Alors que le paysage urbain de la Chine continue de se transformer à un rythme effréné, l’adoption massive des véhicules électriques (VE) est devenue un pilier de la stratégie nationale en matière de développement durable. Cependant, cette croissance exponentielle s’accompagne de défis inhérents, notamment en ce qui concerne l’infrastructure de recharge. Les bornes de recharge traditionnelles, souvent rudimentaires et peu conviviales, sont depuis longtemps un point de friction pour les utilisateurs et les gestionnaires. Mais une nouvelle ère de la recharge intelligente semble poindre à l’horizon, grâce à une innovation majeure développée à Hangzhou, en Chine.
Une équipe d’ingénieurs de Hangzhou Hikvision Digital Technology Co., Ltd. et du Zhejiang Construction Vocational College a dévoilé une borne de recharge intelligente révolutionnaire pour véhicules électriques. Ce dispositif de pointe, basé sur le microcontrôleur GD32F103VE et un module 4G, promet de résoudre les problèmes persistants d’expérience utilisateur médiocre, de gestion inefficace et de préoccupations de sécurité qui ont longtemps affligé les bornes de recharge à monnayeur classiques. Il s’agit d’une avancée significative qui pourrait bien redéfinir la manière dont les propriétaires de VE interagissent avec l’infrastructure de recharge, tout en augmentant considérablement la sécurité des opérations.
Conception Intégrée et Connectivité Avancée
Au cœur de cette innovation se trouve une conception système globale qui intègre harmonieusement la borne de recharge intelligente, des services cloud robustes et une application client intuitive. La borne de recharge communique avec les services cloud via la technologie de communication 4G, garantissant une connexion stable et rapide, essentielle pour la gestion en temps réel. Pour les utilisateurs, la flexibilité est de mise, car l’application client peut se connecter aux services cloud via 4G ou Wi-Fi. Un choix stratégique a été fait en optant pour un mini-programme WeChat comme interface client, réduisant ainsi les coûts d’utilisation pour l’utilisateur final et s’alignant sur les habitudes numériques prévalentes en Chine.
Le système de la borne de recharge intelligente est un ensemble complexe mais bien orchestré de modules. Il comprend un module de communication 4G, un contrôleur principal, un module d’acquisition de données, un module d’affichage, un module vocal et un module de contrôle de la carte de charge. Cette architecture modulaire permet non seulement une surveillance complète, mais aussi une interaction riche avec l’utilisateur.
L’expérience utilisateur a été méticuleusement pensée. Un client peut simplement scanner un code QR via le mini-programme WeChat, sélectionner une prise disponible et soumettre une commande en ligne pour initier la recharge. Cette approche élimine le besoin de monnaie ou de cartes physiques, simplifiant considérablement le processus. De plus, les utilisateurs peuvent surveiller l’état de la recharge de la prise sur leur téléphone portable à tout moment et ont la liberté d’interrompre la recharge quand ils le souhaitent. Cette flexibilité et cette transparence sont des améliorations majeures par rapport aux systèmes existants.
Technologie 4G : Le Cœur de la Communication
La décision d’intégrer un module 4G, spécifiquement le module EC200 de Quectel Wireless Solutions, est un élément crucial de cette conception. Ce module est responsable de la communication entre la borne de recharge et le serveur via le réseau 4G. Il transmet les paquets de données envoyés par le serveur au microcontrôleur GD32F103VE et, en fonction des commandes de l’utilisateur, envoie des informations pertinentes au contrôleur STM8S105S4T6C de la carte de charge. Le contrôleur principal est chargé d’analyser les paquets de données et de transmettre les commandes analysées, auxquelles la carte de charge répond en conséquence. De même, le contrôleur principal GD32F103VE rassemble les données collectées, les met en paquets et les télécharge sur le serveur via le module EC200.
L’adoption de la technologie 4G est motivée par plusieurs facteurs stratégiques. Avec la suppression progressive des services de réseau 2G et 3G par les opérateurs en Chine, la 4G offre une solution d’avenir, plus rapide et mieux adaptée aux opérations logiques complexes. Cela garantit une durée de vie opérationnelle plus longue pour la borne de recharge intelligente et facilite la maintenance à distance, offrant ainsi un rapport coût-efficacité supérieur.
Sécurité Avancée et Surveillance en Temps Réel
La sécurité est une préoccupation primordiale dans la conception de cette borne de recharge intelligente. Le système est conçu pour surveiller en permanence des paramètres critiques tels que la tension, le courant et la puissance active pendant le processus de recharge. Cette surveillance en temps réel est essentielle pour garantir la sécurité de la recharge.
La carte de contrôle de charge gère dix relais, fournissant les interfaces de recharge aux utilisateurs. En cas d’accident, le système est programmé pour réagir automatiquement en émettant une alarme vocale et en coupant l’alimentation matérielle. Pour une protection supplémentaire, la carte de contrôle de charge est équipée de la puce AP8022H, qui offre une protection contre les surintensités, les surchauffes et les sous-tensions. Cette puce intègre un contrôleur de modulation de largeur d’impulsion (PWM) et un MOSFET de puissance intelligent de 800V à haute capacité d’avalanche, assurant un démarrage rapide du système.
Module de Mesure de Température Sophistiqué
Deux types de modules de mesure de température sont intégrés pour une surveillance complète : le module de mesure de température DS18B20 et le module de mesure de température inter-cartes NTC. Le GD32F103VE communique avec le module de mesure de température DS18B20 via le protocole de bus 1-Wire, alimentant le DS18B20 avec une tension de 3,3V via une résistance de pull-up de 4,7kΩ. Ce capteur de température a une plage de détection de -55 à 125℃ et maintient une précision de ±0,5℃ même en dehors de la plage de -10 à 85℃. Le capteur DS18B20 offre une précision de mesure de température Celsius de 9 à 12 bits. En collaboration avec le contrôleur principal GD32F103VE, il permet des fonctions d’alarme de surchauffe et de sous-température. Une fois l’alarme déclenchée, le contrôleur principal coupe l’alimentation de la prise, jouant un rôle crucial dans la prévention des incendies.
Le module de mesure de température inter-cartes NTC est connecté à l’interface ADC_IN9 du GD32F103VE pour surveiller la température. En fonction des caractéristiques de la thermistance NTC, le contrôleur principal convertit le signal analogique collecté en données de température, surveillant ainsi la température de la carte de charge et garantissant que la puce ne fonctionne pas à des températures anormales, afin d’éviter les pannes du système. Le module de mesure de température DS18B20 est principalement utilisé pour mesurer la température ambiante de la station de recharge. En conjonction avec un capteur de fumée et un capteur de micro-étincelles, il émet une alarme vocale lorsqu’il détecte des conditions environnementales anormales.
Amélioration de l’Expérience Utilisateur par des Fonctionnalités Multimédia
Au-delà de la sécurité, l’expérience utilisateur est enrichie par des fonctionnalités multimédia. Le contrôleur principal GD32F103VE peut piloter l’affichage à dix segments et la lecture de fichiers vocaux PCM, améliorant l’expérience utilisateur du point de vue audiovisuel. Le module de lecture vocale n’a besoin que d’un canal PWM et d’un timer pour implémenter la fonction de lecture vocale. Lorsque le système doit lire un fichier vocal PCM, il lit les données à un taux d’échantillonnage de 16 kHz et convertit les données en rapport cyclique PWM pour contrôler le signal audio. Ce signal est ensuite traité par un circuit de filtrage et amplifié par un amplificateur de puissance audio avant d’être finalement diffusé par le haut-parleur.
Le contenu de la diffusion vocale comprend des annonces sur l’état de la recharge, telles que « La prise X (1~10) a commencé à charger » ou « La prise X (1~10) a terminé la charge », permettant aux utilisateurs de connaître clairement l’état de la prise. En cas d’accident, tel qu’un incendie de prise, la diffusion vocale peut émettre une alarme immédiate pour alerter les personnes et contrôler la situation.
Le module d’affichage numérique, contrôlé par le contrôleur principal GD32F103VE via GPIO et SPI, affiche le temps de recharge restant pour la prise correspondante (en minutes). Cela permet aux utilisateurs de visualiser intuitivement le temps d’utilisation restant de la prise.
Protocoles de Communication Robuste
La communication entre la borne de recharge et le serveur utilise le protocole MQTT, et le contenu de la communication est défini au format JSON. Le module EC200 est chargé de recevoir les paquets de données JSON envoyés par le serveur et de les transmettre au contrôleur principal GD32 pour analyse. Simultanément, le contrôleur principal met en paquets les informations collectées par la carte de charge qui doivent être signalées au serveur sous forme de paquets de données JSON, puis les télécharge sur le serveur via le module EC200.
La borne de recharge télécharge périodiquement un paquet de données vers le serveur pour mettre à jour les données sur l’état de chaque prise sur le serveur. Lorsqu’un utilisateur communique avec le serveur via le mini-programme WeChat, le serveur génère un paquet de données en fonction de la demande soumise par l’utilisateur et le transmet à l’EC200 via MQTT, qui le transmet ensuite au contrôleur principal. Le contrôleur principal analyse le paquet au format JSON et transmet la commande à la carte de contrôle de charge.
Mises à Jour du Firmware à Distance
La capacité de mettre à jour le firmware à distance est un aspect essentiel pour la maintenance et l’amélioration continue du système. Lorsque le personnel de maintenance doit mettre à jour le firmware, il peut envoyer un paquet de données de mise à jour du firmware via le serveur. Après l’analyse par le contrôleur principal, le module EC200 télécharge le paquet de données en fonction de l’URL contenue dans le paquet et le stocke dans la zone de stockage du programme de mise à niveau IAP interne du GD32. Simultanément, le numéro de version du firmware est également enregistré, garantissant un suivi précis des versions.
Conception Logicielle Avancée
La conception logicielle du contrôleur principal GD32F103VE utilise le système d’exploitation temps réel léger RTXOS. Le contrôleur principal initialise et analyse les paquets de données transmis par le module EC200. Pendant le processus de recharge, le système collecte des paramètres tels que le courant, la tension et la puissance active, et surveille en permanence l’état de la recharge et les situations anormales. Si le temps de recharge est écoulé, le système arrête la recharge et attend la prochaine commande.
Les prises de recharge peuvent avoir quatre états de recharge : recharge normale, recharge avec puissance anormale, prise non connectée et fiche débranchée. Elles peuvent également avoir sept états de commutation : état d’ouverture normale, état de recharge d’entretien, état d’arrêt par l’utilisateur ou fin de forfait de recharge, état de déconnexion de la fiche pendant la recharge d’entretien, état de déconnexion de la fiche pendant la recharge normale, état de puissance de recharge supérieure à la limite supérieure, et état à vide. Lorsque l’utilisateur retire la fiche, la ligne est déconnectée ou la puissance détectée est de 0, le système signale un état anormal. Si le module de mesure ne renvoie aucune donnée, le système signale un état de panne. Si la puissance de la charge est trop élevée pendant le processus de recharge, le système signale un état de surcharge.
Le système analyse et répond aux états de recharge et aux états de commutation. En cas d’état anormal, le système coupe automatiquement l’alimentation matérielle pour se protéger. Si la fiche est débranchée, le système surveille le temps de coupure. Si la fiche est rebranchée dans les 30 secondes, la commande est poursuivie ; si le temps dépasse 30 secondes, la commande est annulée et le solde est remboursé.
Le logiciel du module EC200, après initialisation, communique avec le serveur via le protocole MQTT et télécharge périodiquement les données pertinentes collectées et empaquetées par le contrôleur principal sur le serveur. Le module EC200 reçoit les paquets de données du serveur et les transmet au contrôleur principal. Le matériel comprend également un module d’horloge en temps réel (RTC), que le contrôleur principal peut utiliser pour ajouter des informations pertinentes aux paquets de données, y compris l’heure et la date.
Mini-Programme WeChat : L’Interface Utilisateur Par Excellence
Le choix du mini-programme WeChat comme interface utilisateur est stratégique. Il intègre des fonctions telles que WeChat Pay, la cartographie et la recharge par scan. Sa caractéristique « sans installation » offre une expérience utilisateur supérieure. Le mini-programme WeChat communique avec le serveur via les protocoles HTTPS et WebSocket. L’utilisation de ces deux protocoles optimise le processus de communication. HTTPS est adapté aux scénarios où le client envoie des requêtes au serveur et attend une réponse immédiate pour rafraîchir l’interface. Cependant, il est moins flexible lorsque le serveur doit pousser activement des messages en temps réel vers le mini-programme. En revanche, le protocole WebSocket permet au serveur de pousser des messages vers le mini-programme à tout moment.
Les utilisateurs entrent d’abord dans l’interface pour choisir la facturation à l’heure ou à la quantité. Si la facturation est basée sur la quantité, les frais sont calculés en fonction de l’énergie rechargée. Si la facturation est basée sur le temps, le système détermine si une recharge WeChat Pay est nécessaire en fonction du solde du compte client et du temps restant. Une fois le paiement terminé, le mini-programme WeChat soumet la commande au serveur pour traitement, puis attend le résultat du traitement du serveur et y répond. Les utilisateurs peuvent également consulter l’état de la recharge en temps réel et mettre fin à la recharge via le mini-programme WeChat, ce qui rend l’utilisation plus sûre et plus pratique.
Tests et Perspectives d’Avenir
Lors du processus de débogage de la borne de recharge intelligente, le module 4G a réussi à communiquer avec le serveur. Lorsque l’utilisateur a sélectionné la prise de recharge et la méthode de recharge via le mini-programme WeChat et a cliqué sur « Démarrer la recharge », le serveur a reçu les informations de commande, les a enregistrées et les a empaquetées. Ensuite, le serveur a envoyé un paquet de données contenant les commandes correspondantes au module EC200. Le contrôleur principal a reçu et analysé le paquet de données, puis a émis des commandes de contrôle en fonction des résultats de l’analyse, contrôlant ainsi avec succès et précision l’état de commutation de la borne de recharge. L’ensemble du système de borne de recharge intelligente a fonctionné normalement pendant ce processus de débogage.
Cette conception représente une avancée significative dans le domaine des infrastructures de recharge pour véhicules électriques. En offrant une expérience utilisateur améliorée, une gestion simplifiée et des fonctionnalités de sécurité renforcées, cette borne de recharge intelligente basée sur le GD32F103VE et un module 4G est hautement adaptable à divers environnements. Elle répond aux besoins de gestion de la recharge des véhicules électriques dans les communautés résidentielles, possède une valeur d’application considérable et des perspectives d’avenir prometteuses.
L’ingéniosité de cette solution réside dans sa capacité à fusionner la commodité du numérique avec les exigences techniques rigoureuses de la recharge des véhicules électriques. En abordant les lacunes des systèmes existants, cette borne intelligente pave la voie à une adoption encore plus large des VE, contribuant ainsi à l’édification de villes plus vertes et plus intelligentes. L’intégration de la technologie IoT et des plateformes mobiles courantes comme WeChat ne fait que renforcer son potentiel d’impact sur la mobilité urbaine de demain.