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基于CAN总线的多直流充电设备监控系统设计毕业论文

 2020-02-17 07:02  

摘 要

环境污染问题日益严重,我国的石油资源严重不足,但是随着智能电网的发展,发展电动汽车是一项解决当今世界温室效应和环境污染的有力途径,有助于减少对石油的依赖,也有利于我国在汽车领域实现“弯道超车”。直流充电桩作为电动汽车的充电设备,针对多直流充电设备监控系统的研究有利于推进电动汽车产业的发展。

本文以STM32F103ZET6微控制器为核心,结合了CAN总线协议、Modbus协议、STM32嵌入式控制技术以及直流充电桩相关国家标准等规范,设计实现了基于CAN总线的多直流充电设备监控系统。该系统主要包括电能参数计量单元、温湿度检测单元以及人机交互单元。该系统能够监测直流充电设备运行过程。

首先,根据多直流充电设备监控系统的相关功能需求,设计相关硬件功能电路。其次,编写STM32F103ZET6微控制器相关通信程序来实现通信功能。最后,开发触摸屏,完成直流充电设备的人机交互功能。

关键词:CAN总线;直流充电桩;STM32F103ZET6;监控系统;Modbus协议

Abstract

The problem of environmental pollution is becoming more and more serious. China's oil resources are seriously insufficient. However, with the development of smart grids, the development of electric vehicles is a powerful way to solve the world's greenhouse effect and environmental pollution, helping to reduce dependence on oil. Conducive to China's realization of "curve overtaking" in the automotive field. DC charging piles are used as charging devices for electric vehicles. The research on multi-DC charging equipment monitoring systems is conducive to the development of the electric vehicle industry.
This paper takes STM32F103ZET6 microcontroller as the core, combines CAN bus protocol, Modbus protocol, STM32 embedded control technology and national standards of DC charging pile. It designs and implements a multi-DC charging equipment monitoring system based on CAN bus. The system mainly comprises an electric energy parameter measuring unit, a temperature and humidity detecting unit and a human-machine interaction unit. The system is capable of monitoring the operation of DC charging equipment.
First, according to the relevant functional requirements of the multi-DC charging device monitoring system, the relevant hardware function circuits are designed. Secondly, the STM32F103ZET6 microcontroller-related communication program is written to implement the communication function. Finally, the touch screen is developed to complete the human-computer interaction function of the DC charging device.

Key Words:CAN bus;DC charging piles;STM32F103ZET6;monitoring system;Modbus protocol

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景和意义 1

1.2国内外充电设施研究现状[8-14] 2

1.2.1国内充电设施研究现状 2

1.2.2国外充电设施研究现状 2

1.3论文研究主要内容及结构 3

第2章 系统总体方案设计 5

2.1多直流充电设备监控系统需求功能分析 5

2.2直流充电桩技术指标 5

2.3多直流充电设备监控系统总体方案设计 6

2.4本章小结 8

第3章 监控系统硬件设计 9

3.1主控制单元设计 9

3.1.1主控板芯片选型 9

3.1.2 STM32F103最小系统设计 9

3.2电能参数计量单元设计 12

3.2.1电能计量的分类 12

3.2.2计量电表的选型 13

3.2.3电能表通信接口电路设计 14

3.3人机交互单元设计 15

3.3.1人机交互功能分析 15

3.3.2触摸屏接口电路设计 16

3.3.3指示灯和蜂鸣器电路设计 17

3.4温湿度检测单元设计 18

3.4.1温湿度传感器技术 18

3.4.2温湿度传感器接口电路设计 18

3.5监控系统硬件原理总图 18

3.6本章小结 19

第4章 监控系统CAN通信设计 20

4.1CAN通信协议的制定 20

4.1.1CAN总线介绍 20

4.1.2数据帧的构成[23-24] 22

4.1.3帧优先级仲裁 24

4.1.4CAN通信协议 25

4.2 CAN通信测试 26

4.2.1嵌入式软件平台搭建 27

4.2.2硬件设计 28

4.2.3CAN配置步骤 29

4.2.4主函数设计 30

4.2.5 CAN通信测试 31

4.3本章小结 33

第5章 监控软件设计 34

5.1监控软件界面设计 34

5.2Modbus协议分析 35

5.3Modbus从机程序设计 37

5.4本章小结 40

第6章 总结和展望 42

6.1研究总结 42

6.2展望 42

参考文献 43

附录 45

致谢 51

第1章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

汽车尾气排放是造成环境污染的重要因素之一。截止到2018年底,我国汽车保有量为2.4亿辆,燃油汽车在为我们生活的许多方面带来了便利的同时,但是我国面临着石油资源严重不足的处境,燃油汽车自然而然也带来了能源短缺等问题,目前石油进口问题已成为影响我国战略的重要问题。如今我国投入巨大的人力物力来确保我国国际能源运输线的安全,进而确保正常的能源供应。

随着智能电网的不断兴起,世界上许多国家都在大力推行倡导环境友好型的生活方式[1],树立绿色发展理念,努力推进对电能更大范围和层次的利用。因为电动汽车以电代油的这一节能环保的方式,在此过程中直流充电设备充当着加油站中的“加油机”的角色[2],把电能利用成为电动汽车的“口粮”,使电动汽车不仅节约了运行成本,还使其具有零污染以及的噪音低的特点。所以,发展电动汽车也是一项解决当今世界温室效应和环境污染的有力途径,同时也有助于减少我国对石油资源的依赖,对我国的经济安全起着至关重要的作用[3]。同时,在汽车领域中我国与德国、日本、美国等工业发达国家还有一定的差距,大力促进电动汽车的发展为我国汽车工业发展提供了新的历史机遇,将有助于我国在与美、日、德等发达国家在汽车工业的竞争中实现“弯道超车”。

电动汽车产业是国家重点发展的产业之一,作为电动汽车的“加油机”,直流充电设备也已经在电动汽车充电桩等领域内广泛应用[4]。为了提高人员利用效率,节省人力、物力,增强直流充电设备运行过程中的可靠性、实时性,在此,我们在CAN总线技术的基础上,研究设计出了基于CAN总线的多直流充电设备的信息监控系统,该监控系统可以实时反映出直流充电设备的运行工况[5],并具有故障报警以及LED提示功能。我们将CAN总线技术应用于多直流充电设备的监控系统设计中,进而在充电过程中直流充电设备的输入电流、电压以及输出电流、电压等数据信息均可通过CAN总线通信接口获取,采用CAN总线控制系统可有效地对充电设备进行实时管理,其拥有动态捕捉数据以及记忆功能,从而在电动汽车充电过程中实现数据具有实时性以及充电可靠性[6-7],CAN总线技术同时也适用于监控系统通信距离长的场合,CAN总线具有良好的可靠性以及故障隔离能力,可以大大地节约成本。基于CAN总线的多直流充电设备监控系统使工作人员对与大量分布的充电设备进行集中管理的过程更加方便,有利于进一步推进电动汽车的推广普及,更好地推进智慧城市的发展,促进我国汽车工业的发展。

1.2国内外充电设施研究现状[8-14]

1.2.1国内充电设施研究现状

为了促进我国电动汽车行业的发展,进一步地解决环境污染和能源短缺问题,目前全国各省市都在出台相关政策法规,营造良好的推进充电设施建设的环境。在国家《电动汽车充电设施发展指南(2015-2020年)》中明确指出,提供480万个分散充电桩以及1.2万座集中充换电站作为2020年充电设施的发展目标,以此来达到满足全国范围内500万辆电动汽车充电需求的目的。截止到2018年11月末,我国分散充电桩的数量已经达到72.8万台。在国家出台的《提升新能源汽车充电保障能力行动计划》中明确指出,进一步优化充电设施的建设以及发展环境。比亚迪作为电动汽车领域的代表企业,已在深圳于2006年成立电动汽车研究所,并且建成了中国第一个电动汽车充电站。由于国家相关政策法规的大力扶持和推广,电动汽车已经在全国范围内广泛使用,我国有星星充电、浙江万马、中国普天、南瑞、特来电、许继等多家高新技术企业正在奋力不断地开展充电基础设施建设,并且为电动汽车用户提供充电运营服务。

在充电系统技术方面,国家电网推出开发的V2G充放电站系统,其不仅可以通过充电过程给车载电池进行充能作业,还可以通过放电过程将蓄电池中多余的电能传输给电网;国家电网还进行了针对于充电设施自动检测平台的设计,它取代了传统的人工手动检测的方法,转变成自动生成针对于充电设施电性能以及互操作性能的报告;广州金升阳科技有限公司则进行了针对直流充电桩与其它设备之间的通信进行研究;以及全国各高校和企业合作研制的大功率充电机模块也已经量产,如英飞源公司的功率为20KW的充电模块以及金威源公司的功率为30KW的充电模块。在大数据和移动支付等多种因素的驱动下,针对于充电设备的控制系统和计费管理系统也日趋成熟。国内充电技术发展为V2X、无线传导、更换电池组、直流快充及交流慢充等多元化充电技术。我国的电动汽车充电设备正朝着“智能,安全,高效,便捷,经济”的方向发展。

1.2.2国外充电设施研究现状

美国的充电基础设施建设已经基本实现整个国家全覆盖,重点集中分布在伊利诺伊、纽约、加利福尼亚这三块大的区域。美国充电基础设施安装的主要方式是结合现有的露天或在泊车位旁安装充电设备,进而实现了“停车加充电”同时进行的目的,达到了省时、高效的目的。美国针对于电动汽车的充电设备主要分为DC-FAST CHARGER型、AC-LEVEL1型和AC-LEVEL2型三种类型。AC-LEVEL1型和AC-LEVEL2型主要为应用于住户家庭。而DC-FAST CHARGER型则是应用于公共场所,DC-FAST CHARGER型充电器主要分布在城际和高速铁路上。便携式的AC-LEVEL1型充电器充电速度较慢,其插头具有通用性。需要由专业工作人员安装的AC-LEVEL2型充电器充电速度较快,AC-LEVEL2型充电器的形式包括吸顶式、挂壁式和落地式三种,AC-LEVEL2型充电器的分布最为广泛。美国的充电设施已经使用了无线充电技术。在充电设施建设方面,特斯拉充电设施体系以及充电基础设施示范项目“The EV Project”是美国规划最为系统的两个体系。两种体系的区别是特斯拉电动汽车需要需要专用的充电设施来进行充电,其一共有移动充电包、挂壁式充电器以及立地式充电桩三种方式。

日本政府计划到2020年在全国范围内建成200万个应用于住宅家庭的充电站以及5000个可实现对电动汽车进行快速充电的充电站。在电动汽车充电技术领域,日本处于世界领先水平,日本的快速充电器在15分钟内可对电动汽车充电80%。中国和日本的企业将在2020年前合作共同研发一款充电桩,该充电桩可以在10分钟内充电100%。普通充电器、快速充电站是日本政府推行的两种充电方式。面积狭小的地域以及风景区通过架设普通充电器对电动汽车进行完全充电。快速充电站则应用在大城市中心和高速公路服务区对电动汽车进行充电作业。

面对电动汽车产业巨大的市场需求,在电动汽车领域起步较晚的德国政府和各大车企开始纷纷制定新的战略,加大对建设充电站和充电桩的投入力度,并着手研发应用于电动汽车的高性能动力电池。德国推出的ABL充电桩具有可自动匹配输出电流,智能分流输出,支持两辆电动汽车同时进行充电的特点。

目前很多充电站存在并没有对充电桩进行实时监控的缺点,从而造成对充电桩的管理很难高效有序地进行。充电桩与管理机之间以及充电桩之间的通信以及数据传输也尚无统一的通信协议可以遵循。

1.3论文研究主要内容及结构

由于直流充电设备的种类繁多,我们在此以电动汽车直流充电桩为具体研究对象。本文主要对监控系统中的电能参数计量单元、温湿度检测单元、人机交互单元进行设计。下面对本文各章节进行简要的介绍。

第一章绪论部分首先介绍了课题研究的研究背景和意义,总结了国内外充电设施的研究现状,最后简明扼要地阐述了毕业论文的各章节安排情况。

第二章监控系统的总体方案设计部分首先详细分析了多直流充电设备监控系统的功能需求,结合直流充电桩的技术指标,最后提出了监控系统总体方案以及应用于直流充电设备本身的本地监控系统方案。

第三章根据多直流充电设备监控系统功能需求分析,设计出了监控系统硬件原理总图以及相应通信接口电路。包括电能表通信电路、温湿度传感器电路以及接触器控制电路等。完成了主控芯片、电能表以及温湿度传感器选型。

第四章首先阐述制定应用于监控系统的CAN通信协议,详细地介绍了CAN总线以及CAN总线中的数据帧,然后又讲解了帧优先级仲裁,讲述了数据帧传送的规则,最后提出应用于多直流充电设备的CAN通信协议。然后对STM32F103ZET6微控制器与CAN总线的通信功能进行测试,介绍了嵌入式软件平台的搭建,然后介绍了STM32F103ZET6与CAN总线硬件连接电路图,通过对STM32F103ZET6微控制器中的CAN模块进行配置,最后编写CAN通信主函数程序,然后进行CAN通信收发测试。

第五章主要对监控系统软件进行设计,首先编制好直流充电桩监控界面,然后具体分析STM32F103ZET6微处理器和威纶通触摸屏通信所用到的Modbus协议,然后对Modbus从机程序进行设计,来实现监控功能。

第六章首先对本毕业论文进行总结,同时对接下来该监控系统需要补充的内容以及相关功能进行展望,提出需要进一步解决的问题和建议。

第2章 系统总体方案设计

2.1多直流充电设备监控系统需求功能分析

直流充电设备这一加油站中的“加油机”利用以电代油的这一节能环保的方式,作为电动汽车的“口粮”,实现了零排放、噪音小的功能。大力发展电动汽车产业也是一项解决当今世界温室效应和环境污染的有力途径。电动汽车产业是国家重点发展的高科技产业之一,直流充电设备已经在电动汽车充电桩等领域广泛应用。本文针对多直流充电设备的监控系统提出以下基本功能需求[15]

  1. 直流充电设备能在极端条件下正常运行。直流充电设备既能在室内环境中运行工作,又能在室外的各种极端天气下工作。既要求直流充电设备关键部分具有防水功能,防止雨水渗入充电设备内部导致漏电的危险,又要求其具有良好的散热功能,防止因温度过高导致损害设备。
  2. 直流充电设备要具有抗电磁干扰的能力。现在居民的生活环境中存在着各种电磁干扰,所以其应具有抗电磁干扰能力以避免对设备的正常运行造成干扰。
  3. 保证整个监控系统的安全运行。如果在充电过程中遇到过压、温度过高等故障,直流充电设备的电气保护装置可以使其进行自动断电并发出警报,来保障用户的人生安全。
  4. 友好的人机交互界面。使用户借助触摸屏可以直接对直流充电设备进行控制。
  5. 充电界面应能显示充电过程中的信息。如充电电压、电流、温湿度等信息。
  6. LED灯显示工作。通过LED灯来显示直流充电设备的不同运行状态。
  7. 集中监控功能。通过CAN总线把挂接在总线上的节点(直流充电设备)连接起来,并通过CAN USB转接器与PC相连接,完成直流充电设备内部与PC的通信,最终达到通过PC就能实现对多直流充电设备进行集中监控的目的。

2.2直流充电桩技术指标

我们在此采用大电流充电方式,该直流充电桩的输入电源为电压为380V、频率为50HZ的三相四线交流电,大小可调的直流电作为直流充电桩的输出,中间不需转换设备,直接与电动汽车连接进而进行充能作业。直流充电桩技术指标如表2.1所示:

表2.1 直流充电桩技术指标

直流充电桩技术指标

电源(输入)

AC 380V(三相)

输入交流电源频率

50HZ

电压(输出)

200V~400V

功率(输出)

≤90kW

温度最大保护值

85℃

工作温度

-20℃~ 50℃

2.3多直流充电设备监控系统总体方案设计

根据上文的功能需求分析,通过CAN总线把各节点(直流充电设备)连接起来,最后通过CAN USB转接器与PC相连,应用CAN通信协议,完成多直流充电设备与PC的数据通信,进而实现多直流充电设备监控系统设计。多直流充电设备监控系统总体方案设计如图2.1所示。

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