CN104300646A - 一种支持车联网的多频段智能充电桩系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持车联网的多频段智能充电桩系统，其特点是在通信模块中嵌入DSRC射频芯片，支持5.9GHz的IEEE802.11p数据包收发，与4G/3G/GPRS通信模块、Zigbee射频芯片协同构成多频段无线通信接入模式；具备车联网内通信基础设施RSU的通信中继和核心网接入功能，可与搭载DSRC射频芯片的电动汽车交互状态数据和兴趣信息，上行链路支持电池余量，车辆运行等状态数据采集功能，下行链路支持充电优惠、充电调度引导、设备故障预警等兴趣信息发布功能；支持基于移动公网、车载自组网、车载无线传感网以及混合式网络的多种车联网组建模式；具备2个USB预留接口，可支持未来其它新兴无线通信技术的扩展应用。

Description

一种支持车联网的多频段智能充电桩系统

技术领域

本发明涉及电动汽车充电系统技术领域，具体涉及一种支持车联网的多频段智能充电桩系统。

背景技术

智能充电桩是电动汽车广泛使用的充电基础设施，也是构建智能充换电服务网络的核心成员。与传统的充电桩相比，智能充电桩除了满足电动汽车充电的基本功能，通过融合多种信息通信、自动化技术，可参与构建智能充换电服务网络，提供充换电设施、电动汽车电池电量、充换电站运行状况的实时监测和调度、计量计费、资产管理等功能。从智能充电桩的硬件系统结构来看，通信模块是实现上述功能的核心部件。

目前，智能充电桩主要利用CAN总线实现与电动汽车之间的数据交互功能，并采用GPRS通信模块，通过无线移动公网向本地或远程的数据服务器传输所连接充电车辆的运行状态数据。随着物联网技术及其产业的快速发展，其在电动汽车充换电设施领域的应用也逐渐得到广泛关注，如：电动汽车与充电设施之间采用RFID标签和无线传感器网络技术进行数据交互。通过在电动汽车的挡风玻璃上或动力电池中粘贴RFID标签，当电动汽车驶入充电站内时，放置有RFID阅读器的充电设施，便可识别电动汽车的身份信息，并感知和采集电动汽车的电池剩余电量及运行状态数据。同样地，若在电动汽车电池上安装Zigbee传感器节点，充电站内安装有Zigbee模块的充电设施便可实现对电池状态参数及车辆运行数据采集。同时，安装了Zigbee传感器节点的配电设施状态信息也能被上传给充电设施。

通过上述分析，无论是采用CAN总线，RFID标签，还是Zigbee传感器节点，充电设施仅能采集到驶入固定充电站内电动汽车的运行状态信息，无法捕获充电站外未充电车辆的电池余量及运行状态信息，导致目前基于电动汽车状态数据采集的充换电服务网络，很难对所有电动汽车的状态进行实时监控，由此做出的充电引导、调度等决策不是最优的。

为了解决该问题，本发明将车联网技术引入到电动汽车的充换电设施应用领域。车联网是物联网技术在交通领域的典型应用，目的是实现车辆与车辆之间的互联互通。假设所有电动汽车之间能实现互联互通，只要任意一辆电动汽车与充电设施建立数据链接，其它许多未充电车辆的状态数据便可利用该充电车辆间接地转发给充电设施。因此，本发明设计了一种支持车联网的智能充电桩，从而为智能充换电服务网络提供更多更好的数据源。

目前，多数实现车联网组网的方法主要采用无线通信技术，适用于高速移动环境下的专用车辆间通信技术是DSRC（Dedicated Short Range Communication），基于IEEE 802.11p标准协议实现车辆与车辆（V2V）、车辆与路边单元（V2R）通信，主要采用5.9GHz频段通信，带宽20MHz，最大通信范围可达300-1000米。因此，国际上公认的车联网是基于DSRC构建的VANET（Vehicle Ad-hoc Network，车载自组网）。但因目前的VANET技术在国内发展条件有限，导致国内多数人认为车联网就是基于无线移动公网实现的车辆互联网，这其实是最简单的集中式组网方式，并未真正实现车辆之间的互联互通，且这种组网方式成本较高。

此外，部分学者也提出利用无线传感器网络技术组建车联网，它也被称为车载无线传感器网络（VSN，Vehicle Sensor Network）。但由于低成本、低功耗的车载无线传感器节点的通信距离毕竟有限，导致网络连通度较低，链路断裂愈加频繁，因此，利用V2V通信转发数据的传输延时较大，充电设施的状态数据采集效率也较低。

针对目前市场上车载智能设备的通信单元呈现复杂多样化的特点，而充电设施的通信模块单一，不同类型电动汽车与充电设施之间无法建立快速数据传输通道的问题，本发明提出充电设施的通信模块也需支持多频接入技术。特别地，为了提供和支持最佳的车联网组网方式，本发明强调在充电设施的通信模块添加DSRC射频芯片。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种支持车联网的多频段智能充电桩系统，用以解决现有技术通信模块单一的问题，实现了不同类型汽车与充电设施之间的快速数据通道建立。

一种支持车联网的多频段智能充电桩系统，包括运营管理中心、充电桩和车载设备，所述充电桩包括控制单元和外围设备，所述运营管理中心通过无线移动公网或有线光纤与所述控制单元连接，所述外围设备包括键盘、LCD、扬声器、通信模块、指示灯、充电设施、计量电表、打印机和读卡器，所述通信模块由4G/3G/GPRS模块、Zigbee射频芯片、DSRC射频芯片及扩展接口模块构成，所述4G/3G/GPRS模块提供3种无线移动公网接入方式，所述Zigbee射频芯片提供2.4GHz短距离低速无线接入，所述DSRC射频芯片提供5.9GHz短距离高速无线接入，所述车载设备包括车载监测模块、信息展示模块和车载通信模块。

所述车载通信模块包括车载4G/3G/GPRS模块或车载Zigbee射频芯片或车载DSRC射频芯片；

安装有所述车载4G/3G/GPRS模块的所有电动汽车，通过所述充电桩可实现基于移动公网的集中式车联网组网；

充电站内安装有所述车载Zigbee射频芯片的所有电动汽车，与所述充电桩可实现基于车载无线传感器网络的车联网组网，所述充电桩用于汇聚本地Zigbee车辆节点的状态数据，不同充电站的电动汽车利用所述充电桩的光纤以太网接入功能实现互联；

所述充电桩与其通信覆盖范围内安装有所述DSRC射频芯片的所有电动汽车，可实现基于车载自组网的车联网组网，所述充电桩支持所有驶过车辆的数据上传，不同充电站内的所述充电桩利用有线光纤或无线移动公网互联，间接实现所有电动汽车的互联；

安装所述车载通信模块的所有电动汽车，根据各自的通信频段，选择对应的无线接入途径，实现混合式车联网组网。

所述充电桩和所述车载设备对电动汽车电池余量和运行状态数据进行采集和汇聚，所述充电桩通过无线移动公网或有线光纤将数据传输至运营管理中心，完成上行链路状态数据采集。

所述运营管理中心通过对所述充电桩汇聚到的数据进行分析挖掘，提取电动汽车用户感兴趣的信息，通过无线移动公网或有线光纤传输至所述充电桩，所述充电桩通过所述通信模块和所述车载通信模块发送至电动汽车的所述信息展示模块，完成下行链路兴趣信息发布。

所述扩展接口模块为USB接口。

所述信息展示模块为车载广播。

本发明的有益效果：本发明包括运营管理中心、充电桩和车载设备，构成了车联网的智能充电桩系统，其重点在于多频段的信息传递，它的核心部位在于通信模块，由4G/3G/GPRS模块、Zigbee射频芯片、DSRC射频芯片及扩展接口模块构成，通过通信模块与电动汽车进行信号连接。本发明仅需对充电桩的通信模块中加入DSRC射频芯片比那可以对原有技术进行改造，弥补目前路边通信基础设施不足的缺陷。更重要的是，本发明支持所有行驶在道路上的电动汽车构建车辆网，实现车辆之间的互联互通，从而扩大了电动汽车运行状态的数据采集范围，有利于为电动汽车用户提供更有价值的兴趣信息，间接提升和改善了智能充换电服务网络的管理与监控水平。

本发明的上行链路数据采集和下行链路数据发布便于车主对电动汽车的信息掌握，也利于对车主感兴趣的信息进行总结，将采集到的数据传回运营管理中心，经过分析可对比出与之接近的数据信息，既方便了车主自身，又对产品起到了广告宣传作用。

对充电桩本体预留的信息扩展模块采用USB接口，主要用于未来技术在充电桩通信这一领域的推广和应用，利于设备的改造升级，具有即插即用的优点。

车载的信息展示模块利用车载广播对车主进行信息传递，将车主感兴趣的或者有用的信息发布出来，利于车主接下来的行动，比如电动汽车在电量较低时，可对车主发布较近的充电桩位置以及正在充电的人数，便于车主接下来的选择，而使用广播是因为在驾车过程中，车主需要高度集中，听广播是一种安全性较高的方法，便于车主及时获得有用信息。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述：

    图1是本发明支持车联网的多频段智能充电桩系统的结构框图；

图2是本发明基于移动公网的车联网组网模式的系统图；

图3是本发明基于车载无线传感器网络的车联网组网模式的系统图；

图4是本发明基于车载自组网的车联网组网模式的系统图；

图5是本发明混合式车联网组网模式的系统图；

图6是本发明上行链路数据采集运行流程图；

图7是本发明下行链路数据发布运行流程图。

具体实施方式

图1描述了本发明所涉及的支持车联网的多频段智能充电桩的硬件结构框图，包括运营管理中心1、充电桩8和车载设备，所述充电桩8包括控制单元2和外围设备7，所述运营管理中心1通过无线移动公网或有线光纤与所述控制单元2连接，所述外围设备7包括键盘、LCD、扬声器、通信模块6、指示灯、充电设施、计量电表、打印机和读卡器，所述通信模块6由4G/3G/GPRS模块、Zigbee射频芯片、DSRC射频芯片及扩展接口模块构成，所述4G/3G/GPRS模块提供3种无线移动公网接入方式，所述Zigbee射频芯片提供2.4GHz短距离低速无线接入，所述DSRC射频芯片提供5.9GHz短距离高速无线接入，所述车载设备包括车载监测模块5、信息展示模块3和车载通信模块4。从结构上看，与传统的智能充电桩相对比，支持车联网的多频段智能充电桩的核心部件是通信模块，它由4G/3G/GPRS模块、Zigbee模块、DSRC模块及扩展接口模块共同构成，支持移动公网、2.4GHz、5.9GHz的多频段无线通信接入。电动汽车用户可根据车载智能设备的通信单元，按照技术要求选择性接入。在实际部署中，由于大多数传统的智能充电桩的通信模块已包含GPRS模块，少数智能充电桩的通信模块则嵌入了Zigbee模块，为了避免固有基础设施资源的重复建设和浪费，对于上述充电设备，本发明仅需对原有智能充电桩的通信模块中添加DSRC模块便可大幅提升设备性能。整体的硬件改造难度低，操作便捷，预留的扩展接口模块可以用于未来其它新兴无线通信技术在智能充电桩领域内的推广和示范应用，具有即插即用的优点。

此外，本发明还可作为车联网中的组网关键节点，弥补目前路边通信基础设施不足的缺陷。更重要的是，本发明支持所有行驶在道路上的电动汽车构建车辆网，实现车辆之间的互联互通，从而扩大了电动汽车运行状态的数据采集范围，有利于为电动汽车用户提供更有价值的兴趣信息，间接提升和改善了智能充换电服务网络的管理与监控水平。

图2至图5对不同通信模式的车联网系统做出了描述。

如图2和图3所示，它们分别描述了基于移动公网和基于车载无线传感网的车联网组网模式。它们均适用于目前包含4G/3G/GPRS模块或Zigbee模块的智能充电桩和电动汽车。由图2可知，假设所有电动汽车均安装有车载移动通信设备，任意电动汽车都能以无线方式直接接入邻近的多频段智能充电桩，并构建基于移动公网的车联网，从而实现电动汽车的运行状态全监测和数据采集全覆盖。但是，大规模电动汽车接入到移动公网必将产生巨额的组网开销。在图3中，基于车载无线传感网的组网成本虽低，但受Zigbee车载传感器节点的短距离通信条件限制，多频段智能充电桩很难兼顾充电站外电动汽车的状态监测与数据采集。在低速无损的移动通信环境下，多频段智能充电桩功能类似sink节点，直接采集和汇聚充电站内安装Zigbee节点的充电车辆的状态数据，而充电站外携带有Zigbee车载传感器节点的电动汽车，只能利用车辆间的多跳路由技术将状态数据转发至最近的充电桩，且整体传输延时较大。

图4描述了本发明基于车载自组网的车联网组网模式。具体地，充电站内的电动汽车利用车载DSRC模块与充电桩直接建立无线链路并上传状态数据。对于充电站外的电动汽车，位于充电桩DSRC通信半径R范围内的车辆，同样可以利用车载DSRC模块直接与充电桩通信并上传状态数据。此时，充电桩的功能等同于RSU单元，在高速公路场景下，电动汽车驶过充电站就像经过RSU一样，仍可利用车路间通信技术实现数据传输。针对位于R范围之外的电动汽车用户，则利用车辆环境下专用的DSRC技术，在车辆之间建立间歇性连通的无线链路并完成多跳数据转发。与Zigbee车辆节点相比，DSRC车辆节点的单跳传输距离更远，且高速移动的无线链路稳定性更高，故利用DSRC技术实现的基于VANET的车联网组网模式，更有利于实现电动汽车的状态全监测与数据全采集目标。

图5描述了本发明利用多频段技术实现的混合式车联网组网模式。该模式主要为了解决目前市场上电动汽车车载智能设备类型复杂、通信模块不统一的问题。由图5可知，充电站内提供了三种接入多频段智能充电桩的方式，电动汽车用户结合实际的车载智能设备通信条件择优选择，本发明推荐的接入优先级由高到底依次为：基于DSRC的VANET接入、基于Zigbee的WSN接入、移动公网接入。充电站外的车辆接入方式分为两种：直接接入和间接接入。其中，通用的直接接入法是移动公网接入，但对于安装有DSRC通信单元的电动汽车，当其驶入附近充电站的DSRC通信范围时，便可转换成基于DSRC的VANET接入。间接接入方式主要指利用车车间多跳路由技术转发数据，本发明仅支持基于Zigbee和基于DSRC的车辆数据中继。

图6描述了本发明所涉及的上行链路数据采集系统运行流程图。对于任意一辆电动汽车而言，车载通信单元首先需要识别其可用的无线频段，若车载通信单元为3G/4G/GPRS模块，车辆可选择移动公网与智能充电桩建立无线链路，并上传状态数据。若车载通信单元为DSRC射频芯片，车辆则计算其所在位置与充电设备之间的距离，并判断L与R的关系：充电站内和充电站外L小于R的的车辆，基于DSRC与智能充电桩之间构建VANET，同时利用上行无线链路上传状态数据；而充电站外L大于R的车辆，通过与多个相遇的DSRC车辆节点建立无线链路，利用多跳路由将状态数据转发至邻近的智能充电桩。若车载通信单元为Zigbee射频芯片，位于充电站内的车辆与智能充电桩之间则基于Zigbee构建车载无线传感器网络，并利用上行无线链路上传状态数据；充电站外的车辆将状态数据转发给相遇的Zigbee车辆节点，并经多跳转发汇聚给邻近的智能充电桩。最后，所有多频段智能充电桩通过有线光纤或者无线移动公网接入以太网，将采集的状态数据上传给智能充电换服务网络的数据服务器。

图7描述了本发明所涉及的下行链路兴趣信息发布系统运行流程图。本发明中，智能充电桩提供两种兴趣信息发布模式：面向订阅请求和主动广播。若智能充电桩确认系统为面向用户订阅/请求的信息发布模式，启动请求标志的轮询机制，发现用户订阅/请求后，主动判断和识别订阅/请求方的通信单元，并选择对应匹配的无线频段将兴趣信息发送给指定用户。反之，若智能充电桩确认系统为主动广播的信息发布模式，则其根据各个频段的实时通信质量，选择最佳的无线频段周期性地广播兴趣信息。信息发送给制定用户使用信息展示模块，车载的信息展示模块利用车载广播对车主进行信息传递，将车主感兴趣的或者有用的信息发布出来，利于车主接下来的行动，比如电动汽车在电量较低时，可对车主发布较近的充电桩位置以及正在充电的人数，便于车主接下来的选择，而使用广播是因为在驾车过程中，车主需要高度集中，听广播是一种安全性较高的方法，便于车主及时获得有用信息。

Claims (7)

1.一种支持车联网的多频段智能充电桩系统，包括运营管理中心、充电桩和车载设备，所述充电桩包括控制单元和外围设备，所述运营管理中心通过无线移动公网或有线光纤与所述控制单元连接，所述外围设备包括键盘、LCD、扬声器、通信模块、指示灯、充电设施、计量电表、打印机和读卡器，其特征在于：所述通信模块由4G/3G/GPRS模块、Zigbee射频芯片、DSRC射频芯片及扩展接口模块构成，所述4G/3G/GPRS模块提供3种无线移动公网接入方式，所述Zigbee射频芯片提供2.4GHz短距离低速无线接入，所述DSRC射频芯片提供5.9GHz短距离高速无线接入，所述车载设备包括车载监测模块、信息展示模块和车载通信模块。

2.如权利要求1所述的支持车联网的多频段智能充电桩系统，其特征在于：所述车载通信模块包括车载4G/3G/GPRS模块或车载Zigbee射频芯片或车载DSRC射频芯片；

安装有所述车载4G/3G/GPRS模块的所有电动汽车，通过所述充电桩可实现基于移动公网的集中式车联网组网；

充电站内安装有所述车载Zigbee射频芯片的所有电动汽车，与所述充电桩可实现基于车载无线传感器网络的车联网组网，所述充电桩用于汇聚本地Zigbee车辆节点的状态数据，不同充电站的电动汽车利用所述充电桩的光纤以太网接入功能实现互联；

所述充电桩与其通信覆盖范围内安装有所述DSRC射频芯片的所有电动汽车，可实现基于车载自组网的车联网组网，所述充电桩支持所有驶过车辆的数据上传，不同充电站内的所述充电桩利用有线光纤或无线移动公网互联，间接实现所有电动汽车的互联；

安装所述车载通信模块的所有电动汽车，根据各自的通信频段，选择对应的无线接入途径，实现混合式车联网组网。

3.如权利要求1或2所述的支持车联网的多频段智能充电桩系统，其特征在于：所述充电桩和所述车载设备对电动汽车电池余量和运行状态数据进行采集和汇聚，所述充电桩通过无线移动公网或有线光纤将数据传输至运营管理中心，完成上行链路状态数据采集。

4.如权利要求1或2所述的支持车联网的多频段智能充电桩系统，其特征在于：所述运营管理中心通过对所述充电桩汇聚到的数据进行分析挖掘，提取电动汽车用户感兴趣的信息，通过无线移动公网或有线光纤传输至所述充电桩，所述充电桩通过所述通信模块和所述车载通信模块发送至电动汽车的所述信息展示模块，完成下行链路兴趣信息发布。

5.如权利要求1所述的支持车联网的多频段智能充电桩系统，其特征在于：所述扩展接口模块为USB接口。

6.如权利要求1所述的支持车联网的多频段智能充电桩系统，其特征在于：所述信息展示模块为车载广播。

7.如权利要求4所述的支持车联网的多频段智能充电桩系统，其特征在于：所述信息展示模块为车载广播。