一种基于CAN总线的矿下充电桩监控方法及系统

技术领域

本发明涉及充电桩监控电路的技术领域，尤其涉及一种基于CAN总线的矿下充电桩监控方法及系统。

背景技术

充电桩在为地下矿山使用的电动汽车(ev)提供电力方面发挥着关键作用，有助于实现可持续实践和运营效率。然而，现有的充电桩监测系统面临技术限制，限制了其有效性；目前对应的矿用充电桩产品寥寥无几甚至没有，我们对标民用及其他用途的充电桩监测系统做为分析充电桩监控系统通常依靠有线通信或无线网络在充电桩和中央监测站之间传输数据，这些系统提供有关充电状态、功耗和潜在故障的基本数据。

然而，也有现在棘手的问题，包括数据完整性：远距离或在电气噪声环境中的数据传输可能导致数据损坏或不准确；实时监控：一些现有系统难以提供实时监控和控制，尤其在矿下恶劣的环境条件下，无线难以实现实时准确的监控导致出现一些问题；可扩展性：随着采矿业务的扩大，充电桩监控系统的有效扩展能力变得越来越复杂，因此需要一种监控系统能够解决现有监控系统在数据传输时的局限性。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有永磁同步电机存在问题，提出了本发明，本发明解决的技术问题是：传统的通信协议在应用于地下矿山具有挑战性的环境时存在不足；长电缆运行和电磁干扰会导致数据损坏和延迟，而扩展通信网络的复杂性加剧了部署挑战。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供了一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统：所述系统包括CAN充电桩连接电源，其内均设置CAN总线通信模块，并与所述CAN充电桩的内部系统接口；主控模块用于监控整个充电装置，配备一个能够连接到CAN网络的CAN总线接口，通过所述接口与所述CAN充电桩内的CAN总线通信模块相连；线缆控制模块与所述主控模块相连接，包括温度监控模块、电压检测模块以及急停和残电释放模块，线缆与所述CAN充电桩相连接并连接电源线路，所述温度监控模块通过恒流源的形式对线缆内预埋的PT100进行驱动，从而获取PT100的实际电阻值，进而换算出当前的线缆的温度，所述电压检测模块通过电阻分压检测充电过程中电缆的电压，所述急停和残电释放模块包括急停按钮和继电器，均与充电桩电路相连，实现充电急停和高压母线端的投切和残电释放；电能计量模块为三相电能表电路，检测接法是三相四线制的接法，与所述CAN充电桩相连获取充电桩充电时的的电流，并将获取到的电流数据输送至所述主控模块；显示模块连接所述线缆控制模块并安装在所述主控模块上，显示所述线缆控制模块和电能计量模块所获得的充电桩充电时的电路数据；报警模块，所述报警模块与所述线缆控制模块中的温度监控模块与急停和残电释放模块相连接，当温度过高或者发生急停时，报警模块开始报警并报警信息输送至所述主控模块。

作为本发明所述的基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的一种优选方案，其中：所述CAN总线通信模块为通信电路，该电路采用全隔离方案并在侧串并联多个阻容件。

作为本发明所述的基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的一种优选方案，其中：所述CAN总线通信模块包括车辆CAN通信模块和主站CAN通信模块，所述车辆CAN通信模块与充电车辆相连接，进行车辆充电，所述主站CAN通信模块与所述主控模块相连，控制所述CAN充电桩进行充电。

作为本发明所述的基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的一种优选方案，其中：所述主控模块为主控电路，是MCU的最小系统，其内的时钟源均为外置的低温漂的无源晶振。

作为本发明所述的基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的一种优选方案，其中：所述主控模块的参考电压是由单独配置的电压源所产生的，在电路中添加有电容和磁珠。

作为本发明所述的基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的一种优选方案，其中：所述电缆控制模块还包括线缆锁定模块，设置在线缆头部，为永磁式电磁锁，并且只有施加相反的信号才能实现上锁和解锁，且上锁和解锁均通过系统完成，所述线缆锁定模块与所述车辆CAN通信模块相连接，所述车辆CAN通信模块与充电车辆通信成功后，所述线缆锁定模块进行线缆锁定，保障充电稳定。

作为本发明所述的基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的一种优选方案，其中：所述温度监控模块中PT100的驱动线紧贴线缆的第一层绝缘皮之内钢铠之外。

作为本发明所述的基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的一种优选方案，其中：连接的所述电源采用DCDC芯片来实现电压转换。

第二方面，提供了一种基于CAN总线的矿下充电桩监控方法，应用于基于CAN总线的矿下充电桩监控系统，所述方法包括：对充电线缆进行绝缘完好检测，若绝缘不完好，则收集电缆温度、电压及完整度等信息进行故障检测；若存在故障问题则发出报警，停止使用；若故障检测合格或若绝缘完好，主站发出充电命令，与车辆进行通信连接，连接成功后锁定线缆；待电缆锁定后，读取线缆电能开始电能计量，并与车辆通信开始充电，将充电信息在所述主站上，同时检测线缆电压，若线缆电压检测正常则充电完成，解除充电回路停止充电。

作为本发明所述的基于CAN总线的矿下充电桩监控方法的一种优选方案，其中：在停止充电后，将电能信息输送至主站，并继续检测电缆电压，判断线缆残电是否超标，若超标则接通残电释放回路，不超标则解锁电缆，结束充电过程

本发明的有益效果：本发明通过集成CAN总线通信协议，解决了现有充电桩监控系统的不足，将CAN通信电路应用至实时数据交换和监控中，最大限度地减少停机时间和操作中断，克服了现有充电桩监控系统的局限性；另外能够进行即时的故障检测和诊断通过降低充电桩故障或故障的风险来提高操作安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的方框流程图；

图2为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的整体工作示意图；

图3为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的主控电路工作示意图；

图4为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的电缆温度监控模块工作示意图；

图5为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的急停和残电释放模块工作示意图；

图6为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的电能计量模块工作示意图；

图7为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的屏幕显示模块工作示意图；

图8为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的电源工作示意图；

图9为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控系统的电缆锁定模块工作示意图；

图10为本发明第一个实施例所述的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控方法的工作流程示意图。

附图各部件的标记如下：

CAN充电桩-100；CAN总线通信模块-110；车辆CAN通信模块-111；主站CAN通信模块-112；主控模块-200；线缆控制模块-300；温度监控模块-310；电压检测模块-320；急停和残电释放模块-330；急停按钮-331；继电器-332；线缆锁定模块-340；电能计量模块-400；显示模块-500；预警模块-600。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

参照图1，本申请实施例中的基于CAN总线的矿下充电桩监控系统包括：CAN充电桩100、主控模块200、线缆控制模块300、电能计量模块400、显示模块500和预警模块600。

参照图2，其中CAN充电桩100连接电源，在采矿环境内的每个CAN充电桩100都配有CAN总线通信模块110，该模块可实现与其他CAN充电桩100和主控模块200的无缝数据交换；在本系统中，每个充电桩都配有CAN总线通信模块，该模块作为一个通信接口，允许充电桩通过CAN总线网络发送和接收数据，更进一步的是，该模块与充电桩内部系统接口，如电源管理、状态指示灯、安全机制等；另外CAN总线通信模块（110）包括车辆CAN通信模块（111）和主站CAN通信模块（112），车辆CAN通信模块（111）与充电车辆相连接，进行车辆充电，主站CAN通信模块（112）与主控模块（200）相连，控制CAN充电桩（100）进行充电。

主控模块200为一个集中单元用于监控整个充电装置，它通过CAN总线协议与各个CAN充电桩100通信，收集与充电状态、功耗和运行状况相关的数据，是整个充电基础设施的神经中枢，另外主控模块200配备了一个连接到CAN网络的CAN总线接口，该接口与CAN充电桩100内的CAN总线通信模块110相连，使得它与单个CAN充电桩100通信，能够对每个充电桩的数据进行持续采集和处理，实现实时监控、控制和分析；在实际应用过程中，参照图3，主控模块200以国产的GD32F470ZGT6为核心，性能对标STM32H429ZGT6，更近一步的是，主控模块200为MCU的最小系统，需要特别强调的是，时钟源均为外置的低温漂的无源晶振，且参考电压是由单独配置的电压源所产生的，而且为了抑制干扰还添加了较多的电容和必要的磁珠，以提高整个系统的稳定性。

电缆控制模块300与主控模块200相连接，包括温度监控模块310、电压检测模块320以及急停和残电释放模块330，线缆与CAN充电桩100相连接并连接电源线路，其中参照图4，温度监控模块310通过恒流源的形式对线缆内预埋的PT100进行驱动，从而获取PT100的实际电阻值，进而换算出当前的线缆的温度，另外由于线缆内部的特殊缠绕方式，PT100的驱动线是紧贴线缆的第一层绝缘皮之内钢铠之外，因此当线缆受损时此电路会觉察到线缆开路从而迅速进行动作紧急强制断电，残电快速泄放，声光警告，错误信息上报，以保障安全；电压检测模块320通过电阻分压检测充电过程中电缆的电压，由于线缆电压检测并不是事实检测的，只有线缆处于充电过程中时电缆的电压检测才会实行，因此在电压检测模块320检测电压的主要思路是进行电阻分压，分压完毕后由运算放大器进行跟随，从而实现阻抗匹配和低通滤波；参照图5，急停和残电释放模块330包括急停按钮331和继电器332，均与充电桩电路相连，实现充电急停和高压母线端的投切和残电释放，继电器332动作后会驱动后级外置的本安型功率继电器，功率继电器负责实现高压母线端的投切和残电释放。

参照图6，电能计量模块400为三相电能表电路，检测接法是三相四线制的接法，主要器件为三路电压互感器、三路电流互感器、隔离电源以及数字隔离通信芯片，其中电压互感器经过多颗大功率高精度限流电阻，且串接电感使得进入的电流极小能够方便后级电路的处理；电流互感器的作用是防止其开路，因此加入了双向的TVS管以防止意外状况下导致开路，并且电流互感器部分增添了阻容低通滤波电路，以精准的去采集电流；隔离电源采用的是带有短路保护和强电压隔离的DCDC模块，能够提供100mA的电流以及1500V的电压隔离；选用最大速率为150Kbps的数字隔离通信芯片，且具有方向性，但由于电能计量芯片采用的是SPI通信因此速率可以下调到很低的速率，并且由于具有方向性对其信号流向也从硬件上进行了严格的限定，因此此芯片的隔离电压也在1500V；上述电能计量模块400与CAN充电桩100相连获取充电桩充电时的的电流，并将获取到的电流数据输送至主控模块200；

参照图7，显示模块500连接线缆控制模块300并安装在主控模块200上，显示线缆控制模块300和电能计量模块400所获得的充电桩充电时的电路数据，在实施过程中，该显示模块500采用RGB565驱动LCD屏，利用触摸实现系统交互，通过STI9287来进行背光无级调光，利用电荷泵实现LCD屏的电压参考，利用DCDC芯片STI3508实现LCD的电压驱动。

报警模块600，报警模块600与线缆控制模块300中的温度监控模块310与急停和残电释放模块330相连接，当温度过高或者发生急停时，报警模块600开始报警并报警信息输送至主控模块200。

进一步的是，参照图8，CAN充电桩100连接电源，该电源均采用DCDC芯片来实现电压转换，其驱动能力和转换效率比之LDO要高上很多，且此电路发热量更小更适合大压差的电源变换。

该实施例中还需要说明的是，CAN总线通信模块110采用全隔离方案以保障信息传输的安全，此电路中最为重要的设计理念是安全，通信模块的电源由B0505S提供，为整个电路的总线侧提供DC 5V的供电，能够提供最大100mA的电流，同时具有短路保护功能，并且能够隔离1500V的电压干扰，即使总线侧被高压击毁，逻辑侧的电路仍能够正常工作；CAN收发器采用的是CA_IS2050G，并且在总线侧串并联了较多的阻容件，主要包括：滤波电容、保险丝、稳压二极管和电阻；其中滤波电容的作用是平滑波形提高通信质量，保险丝提供总线的过电流保护，当电流超出一定程度时熔断保险丝，将此节点下线，直至错误排除，稳压二极管提供电压保护，当总线上的通信电压过高时CAN总线进行优先级仲裁时大部分情况下电压会小幅度升高，但在异常状况时电压会倍增对电压进行钳位，防止电压过高导致节点损坏，电阻，一是为了限流，二是为了防止电压冲击；另外通常在总线侧串并联两个及以上的阻容件是为了冗余保护，防止一个管子损坏时仍能进入保护状态。

该实施例还需说明的是，参照图9，电缆控制模块300还包括线缆锁定模块340，设置在线缆头部，为永磁式电磁锁，并且只有施加相反的信号才能实现上锁和解锁，为了防止线缆头连接的可靠，上锁和解锁均通过系统完成，不允许外部强制解锁和上锁，线缆锁定模块340与车辆CAN通信模块111相连接，车辆CAN通信模块111与充电车辆通信成功后，线缆锁定模块340进行线缆锁定，保障充电稳定。

该系统的工作过程为：在充电开始之前，先对系统进行自检，自检合格后开始进行充电准备工作，首先线缆控制模块300获取线缆温度、急停触发等信息，如果存在上述问题，预警模块600发出故障预警，则线缆控制模块300将故障信息输送至主控模块200，控制CAN充电桩100充电停止，如果上述问题不存在，线缆控制模块300将无故障信息输送至主控模块200，主控模块200控制车辆CAN通信模块111开始尝试与车辆进行通信连接，待成功后将信息输送至线缆锁紧模块340，线缆锁紧模块340锁定线缆连接，准备进行充电工作，在充电前需要借助工具对线缆的绝缘性进行检测，如果线缆绝缘出现问题，则线缆控制模块300重新收集信息判断故障问题，如果线缆绝缘完好，则通知主控模块200准备充电，电能计量模块400开始进行电能计量，CAN充电桩100与车辆通信开始充电，线缆控制模块300将充电信息输送至显示模块500，将充电信息显示，并同时电压检测模块320对电缆的电压进行实时检测，如果电压正常，则充电完成，电压检测模块320将完成信息输送至主控模块200，控制车辆CAN通信模块111解除通信充电回路，充电解除后，电能计量模块400获取电能信息输送至主控模块200，主控模块200控制电压检测模块320进行电压检测，残电超标时，急停和残电释放模块330接通残电释放回路，释放残电，直至检测合格，合格后充电结束。

参照图10，为申请本实施例提供的一种基于CAN总线的矿下充电桩监控方法的流程示意图，方法有关的流程所定义的方法步骤应用于矿下充电桩监控系统，可以由CAN充电桩100、主控模块200、线缆控制模块300、电能计量模块400、显示模块500和预警模块600之间相互配合实现，由图1可知，该方法包括以下步骤：对监控系统进行自检，自检合格后，收集电缆温度、电压及完整度等信息进行故障检测；若存在故障问题则发出报警，停止使用；若故障检测合格或若绝缘完好，主站发出充电命令，与车辆进行通信连接，连接成功后锁定线缆；待电缆锁定后，对充电线缆进行绝缘完好检测，若绝缘不完好，则重新进行故障检测，若绝缘完好，则读取线缆电能开始电能计量，并与车辆通信开始充电，将充电信息在主站上，同时检测线缆电压，若线缆电压检测正常则充电完成，解除充电回路停止充电；停止充电后，将电能信息输送至主站，并继续检测电缆电压，判断线缆残电是否超标，若超标则接通残电释放回路，不超标则解锁电缆，充电结束。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。