN發送報文框圖程序

圖4 CAN報文接收框圖程序

圖5 CAN接口庫函數調用流程圖

圖6 CAN接收函數VCI_Receive調用程序框圖1

4 系統試驗結果

系統設計完成后進行了實際測試,如圖7所示為1號充電樁監控界面,畫面顯示了該充電樁數據和工作狀態。通過圖中選項卡可切換到其他充電樁數據采集監控畫面或系統參數設置界面。從實際測試結果可以看出,該監控系統界面友好、參數修改方便、運行平穩。

5 結論

本文介紹了一種基于LabVIEW和CAN總線的充電站數據采集監控系統,該系統可實現充電樁數據采集控制及系統工作狀態的監控。系統進行了試驗測試,結果表明該系統性能穩定可靠、界面友好,操作簡便、擴展性強且成本低,具有很好的推廣價值。

圖7 系統總體監控界面