摘要：隨著燃油汽車數量越來越多，帶來了一系列問題，例如能源危機、環境污染、全球氣溫上升，而發展電動汽車將是解決這些問題的有效途徑。針對電動汽車充電問題，設計了基于PLC的電動汽車充電控制方案。針對充電方案的實現，制定了通信協議實現電動車、充電樁和后臺服務器之間的通信，并編寫代碼實現初始化連接、服務會話建立、充電控制、計費結算四個主要模塊的功能；搭建了實驗室模擬測試平臺，驗證充電方案的可行性。
關鍵詞：PLC 電動汽車 充電方案
Abstract：With the increasing number of fuel vehicles, a series of problems, such as energy crisis, environmental pollution, global temperature rise, and the development of electric vehicles will be an effective way to solve these problems. Aiming at the charging problem of electric vehicles, a charging control scheme based on PLC for electric vehicles was designed. Aiming at the realization of the charging scheme, the communication protocol was established to realize the communication between the electric vehicle, the charging pile and the background server, and the code was realized to realize the functions of the four main modules: initial connection, service session establishment, charging control and billing settlement. The laboratory simulation test platform verifies the feasibility of the charging scheme.
Keyword：PLC Electric Car Charging Scheme
【中圖分類號】U469.72 【文獻標識碼】B 文章編號1606-5123（2019）01-0000-00
1 引言
近幾年來，電動汽車以其鮮明的環保特性，正不斷得到世界各國政府和企業的青睞。電動汽車是一種通過電池提供動力的環保汽車，幾乎可以達到零排放。在如今電動汽車產業蓬勃發展的情況下，與其相配套的充電基礎設施建設和充電方案研究也應該同時進行。大規模普及電動汽車的充電基礎設施建設，不但需要滿足不同品牌和型號電動汽車的充電要求，還應當滿足電能供應商的科學管理要求。因而，根據充電過程中對車載電池的充電管理以及電能供應商的科學管理要求，制定電動汽車充電基礎設施的充電管理規則，指導用戶科學規范地充電，滿足不同車輛都能進行充電的需求，實現電動汽車在全社會普及。因而成熟可靠的充電方案就變得至關重要[1]。
2 相關技術介紹
2.1 PLC
PLC（電力載波通信）是一種將數據信號耦合到電力線上，并將電力線作為傳播介質的通信技術。隨著DSP、數字編碼等技術的發展，PLC技術的用途將會愈加廣泛。PLC技術可以通過現有的電力線網絡替代專用通信網絡，輕松實現照明控制自動化、安防監控、遠程抄表等等，是一種重要的通信方式。根據帶寬大小，可將PLC技術分為窄帶 PLC技術（9~500 k Hz）和寬帶PLC技術（2~34 MHz）。窄帶 PLC技術常用于對數據傳輸速率要求不高的場合，如實現電網負荷調控、自動抄表系統和路燈控制等輕量級數據傳輸服務[2]。寬帶PLC則常用于對數據傳輸速率要求較高的場合，如大文件收發、語音通話、視頻通話等高速數據傳輸服務。
2.2 C/S
C/S (Client/Server，客戶機/服務器)模型可以充分發揮多主機信息處理的優點，將任務按需要恰當地分配給Client及Server端，從而可以有效減少單側系統計算開銷。在C/S模型中，服務器可連接多個客戶端[3]。服務器是傳統意義上講是一臺高性能的計算機，擁有較強的計算能力和較大的帶寬。在C/S模型中，數據和信息大都保存在服務器上。在實際運作中，服務器啟動監聽模式，響應來自客戶端的連接請求以及服務請求。體系結構如圖1所示。
圖1 C/S模型體系結構圖
2.3 SOCKET
電動汽車與充電樁PLC設備通信，雙方使用傳輸控制協議TCP進行數據的傳輸，并通過socket套接字通信機制建立網絡連接。充電樁為服務端，電動汽車為客戶端[4]。SOCKET通信步驟如圖2所示：
圖2 SOCKET通信步驟圖
3 充電方案設計
系統主要由三部分組成，電動汽車，充電樁，遠程服務器(數據庫)。電動汽車為電力接收方，主要負責提供車載電池參數以及實時狀態。充電樁為電力提供方，主要負責向電動汽車提供服務選擇，輸送電力等。服務器主要為充電樁匹配對應電池型號，提高充電樁充電的安全性與可靠性[5]。系統結構如圖3所示。
圖3 系統結構圖
電動汽車與充電樁之間的通信系統模型類似OSI七層模型。系統分層結構如圖4所示。
圖4 系統分層模型
3.1 物理層
與數據鏈路層由于在ISO/IEC l5118標準中，推薦使用PLC作為取代CAN總線通信，PLC通信的研究重點在于物理層和數據鏈路層的數據傳輸。寬帶PLC技術與OSI模型在數據鏈路層及其以上的標準相兼容。因而，電力通信網絡類似于以太網，而其不同之處主要在于物理層的傳輸介質不同，PLC通過電力線進行通信，而以太網則通過網線進行通信[6]。
3.2 網絡層
網絡層基于以太網的IPv6。當前IPv4的地址已經快耗盡，而IPv6的地址足以滿足全世界的任意電子設備進行互聯互通。隨著電動汽車數量的增多，越來越多的電動汽車需要接入互聯網，IPv6即可滿足這一需求。
3.3 傳輸層
傳輸層使用傳輸控制協議（TCP），該協議允許建立可靠的數據連接并以一種可靠的方式來數據報文的交換。此外，TCP提供流量控制和擁塞控制以及不同的算法來處理擁塞和流量控制的影響。因為對電動汽車充電過程中對數據交換的可靠性、安全性的要求較高，此處使用TCP作為傳輸層協議[7]。充電過程和充電結束分別如圖5、圖6所示。
圖5 充電過程圖
圖6 充電結束和結算過程圖
4 充電方案測試
本充電方案需根據國家電網公司要求進行充電，其中包括電動汽車從接入充電樁，驗證ID，選擇相關服務，有序充電控制，計費結算這一系列過程。在驗證的過程中，主要考慮各模塊功能實現。
軟件測試的目的是通過一系列測試方案盡量發現并且克服軟件中潛在的一些問題，最后將質量有所保障的程序交付給客戶。軟件測試首先應該做到的是完成系統設計的所有功能，所以這種測試叫做黑盒測試。因其主要對軟件功能進行測試，故黑盒測試又叫做功能測試。在測試過程中，測試人員只需要負責在程序接口處檢查軟件的功能能否遵照產品使用說明書正常使用，程序是否能通過輸入測試數據得到預期的輸出結果[8]，并且保證數據類型負荷要求。測試充電曲線如圖7所示。
圖7 測試充電曲線圖
從以上對充電方案的功能測試充電曲線圖可以看出，充電控制方案中的各項功能都已實現，系統運行狀態良好，系統穩定。
5 結束語
本文結合目前的ISO/IEC15118標準，設計了基于PLC技術的電動汽車充電方案,并對方案的設計和實現進行系統性的研究與分析。主要分為如下幾個模塊：電動汽車與充電樁的連接與認證，服務會話建立，充電安排與循環充電控制，結束充電與結算計費。充電方案的實現，主要分為四個組成部分，實驗環境的搭建，通信協議的實現，數據庫的設計與實現，用戶操作界面的設計。對整個設計進行實驗驗證，首先確定測試要求，保證系統功能的全部實現。其次，就測試環境進行討論，確保能滿足系統運行要求。
參考文獻
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