1. 引言
面对传统燃油汽车尾气排放造成的污染及其对石油资源的过度消耗所引发的环境与能源问题，电动汽车(electric vehicle，EV)以其良好的环保、节能特性，成为当今国际汽车发展的潮流和热点之一 [1] 。然而，随之而来的大量电动汽车负荷接入电网所带来的影响逐渐引起了电网运营者和研究人员的关注，文献 [2] [3] [4] [5] 均表明大规模电动汽车的充电行为会带来系统局部电压下降、变压器过载、负荷峰上加峰等影响。考虑到电动汽车负荷的需求响应特性，文献 [6] [7] [8] 提出利用电价对电动汽车充电行为进行有序引导，使其能充分发挥弹性负荷的作用，改善负荷形态，提高系统运行的经济性。
由于电动汽车充电负荷的有序控制是建立在电动汽车充电行为监视的基础上，文献 [9] 介绍了电动汽车充电设施监控的特点，以需求确定功能，提出了系统分层体系架构设计方案，并给出通信组网方式及各层的软件功能实现。文献 [10] 根据电动汽车充电站的需求，充分考虑未来发展趋势，以IEC61970/61850系列标准为技术基础，提出汽车充电站监控系统建模方案，建立电动汽车充电站系统模型、设备信息模型、通信模型，并介绍建模方法，给出了站内智能电子设备(IED)信息集成的实现以及系统方案的应用前景。除了充电站的监视，大量散落在住宅小区、商场、办公区域的充电桩的监视也不可或缺，对其进行监控既是保证动力电池充电安全的需要，也是进一步提高大规模电动汽车有序充电管理的必要条件。
基于以上分析，本文提出一种对充电桩进行集中监控的平台设计，通过充电桩的采集监控器实现充电信息的实时采集，并与平台进行交互，从而为实现大规模电动汽车的有序充电提供支撑。借助所设计的系统平台架构，并将其嵌入到配电自动化系统中，从而实现对电动汽车有序充电的控制，通过现场测试验证了所提出监控平台的合理性。
2. 系统构架设计
2.1. 总体构架
随着大量电动汽车的涌入，较多的私家车等采用即插即用的充电桩充电模式 [11] ，而充电桩有交流充电桩和直流充电桩2类 [12] ，为有效对这类负荷进行控制，有必要对其充电行为进行监控，进一步利用电价等机制对其进行有效的引导，因此考虑在配电自动化系统中开发嵌入充电桩的集中监控系统，其系统结构如图1所示，它适合于大规模电动汽车有序充电的管理。其中设备层负责对车辆信息的采集，控制层负责对车辆信息有序充电控制信息的下发，应用层实现对大量电动汽车有序充电的控制，并与配电自动化系统进行交互。本系统结构以充电桩监控器为基础，通过充电桩对车辆信息的采集，按给定通信方式与电动汽车有序充电控制平台进行交互，上传电动汽车电池的状态等参数，下达充电功率调度命令，该平台是实现大规模电动汽车与配电网互动的基础。
Figure 1. System framework of the charging pile centralized supervisory control
图1. 电动汽车充电桩集中监控的平台架构图
2.2. 系统接入方案
充电桩有线/无线GPRS/3G/4G网络通道，通过移动/公共互联网，采用标准开放的充电设施接入协议将充电桩/群接入小区充电服务平台。充电桩监控器是电动汽车有序充电的重要组成部分，其主要功能是对其充电过程进行实时监控，并按电动汽车有序充电控制平台的要求满足充电需求，并可在突发状况下断开充电。其通信连接方案如图2所示。
Figure 2. Control structure diagram of the charging pile controller
图2. 充电桩集中监控系统的结构图
充电桩采集服务器充当着充电桩和电动汽车有序充电控制平台的之间的“媒介”，其主要功能是：
1) 与充电桩通讯。实现对电动汽车电池的有序充电控制，依据既定的通信交互方式，上传电动车电池状态等参数、下达充电功率调度命令；
2) 与电动汽车有序充电控制平台通讯。实现按既定的充电策略调节充电功率，并尽可能的优化充电控制时间，共同完成车辆的充电功率调节过程，并在突发状况下断开充电；
3) 实现对电动汽车充电过程的实时监控与管理，拓展了与PC交互、提供稳压供电、事件记录、异常报警、人机交互、预留下载接口以及对告警指示灯按键等功能。
3. 关键技术设计
3.1. 电动汽车车辆信息的采集
目前很多充电桩设备内部都集成了对电池状态(BMS)的检测功能，所以只要确定好与充电桩的通讯协议，就可以对相关的数据进行采集。但还有一部分充电桩内部尚不具备该功能，因此设计有充电桩监控器，通过设计硬件电路进行监测，其采集的信息主要为电流和电压。
对采集到的电池组的电压和电流信号，接入专门的电池监测芯片DS2438，再通过光耦隔离的方式接入MCU。此外对电池荷电状态的估计可由公式(1)计算：
(1)
其中，
为电动汽车返回时刻的荷电状态、
为初始时刻的荷电状态、
为电动汽车的行驶距离、
为电动汽车的百公里耗电量，
为电池容量。
3.2. 电动汽车充电控制信息的下发
充电桩监控器具备向电动汽车下发控制指令的功能：包括启动、停机等设定参数。其通信方式可采用有线或无线通信方式，本文采用RS485总线的形式进行硬件连接。它采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的能力，加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200 mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
在软件设计上，为了保证通讯的准确，这里考虑的是MODBUS总线协议，采用的是MODBUS的RTU模式。其协议格式如图3所示，本文采用的是MODBUS的RTU模式 [13] ，模式如图4所示。MODBUS是一项应用层报文传输协议，此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。
Figure 3. Protocol format of MODBUS
图3. MODBUS的协议格式
Figure 4. Data transmission format of MODBUS (RTU)
图4. MODBUS(RTU)模式的数据传输格式
3.3. 信息的通信及传输
本文主要考虑城市充电桩监控器与电动汽车有序充电控制平台之间的交互，采用西门子公司的SIM800A的GPRS [14] 模块实现语音、SMS和数据信息的传输，它是一款两频GSM/GPRS模块，能适用于各种紧凑型产品设计需求。其连接框图如图5所示。
该模块支持单独TTL接口连接，也支持RS232串口电路，两种方式配合，便于调试。模块电源采用开关电源模块供电，电源利用效率高，支持USB直接供电，同时带电源使能引脚，可以控制模块电源，这点是极其有用的。SIM卡采用目前主流的MICRO卡座，质量更坚固，也不用因为小卡而烦恼，同时添加ESD静电保护电路。支持超5 V~24 V的宽工作电压范围，工作温度为−30℃至+80℃。采用GPRS无线通讯方式和基于HTTP的数据交互协议 [15] [16] [17] 。
由于无线通讯受外界环境影响较大，通道的可靠性相较于光纤等通道低，因此在数据传输规约及控制指令传输中设计了相应的容错和纠错机制，且符合电网的远动规约。
4. 系统实现流程
4.1. 充电桩监控器的信息采集控制流程
充电桩监控器负责车辆信息的采集与传输，并实现相应的控制，其流程如图6所示。
其步骤如下：
1) 连接网络到充电桩采集服务器；
2) 在指定时间间隔后打包数据到缓存队列；
3) 缓存队列为空时，发送数据到充电桩采集服务器；
4) 充电桩采集服务器接收数据；
5) 在指定时间间隔后，缓存数组为空时，发送数据到充电桩；
6) 接收充电桩数据；
7) 定时清零，返回第2步。
Figure 6. The flow chart of the electric vehicle charging pile controller
图6. 充电桩监控器的软件流程图
4.2. 电动汽车有序充电控制流程
电动汽车有序充电控制平台结合充电桩采集服务器中的信息及配电网的相关信息处理后进行有序充电的控制计算分析。考虑文献 [18] 所提的基于峰谷电价对电动汽车进行有序控制，本文采用遗传算法，考虑配电自动化系统的日负荷预测需求及车辆的充电需求，实现最优充电成本的有序控制。其流程如图7所示。
Figure 7. The flowchart of electric vehicle ordered charging control
图7. 电动汽车有序充电控制流程
4.3. 系统实现
充电桩的监控采集信息集成在电动汽车有序充电控制平台内，通过该平台能实现对大规模电动汽车充电桩的监控。通过在某配电网中应用该系统，其实际监视结果如图8、图9所示。对充电桩的监视信息包括电压、电流、功率等状态信息，通过对其功率的监测，及时反馈给有序充电控制平台进行功率调节以满足实际运行车辆电能补给需求。
Figure 8. Monitoring results of charging pile
图8. 充电桩监控结果
Figure 9. Monitoring results of charging pile
图9. 充电桩监控结果
5. 结论
本文提出了一种电动汽车充电桩集中监控系统的设计，通过本地采集车辆电池的电流、电压等参数，并采用串口及GPRS通信方式实现充电信息的实时采集与监视，结合配电网的运行参数进行有序控制。通过现场实际的安装调试表明该平台具有较好的安全性、可靠性、准确性，能够保障各充电桩的信息快速、安全地传输。目前已经成功应用于某市多个电动汽车充电桩，为电动汽车的推广与应用提供了借鉴和使用基础。