一种基于ZigBee的电动汽车交流充电桩无线通信系统

一种基于ZigBee的电动汽车交流充电桩无线通信系统

刘于祥

（广州众瑞能电子科技有限公司广东广州511431）

摘要：针对当前电动汽车交流充电桩组网成本高、在线率低、成本高的缺点，本文提出了一种基于ZigBee的无线通信系统的设计和实现方案。基于ZigBee技术构建充电桩局域网，利用4G网络实现远程数据传输。实验结果表明，该系统具有布线简单、可靠性高、建设成本低等优点，能够实现电动汽车交流充电桩的组网和有效管理。

关键词：ZigBee电动汽车充电桩无线通信

Abstract:TheACchargingersystemBuildinghasthefollowingdisadvantagessuchashighflowcost,lowonlinerateandhighconstructioncostsoftheelectricvehicleACcharginger.ThispaperpresentsadesignandimplementationofawirelesscommunicationsystembasedonZigBee.TheTheACchargingersystembuildchargingersLANbasedonZigBeetechnology,achieveremotedatatransmissionwith4Gnetwork.Theexperimentalresultsshowthatthesystemhastheadvantagesofsimplewiring,highreliabilityandlowconstructioncost,andcanrealizethenetworkingandeffectivemanagementofACchargingersofelectricvehicle.

KeyWords:ZigBeeElectricVehicleACChargingerWirelessCommunication

中图分类号：TP29文献标识码：A

0引言

当前，世界汽车产业进入交通能源全面转型期，国际电动汽车加速发展。我国随着电动汽车示范运行结束，进入全面推广电动汽车阶段，电动汽车作为我国7大战略新兴产业之一，具有广泛的发展前景。电动汽车销量规模化发展，电动汽车充电桩、充电站等配套设施的规模化建设刻不容缓。规模化充电桩的建设，将对通信的可靠性和建设成本提出更高要求。

1、电动汽车交流充电桩的介绍

交流电动汽车充电桩，俗称“慢充”，固定安装在电动汽车外、与交流电网连接，为电动汽车车载充电机（即固定安装在电动汽车上的充电机）提供交流电源的供电装置。

交流充电桩通常建在公用停车场、住宅小区或商场停车场、公路边、私人车库内，具有功率较小、布点灵活的特点，同时具有占地面积少，建设难度小，一次性投资少等优势。电动汽车未来走进千家万户，交流充电桩将成为必不可少的充电设施。

充电桩通信方式有多种，如RS485通信、无线公网通信、载波通信、网络通信、近距离无线通信等。如何组建低成本高可靠性的充电桩通信网络，将充电桩运行数据集中分析、管理，以共享给供电部门、用户、充电设施业主等是充电桩规模化发展必须解决的问题。

2、ZigBee的技术介绍

ZigBee是一种无线连接网络技术的商业化命名，ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和簇状结构(Clustertree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。如图1：

图1ZigBee的组网方式

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本、时延短、网络容量大、抗干扰性能好、低数据速率、可靠、安全的双向无线通信技术，符合IEEE802.15.4协议。ZigBee技术的特点【2】如下：

①低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。

②低成本。通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。

③低速率。ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

④近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

⑤短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。

⑥高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

⑦高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(AccessControlList,ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

3、ZigBee在电动汽车交流充电桩中的通信应用

电动汽车交流充电桩的安装条件复杂，组网具有如下特点：

①需要数据采集或监控的网点多；

②要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；

③要求数据传输可性高，安全性高；

④设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；

⑤地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；

⑥地下停车场或山谷存在现有移动网络的覆盖盲区；

⑦使用现存移动网络进行数据传输将会带来大量的流量费用。

为了解决无人管理且散布范围广大的电动汽车交流充电桩，本文提出了基于ZigBee的无线通信系统设计。

中心节点ZigBee模块与充电桩CPU之间采用RS232通信，充电桩CPU与4G模块之间采用RS232通信。

本系统共接入58个电动汽车交流充电桩，其中有地下车库负3层12个，负2层24个，负1层12个，中心节点设置在负1层靠近停车场出入口移动信号强度较好的位置。4G模块配置全网通模块，且配置不同移动网络公司的通信卡，形成双备份，保证通信可靠性。本文采用电信4G卡和移动4G卡。

软件设计中，各模块采用透明传输模式，各模块形成自动的链路通道达到中心节点，4G模块也采用透明传输模式，各充电桩具有唯一的资产编号或设备地址在系统中进行身份识别。各充电桩根据与主站通信规约进行数据交互，上传充电记录、故障信息、事件记录、结算信息等；主站下发充电启停命令、结算信息等。主站后台完成对各充电桩的实时运行数据监测和统计，各充电桩故障报告、结算信息、负荷情况等。有效的将散布的充电桩形成一个智能充电系统管理起来。

根据项目实施经验，需注意防止多节点在同一时刻发起通信带来的数据冲突问题，可在主站通信协议制定中需考虑数据交互有效性的确认加以解决。

4运用效果

本文将当前行业主流的3种组网通信方案与本方案实际运行效果进行比较：

根据本文组建的系统运行时间半年，在线率稳定一直保持在100%可靠性高，且仅存在中心节点充电桩配置的4G通信流量费用，设备运行成本低。而ZigBee模块本身价格低，方便安装，使用方便。

5结论

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本、时延短、网络容量大、抗干扰性能好、低数据速率、可靠、安全的双向无线通信技术非常适合广泛散布的电动汽车交流充电桩系统。可有效地解决地下停车场、偏远山区或城市低洼地带等移动网络的覆盖盲区。且本身成本低，且网络建设起来，无大量的流量费用，不需要铺设专用网线或设置交换机等，可有效降低规模化建设电动汽车交流充电桩的网络建设成本。ZigBee技术的网络自组织、自愈能力强，即使节点失效或位置变动会破坏网络拓扑结构，而ZigBee网络能够自我修复，保证整个系统正常可靠工作。综上所述，ZigBee的技术特点非常适合交流充电桩的复杂运行条件，ZigBee技术将会在电动汽车交流充电桩组网建设和运营中拥有广泛的应用空间。

参考文献：

[1]陈荣江.电动汽车交流充电桩建设设计方案[J].电工技术,2011,6:23-24.

[2]樊冰,孙文胜.ZigBee技术及其应用研究[J].大众科技，2007，12：30-32.

[3]赵勇.基于ARM和ZigBee的智能家居远程监控系统设计[J].测控技术，2012，11：52-54.

作者简介：

第一作者：刘于祥(1980-)，男，重庆忠县人，硕士研究生，主要从事智能配电网设备、新能源汽车充电设备的研究，广州众瑞能电子科技有限公司高级研发工程师

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作者姓名：刘于祥

作者单位：广州众瑞能电子科技有限公司

稿件名称：一种基于ZigBee的电动汽车交流充电桩无线通信系统

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