通訊技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)充電站中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

孫君光 張興旺 賴前程

（中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司）

0 前言

電動(dòng)汽車(chē)充電站是電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的能源服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施[1]。建設(shè)大量的充電站是推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要條件之一。為實(shí)現(xiàn)充電站運(yùn)行和管理的智能化，滿足智能電網(wǎng)對(duì)充電站的要求，通訊技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)充電站的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)、合理的通訊網(wǎng)絡(luò)、方式、協(xié)議的設(shè)計(jì)能與電動(dòng)汽車(chē)充電站實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化的充電功能相匹配，同時(shí)對(duì)方便使用和提高充電站的運(yùn)營(yíng)效率和智能化管理水平具有重要意義。

1 充電站監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

充電站監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3層，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

第1層為充電站中央監(jiān)控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)等設(shè)備；第2層為配電監(jiān)控、充電監(jiān)控、煙霧監(jiān)視和視頻監(jiān)視4個(gè)子監(jiān)控系統(tǒng)；第3層為現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備[2-4]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的不同，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與各子監(jiān)控系統(tǒng)間采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)連接。各子監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)局域網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議與中央監(jiān)控管理系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)充電站的數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計(jì)、故障顯示和監(jiān)控。

圖1 充電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 充電監(jiān)控系統(tǒng)雙CAN通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 充電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)雙CAN通信網(wǎng)絡(luò)

充電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括充電監(jiān)控站、充電機(jī)、充電樁，以及充電對(duì)象—電動(dòng)汽車(chē)。充電機(jī)與電動(dòng)汽車(chē)蓄電池管理系統(tǒng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)（CAN1），實(shí)現(xiàn)充電機(jī)和蓄電池管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換；充電機(jī)與充電監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)（CAN2），實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)充電機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)視和控制等功能[5]。

2.2 CAN1的網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)

充電機(jī)與蓄電池管理系統(tǒng)的CAN網(wǎng)絡(luò)（CAN1）包括兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，即充電機(jī)與蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）。

在CAN1網(wǎng)絡(luò)中還包括一個(gè)車(chē)載的監(jiān)控系統(tǒng)，用來(lái)監(jiān)視車(chē)載蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)送的信息包括蓄電池的基本信息，蓄電池的電壓、溫度、荷電狀態(tài)（SOC）等數(shù)據(jù)，以便監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視蓄電池的工作狀態(tài)。充電機(jī)也根據(jù)從電動(dòng)汽車(chē)傳送的數(shù)據(jù)決定最佳的充電策略。CAN1的網(wǎng)絡(luò)組成如圖2 所示。

2.3 CAN2網(wǎng)絡(luò)組成圖

CAN2包括一臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)和若干臺(tái)充電機(jī)。由于CAN總線的負(fù)載能力限制了CAN總線的接入數(shù)量，每一個(gè)CAN總線最多接入30個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。CAN2網(wǎng)絡(luò)組成如圖3所示[5]。

充電監(jiān)控系統(tǒng)由一臺(tái)或多臺(tái)工作站或服務(wù)器組成，包括監(jiān)控工作站、Web服務(wù)器等。這些計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)充電站的規(guī)模較小，充電機(jī)數(shù)量不多，采用單臺(tái)監(jiān)控工作站即可滿足監(jiān)控要求；當(dāng)充電站的規(guī)模較大，充電機(jī)數(shù)量較多時(shí)，可以采用2臺(tái)或2臺(tái)以上監(jiān)控工作站，并根據(jù)需要選擇配置服務(wù)器。

充電監(jiān)控系統(tǒng)作為充電站監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，采用CAN2網(wǎng)絡(luò)與充電機(jī)通信，能夠?qū)崟r(shí)采集充電機(jī)的工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、故障信息數(shù)據(jù)，以及動(dòng)力電池的基本信息、電壓、溫度、SOC、充電量、故障信息等數(shù)據(jù)，根據(jù)上級(jí)系統(tǒng)指令和BMS提供的動(dòng)力電池信息，調(diào)整充電機(jī)的充電模式與充電運(yùn)行參數(shù)。

圖2 CAN1網(wǎng)絡(luò)組成圖

圖3 CAN2網(wǎng)絡(luò)組成圖

3 充電設(shè)備內(nèi)部通訊

3.1 非車(chē)載充電機(jī)通訊設(shè)計(jì)

大功率非車(chē)載充電機(jī)除采用雙CAN總線與電動(dòng)汽車(chē)和監(jiān)控系統(tǒng)相連外，其內(nèi)部通訊包括控制及通訊管理單元與充電模塊、人機(jī)交互界面、電量計(jì)量單元、計(jì)費(fèi)讀卡單元的通訊連接圖如圖4所示。

大功率非車(chē)載充電機(jī)一般采用多個(gè)充電模塊并聯(lián)組成一個(gè)充電單元，并通過(guò)RS-485連接充電監(jiān)控與通信管理單元，通訊信息包括控制參數(shù)和控制命令及相關(guān)狀態(tài)量等。

人機(jī)交互界面采用大屏幕彩色觸摸屏，采用RS485通信方式。充電可選擇定電量、定時(shí)間、定金額、自動(dòng)（充滿為止）4種模式；顯示當(dāng)前充電模式、時(shí)間（已充電時(shí)間、剩余充電時(shí)間）、電量（已充電量、待充電量）及當(dāng)前計(jì)費(fèi)信息。

讀卡器采用R232通信方式，用于身份識(shí)別、記錄電量消費(fèi)信息。

電量計(jì)量單元，獨(dú)立的電能計(jì)量?jī)x表用于對(duì)充電機(jī)輸入電量、輸出電量、電動(dòng)汽車(chē)充電量進(jìn)行測(cè)量，以此進(jìn)行用電計(jì)費(fèi)、電費(fèi)結(jié)算和成本核算等工作，并把電量信息通過(guò)RS485發(fā)送到控制及通訊管理單元。

3.2 充電樁

充電樁主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的交流電源的控制，其內(nèi)部通訊包括控制及通訊管理單元與人機(jī)交互界面、電量計(jì)量單元、計(jì)費(fèi)讀卡單元的通訊，如圖5所示，這些接口及功能與非車(chē)載充電機(jī)相似。與監(jiān)控系統(tǒng)相連的方式可以是CAN，也可采用紅外通訊及GPRS無(wú)線通訊方式。

GPRS通信和紅外通信，可根據(jù)需要上傳充電樁的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并與服務(wù)器進(jìn)行IC卡身份認(rèn)證。

充電樁除在電動(dòng)汽車(chē)充電站應(yīng)用外，主要的應(yīng)用通常為居民小區(qū)、停車(chē)場(chǎng)、沿街道停車(chē)位等較為分散的場(chǎng)所。各分散充電樁通過(guò)無(wú)線發(fā)射、小區(qū)組網(wǎng)等方式完成IC卡信息認(rèn)證及信息傳輸?shù)取?/p>

圖5 充電機(jī)內(nèi)部模塊通訊設(shè)計(jì)

4 通訊協(xié)議及接口設(shè)計(jì)

4.1 CAN接口及通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

4.1.1 CAN接口設(shè)計(jì)

CAN接口芯片采用ADI公司的ADM3053，它是一款隔離式CAN物理層收發(fā)器，集成隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。該器件采用ADI公司的iCoupler?技術(shù)，將雙通道隔離器、CAN收發(fā)器和ADI公司的isoPower?DC/DC轉(zhuǎn)換器集成于單個(gè)表貼封裝中。通訊接口設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 CAN通訊接口設(shè)計(jì)

4.1.2 CAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

相關(guān)行標(biāo)及國(guó)標(biāo)規(guī)定了電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)監(jiān)控單元與電池管理系統(tǒng)（BMS）之間的通信協(xié)議，采用CAN2.0（控制器局域網(wǎng)）通信協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了參數(shù)定義和參數(shù)組定義，前者包括數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)分辨率、數(shù)據(jù)范圍等；后者包括數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度、傳輸循環(huán)率、數(shù)據(jù)地址等。設(shè)計(jì)參見(jiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，限于篇幅不再贅述。

對(duì)于CAN1系統(tǒng)，采用CAN2.0設(shè)計(jì)，通訊協(xié)議根據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)量設(shè)計(jì)。

4.2 串口及通訊協(xié)議

4.2.1 串口接口設(shè)計(jì)

串口接口主要包括RS485和RS232，限于篇幅，本文只給出RS485設(shè)計(jì)。RS485接口采用ADI公司的ADM2587E芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。ADM2587E是隔離型RS485收發(fā)器，可配置為半雙工或全雙工，支持±15 kVESD保護(hù)及信號(hào)和電源隔離。該器件適用于多點(diǎn)傳輸線上的高速通信。內(nèi)部集成隔離式DC-DC電源，無(wú)需外加DC-DC隔離模塊，節(jié)約了成本及減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，RS485串行通訊接口設(shè)計(jì)如圖7所示。

4.2.2 串口通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議波特率采用19200b/s、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)校驗(yàn)。

4.3 以太網(wǎng)接口及通訊協(xié)議

4.3.1 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)接口芯片采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的DP83848-單路10/100Mb/s以太網(wǎng)收發(fā)器，DP83848是一款強(qiáng)大的全功能10/100單端口物理層器件，實(shí)現(xiàn)了低功耗，包括幾種智能掉電狀態(tài)。這些低功耗模式通過(guò)降低功耗提高了產(chǎn)品的整體可靠性。支持多種智能功率模式，從而可以在應(yīng)用中使用最少量的工作所需電量。以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)如圖8所示。

4.3.2 以太網(wǎng)通信協(xié)議

以太網(wǎng)通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP和UDP協(xié)議。

圖7 RS485串行通訊接口設(shè)計(jì)

圖8 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案

5 結(jié)語(yǔ)

為滿足現(xiàn)代充電站建設(shè)、使用和維護(hù)的需求，通訊技術(shù)在充電系統(tǒng)中占據(jù)極其重要的地位。提出的充電站3層充電站監(jiān)控系統(tǒng)及其通訊整體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)不同層次數(shù)據(jù)特點(diǎn)和使用需求，結(jié)合當(dāng)前主流通訊技術(shù)，融合了不同通訊網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，很好地滿足應(yīng)用要求。結(jié)合國(guó)內(nèi)外充電機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出的充電機(jī)雙CAN通訊方案，并在實(shí)際的系統(tǒng)研發(fā)中得到應(yīng)用。提出的充電機(jī)、充電樁內(nèi)部通訊方案，則結(jié)合了充電機(jī)功能及控制特點(diǎn)，兼顧了對(duì)外接口的統(tǒng)一和滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。通訊方式及通訊協(xié)議的選取，考慮了不同通訊方式的特點(diǎn)及內(nèi)部子系統(tǒng)的接口要求，對(duì)裝置和設(shè)備的研發(fā)有積極的參考作用。

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