1、 武汉理工大学毕业设计（论文） 电动车充电桩充电导航技术研究 学院（系）： 自动化 学院 专业班级： 电气 专业 学生姓名： 指导教师： 摘 要 电动汽车产业对于我国来说，无论是在追赶世界级工业水平、还是在应对能源短缺挑战都是一次重大、重要的发展机遇。大力推广和普及电动汽车，将其从电动公交和公司集团用车延伸到面向广大用户，将有力推进新能源的发展。但是在这一进程中有两大制约因素，一个是动力电池，一个是充电设施。 本论文主要就充电设施供不应求这一点，对智能充电导航系统的无线通信技术展开研究，设计一款智能无线通信模块，实时接收充电桩的充电信息，并将信息通过 WIFI 技术发送给云平台服务器，再由服务
2、器计根据车主手机客户端所在方位测算出最佳充电地点，并发给手机客 户端。 本论文主要分析各种有线通信和无线通信技术的优缺点，并进行比较确定采用 WIFI通信技术，并就充电桩网络接入、服务器数据处理、用户端 APP 进行了相应的方案设计，及其系统硬件框架设计，同时详细阐述了所实现的功能。 关键词： 电动汽车；无线通信； WIFI； APP Abstract Electric vehicle industry for our country, both in the industry catch up with world-class level, or in response to energy
3、shortages are a major challenge, significant opportunities for development. To promote and popularize electric cars, electric buses and its group of companies from extending into the car for the majority of users will greatly promote the development of new energy sources. But there are two major con
4、straints in this process, it is a battery, a charging facility. This thesis will demand that the charging facility for charging navigation system intelligent wireless communication technology to expand the research, design an intelligent wireless communication module, receive real-time charging info
5、rmation Charging pile, and the information is sent to the cloud through WIFI technology platform server, then counted by the server according to the owner mobile client where the position is estimated the best charging location, and send mobile client. This paper analyzes the advantages and disadvan
6、tages of a variety of wired and wireless communication technology, and compared to determine the use of WIFI communications technology, and to charge pile network access server data processing, client APP for the corresponding program design, and system hardware framework design, and elaborated the
7、functions implemented. Key Words： electric car； Wireless communication； WIFI； app 目录 第 1 章 绪论 .4 1.1 研究背景及目的意义 .1 1.2 国内外发展现状 .3 1.2.1 充电桩发展现状 .3 1.2.2 充电桩后台管理发展现状 .5 1.3 本文研究内容 .8 第 2 章 网络接入模块与充电桩通信方案选择 .9 2.1 RS-232 通信技术分析 .9 2.2 RS-485 通信技术分析 . 11 2.3 CAN 总线通信技术分析 .14 2.4 性能比较分析与选择 .18 第 3 章 网络接入
8、模块与服务器通信方案选择 .19 3.1 远程无线通信技术分析 .19 3.1.1 GPRS/CDMA 无线通信 .19 3.1.2 短波通信 .19 3.1.3 数传电台通信 .20 3.2 短程无线通信技术分析 .20 3.2.1 蓝牙（ Bluetooth）通信 .20 3.2.2 紫蜂（ Zig-Bee）通信 .20 3.2.3 无线宽带（ WIFI）通信 .21 3.2.4 超宽带（ UWB）通信 .22 3.2.5 RFID 通信 .23 3.2.6 NFC 通信 .23 3.3 性能比较分析与选择 .24 第 4 章 系统方案设计 .25 4.1 总体方案设计 .25 4.2 充
9、电桩网络接入方案设计 .28 4.3 服务器数据处理方案设计 .29 4.4 用户端 APP 方案设计 .30 第 5 章 充电桩网络 接入装置设计 .35 5.1 充电桩硬件电路分析 .35 5.2 网络接入装置功能需求分析 .36 5.3 MCU 核心电路设计 .37 5.4 CAN 接口电路设计 .38 5.5 WIFI 接口电路设计 .39 第 6 章 总结与展望 .40 6.1 总结 .40 6.2 展望 .40 参考文献 .44 致 谢 .45 武汉理工大学毕业设 计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及目的意义 电动汽车产业对于我国来说，无论是在追赶世界级工业水平、还
10、是在应对能源短缺挑战都是一次重大、重要的发展机遇。而电动汽车的推广有两大制约因素，一个是动力电池，一个是充电设施。 目前国内的比较常用的动力电池一般是酸铁锂电池，当对电池充放电时，若采用 0.2C 的倍率，则可以增加电池的使用时间。而 0.2C 充电则需要 5 个小时才能将电池充满。国外如特斯拉采用 18650 型锂电池作为动力电池，可以 1C 充放电，在使用超级充电机对电池进行 1C 倍率充电情况下，最快也需要 1 个小时将电池充满。 以比亚迪主推电动车型 e6 为例，使用 3.3kW 的车载充电机，动力电池为 300V220Ah，如用交流充电桩充电，从无电到充满需要大于 20 小时。 图
11、1-1 交流充电桩对比亚迪 e6 充电 以特斯拉主推电动车型 Model S 85 为例，车载动力电池为 7104 节串并联组合的 18650型锂电池，规格约为 355V230Ah。特斯拉自产的超级充电桩以 192A 接近 1C 倍率电流对锂电池充电，从无电到充满需要大于接近 1 小时。 图 1-2 特斯拉超级充电桩对 Model S 85 充电 以南京金龙客车主推的电动大巴为例，使用 600V600Ah 的电池，从无电到充满需要大武汉理工大学毕业设 计（论文） 2 于接近 5 小时。充电一次市内可跑 150-200km，若作为单位通勤车使用，一般路径单程约30 公里，一天跑两趟来回 70 公
12、里，每 2 天就要充一次电。 图 1-3 直流充电 桩对南京金龙电动大巴充电 所以，在能源补充方面，传统汽车是加油，而电动汽车属于充电，充电耗时更长。动力电池在其推广使用时并不顺利，主要是由于材料的问题导致充电时间长。而在能源补充设施方面，传统的加油站占地面积小，充电站需要较大占地面积。 同时因为充电时间较长，当需要充电的车辆较多时，停车位也将占用很大空间，因此在城市中由于土地资源紧张，电动汽车的推广和建设非常困难。 除去前面两点，数据统计目前电动汽车销量大于充电设施建设的数量，这是推广动力电池的更不利因素。 但在中国汽车工业协会和国家电网的报告中 ，截止 2014 年底，全国有 2.8 万个
13、充电桩和 723 座充电站，就一对一的标配而言，两者相差甚远。 传统的电动汽车充电需要一定的时间，加上充电设施少，于是就充电来说很不方便，不利于其推广。在这种情况下，如何充分利用现有的充电桩资源便成为了目前解决充电的关键问题。 基于互联网云平台的智能充电导航系统能让车主及时了解全城各充电 桩状态、自动寻找空闲充电桩、并能实时预约空闲充电桩，不仅将大大减少车主在寻找充电桩上浪费的时间与进行充电前的排队时间，而且能有效提高充电桩利用率，对解决充电站占地过大的城市规划问题起到积极作用。本论文针对智能充电导航系统的无线通信技术展开研究，具有非常广阔的市场前景。尽管实际情况尚未达到“十二五规划”的目标，
14、但是“十三五”规划，又继续加强了建设充电桩和充电站，截止 2020 年底，目标建成充电桩和充换电站分别为 450 万个和 1.2 万座。每一个充电桩配备一个无线通信模块，将会产生巨大的经济效益！ 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 1.2 国内外发展现状 1.2.1 充电桩发展现状 当前电池自身的能量密度并不优异，充电系统管理尚未完善，从而不利于电动汽车的发展。充电问题有很多，比如充电缓慢、设施太少。 图 1-4 当前电动汽车制约发展的主要因素 电池为直流电，电网为交流电，使用交流转直流的装置即充电机，变换电流类型，从而使得动力锂电池能够提供电动汽车所需的能源。电动轿车的充电机一般集成在车上，如
15、比亚迪 e6。 图 1-5 电动汽车充电电力变换原理 电动汽车充电桩有两个类型：直流充电桩与交流充电桩。 交流充电桩用于电动乘用车（轿车）的充电。交流充电桩本身并不能进行交直流转换，只能控制开关将电网交流电接入到电动汽车、完成电量计费等功能，因此只适用于具有集成车载充电器的电动轿车。因为交流充电桩本身不集成交流转直流装置，所以交流充电柱优点是体积小、技术简单 、制造成本低。因为国家大力推广电动汽车，而电动汽车里面电武汉理工大学毕业设计（论文） 4 动乘用车（轿车）量最大，因此交流充电桩的需求量在充电柱里面最大。交流充电桩的缺点是：由于给电动汽车充电的是功率较小的车载集成充电器，所以交流充电柱充
16、电较慢，家庭用电充需 7-20 个小时。 图 1-6 交流充电桩原理 直流充电桩将交流转换成直流，有分体式和一体式两种。分体式是充电机与桩分离，充电机集中放置在室内，桩放置在露天。一体式是充电机与桩集成在一个机箱里面，放置在露天。 图 1-7 分体式充电桩图 1-8 一体式充电桩 直流充电桩的充电机因为是独立装配在汽车外部，因此功率可以做得很大。当功率较大的时候，充电的电流会较大，相应的就会使电动车在较短时间内完成充电。例如比亚迪e6，若采用交流充电桩，则完成从零开始充电的时间约为 20 小时，而若采用 10kW 的直流充电桩所需要的时间只有 6 小时。由功率与充电时间的关系可知，通常所见市面
17、上的快速充电桩等快充设备，工作原理都是直流、大功率。例如特斯拉超级充电桩，功率大，属于直流，因此充电速度快。 以特斯拉主流车型 Model S 85 为例，车载动力电池采用松 下产笔记本专用电池 18650。该种电池的优点在于其电池能量密度大，大约两倍于磷酸铁锂电池，且一致性较高，能达3C 充电。但是其缺点在于安全系数不高，同时热特性和电特性存在引发起火的问题。对此，特斯拉采用最高水平的 EMS（电池管理系统）掌控其风险。但是国内由于技术不成熟，只能使用性能较稳定，安全系数高的磷酸铁锂电池。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 图 1-9 特斯拉北京总部的超级充电桩 特斯拉 Model S 85
18、 车上总共集成有 16 组电池组 444 节电池（ 74 并 6 串），共 7104节锂电池，约 355V230Ah，全部平铺在轿车底盘。 图 1-10 特斯拉 Model S 85 动力锂电池铺设实物图 特斯拉超级充电桩实际就是 125kW 大功率分体式直流充电桩，充电电流可达 192A，如果对 Model S 85 的 230Ah 蓄电池充电，充电一半、充电 80%、充电 100%所需的时间分别为 20 分钟、 40 分钟、 80 分钟。 电动车快速充电的瓶颈不在于充电机，只要充电电流越大，充电时间越短， 1C 充电，1 小时充满， 2C 充电，半小时充满。 锂电池因为电池材料的原因，若想
19、增加电池使用时间，充放电时不适合大于 1C，而普通锂电池建议的充电也是低于 0.2C，用 5-6 小时完成整 个充电过程。这都说明电池的材料是电池充电技术需要攻克的难题。 家庭用充电桩充电更慢的原因是：家庭电力供电不足，无法提供更大的电流，需要单独场地建桩引线。 1.2.2 充电桩后台管理发展现状 在推广新能源的进程中，大力推广和普及电动汽车，将其从电动公交和公司集团用车延伸到面向广大用户，这已是不可扭转的趋势。而对于此，充电桩的供不应求就成为了阻武汉理工大学毕业设计（论文） 6 碍新能源汽车产业的一个极其重要的因素。本论文致力于通过“手机 App” +“智能充电网络” +“运营平台”的模式，
20、实现电动汽车产业最佳用户体验。 在当今互联网时代，数据 代表着最实时的状态，而 APP 客户端可以融合充电网、车联网、互联网，给用户最便捷的服务，可在线查询、预约、导航、支付、监控等。 目前已经有美国的公司开发并发布了电动汽车充电相关的 APP，当用户使用该应用程序时，能够很方便通过它找到附近各处的电动汽车充电站，同时能够进行费用查询等任务 1 。例如美国软件提供商 Recargo 发布的 PlugShareAPP，就是让电动车主下载该程序，即可完成搜寻附近充电站、查询充电费用并付款等各项任务。这一类 APP 被研究和发布，使得充电站能够得到更加高效的使用，并且让电动车主能够更 加方便找到充电
21、站。 电动汽车充电设施的建设，在国内主要围绕充电站、充电桩等展开，截止 2015 年上半年，国家电网公司已经建成的充换电站约为 700 座，已经建设的充电桩也达到近 3 万个，还构建了相应的工作网络。同时，在寻找充电站、充电以及后期服务方面，国内有单位提出智能化方向，即智能充电导航 2 ，智能充电桩设计 3 或者建立智能的充电服务平台 4 。但是集智能导航，智能充电以及智能服务三种功能于一身的系统，直到目前还没有被开发成熟并投入运营。 目前，充电桩产业发展迅速，在该产业的商业模式中，主要有如下三种。 “ 充电桩 +商品零售 +服务消费 ” 模式、 “ 用户 +运营商 +设备制造商 +整车厂商
22、” 模式、 “ 充电 APP+云服务 +远程智能管理 ” 模式。要想充电行业能够更加快速的发展，其推动力就是互联网平台与资本。当前的许多充电桩运营商针对盈利的看法为，暂时无法实现盈利，当产业发展两年之后，即会开始盈利。因为电动汽车以及其充电系统的市场，是充电与支付的全新场景而非以往的保养。因此充电并不是简单的卖电，而是要通过各种充电设施的互联，构建出充电系统的网络。 文献 5-8 就电动汽车的发展方向和模式提出车联网，这个商业发展模式的提出，将对电动汽 车车载终端的研究起到促进作用，同时也能为云服务系统提供研究方向和思路。为了能够给电动汽车厂商提供一种智能的车载终端以及后台服务的平台，设想可以采用北斗和 GPS 卫星定位系统、 3G 网络应用技术以及云计算的平台服务技术来实现平台构建。通过这几种技术构建出来的智能平台，将能够给用户提供方便快捷的服务，例如查询附近充电站、对汽车电池电量情况以及工作情况的监测、智能充电以及智能服务功能。这些功能不仅能够方便快捷地帮助用户完成充电过程，而且能够及时、合理的进行服务。由此用户安全享受的驾车出行得到了保障，客户满意度得到提 升，公司也会因此增强自身在市场的竞争力。
