FlexRay總線在電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬建業(yè),黃 梅,王占國,劉 彪,盛大雙

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京100044;2.北京市億能通電子有限公司,北京100044)

FlexRay總線在電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬建業(yè)1,黃 梅1,王占國1,劉 彪1,盛大雙2

(1.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京100044;2.北京市億能通電子有限公司,北京100044)

當(dāng)前大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)內(nèi)部通信總線普遍采用CAN總線,使用FlexRay總線作為其內(nèi)部總線替代傳統(tǒng)的CAN總線,能較好地滿足大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)(BESS)內(nèi)部通信的要求。分析CAN總線用于大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)存在的不足以及FlexRay總線的優(yōu)勢。在BESS通信架構(gòu)的基礎(chǔ)上,介紹儲能電池管理系統(tǒng)的通信架構(gòu),討論FlexRay總線在大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用及主要方案。運(yùn)用Network Designer與CANoe.FlexRay仿真驗(yàn)證FlexRay通信系統(tǒng)在大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性,結(jié)果表明,與CAN總線相比,FlexRay總線用于儲能電池管理系統(tǒng)中可以取得更好的效果。

FlexRay總線;CAN總線;電池儲能系統(tǒng);儲能電池管理系統(tǒng);FlexRay參數(shù)設(shè)計(jì);通信仿真

1 概述

儲能技術(shù)作為風(fēng)能、太陽能等可再生能源的大規(guī)模發(fā)展以及我國智能電網(wǎng)建設(shè)的核心技術(shù)之一,在可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)、削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻、后備電源以及提高電能質(zhì)量上發(fā)揮著重要的作用［1］。相比于抽水儲能等大容量儲能系統(tǒng),電池儲能技術(shù)空間可移植性更好,而且由于鋰電池技術(shù)不斷成熟使大規(guī)模儲能電站建設(shè)成為可能,未來發(fā)展前景廣闊。

電池儲能系統(tǒng)(Battery Energy Storage System,BESS)內(nèi)部通信規(guī)約各異,監(jiān)控系統(tǒng)以及上層的電力調(diào)度中心一般采用符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的光纖以太網(wǎng)通信,PCS根據(jù)不同的要求采用RS485、CAN、以太網(wǎng)通信,儲能電池管理系統(tǒng)當(dāng)前通常采用CAN總線通信。然而隨著大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用,電池組模塊間信息采集點(diǎn)陡然增多,采集信息量大,通信節(jié)點(diǎn)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要電池儲能系統(tǒng)能滿足在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下運(yùn)行。此時(shí)儲能電池管理系統(tǒng)內(nèi)部CAN總線通信系統(tǒng)所固有的缺陷逐步顯現(xiàn),主要表現(xiàn)在通信速率低、總線吞吐率低、通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單。FlexRay［2］是繼CAN和LIN總線之后的最新成果,相比與CAN總線FlexRay,具有有更靈活的數(shù)據(jù)通信方式,更快的數(shù)據(jù)傳輸速率,更全面的拓?fù)溥x擇,更完善的容錯(cuò)機(jī)制。因此,FlexRay總線是大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)內(nèi)部理想的通信總線解決方案。

本文分析CAN總線用于大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)存在的不足以及FlexRay總線的優(yōu)勢,討論FlexRay總線在大規(guī)模儲能電池管理系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性及主要方案。

2 FlexRay總線

FlexRay是由FlexRay聯(lián)盟制定的新一代高速總線［3］,與傳統(tǒng)的CAN總線相比,FlexRay總線在通信速率、確定性、可靠性等多方面都有著更為優(yōu)越的性能。主要表現(xiàn)如下［4］:

(1)通信帶寬:FlexRay帶寬不受協(xié)議機(jī)制的限制,單通道最快10 Mb/s,采用雙通道系統(tǒng)時(shí)可達(dá)2× 10 Mb/s的速率,遠(yuǎn)高于CAN總線。

(2)時(shí)間確定性:FlexRay總線采用時(shí)分多路的數(shù)據(jù)傳輸方式,數(shù)據(jù)在通信周期中擁有固定位置,確保消息到達(dá)的時(shí)效性。

(3)分布式時(shí)鐘同步:FlexRay總線使用同步時(shí)基的訪問方法。

(4)容錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸:FlexRay總線具有專用決定性故障容錯(cuò)協(xié)議,支持多級別的容錯(cuò)能力,確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(5)靈活性:FlexRay總線支持總線型、星型、級聯(lián)星型、混合型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),支持時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)通信方式。

3 FlexRay在大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 電池儲能系統(tǒng)通信架構(gòu)

當(dāng)前電池儲能系統(tǒng)通信架構(gòu)［5］如圖1所示,采用分層、分布設(shè)計(jì),分為系統(tǒng)層和設(shè)備層兩層結(jié)構(gòu)。包括監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、儲能電池管理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、PCS及保護(hù)測控設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)。采用的通信規(guī)約包括Ethernet,FlexRay,CAN,RS485,各個(gè)通信規(guī)約比較如表1所示。

圖1 大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)通信架構(gòu)

表1 電池儲能系統(tǒng)通信總線比較

3.2 儲能電池管理系統(tǒng)FlexRay通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

儲能電池管理系統(tǒng)［6］內(nèi)部采用FlexRay總線取代CAN總線。如圖2中每個(gè)儲能電池管理子系統(tǒng)采用主從板結(jié)構(gòu)由一個(gè)電池管理主板(BMS)和若干個(gè)BMU以及一個(gè)單元內(nèi)部數(shù)據(jù)信息顯示監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成。本文設(shè)計(jì)一個(gè)儲能單元由192節(jié)單體電池串聯(lián)組成,每個(gè)BMU采集12節(jié)單體電池?cái)?shù)據(jù)信息,因此共需要16個(gè)從板和1個(gè)主板以及1個(gè)顯示監(jiān)控節(jié)點(diǎn),共18個(gè)節(jié)點(diǎn),本文采用總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)從板采集12節(jié)單體電池的電壓、溫度、故障信息,并在靜態(tài)段中規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送給BMS和顯示屏節(jié)點(diǎn)。BMS將采集的BMU信息整合并采集電流信號,計(jì)算SOC、對地絕緣電阻值以及其他故障信息,并在靜態(tài)段中規(guī)定時(shí)隙發(fā)送到顯示屏節(jié)點(diǎn)同時(shí)還按規(guī)定要求發(fā)送給上層監(jiān)控系統(tǒng)。此外BMS根據(jù)從板采集的數(shù)據(jù)發(fā)送相應(yīng)的控制信息,根據(jù)不同的BMU節(jié)點(diǎn)在動態(tài)段相應(yīng)的時(shí)隙內(nèi)由BMS節(jié)點(diǎn)發(fā)送到相應(yīng)的BMU節(jié)點(diǎn),如圖2所示。

圖2 儲能電池管理系統(tǒng)FlexRay通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 FlexRay通信仿真模型的搭建

4.1 FlexRay網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)庫

FlexRay網(wǎng)絡(luò)仿真模型的搭建主要采用Vector Informatik公司開發(fā)的Network Designer與CANoe.FlexRay［7］。Network Designer主要是用于建立FlexRay網(wǎng)絡(luò)仿真的數(shù)據(jù)庫,CANoe.FlexRay主要是搭建仿真模型并進(jìn)行仿真分析。

對FlexRay通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要對通信系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì),總共有約70個(gè)參數(shù)需要在網(wǎng)絡(luò)啟動前配置好,包括全局參數(shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)。本文仿真實(shí)驗(yàn)主要全局參數(shù)設(shè)定如下:通信周期:10 ms;通信速率: 10 Mb/s;通信通道采用冗余通信方式設(shè)定為A&B;靜態(tài)段長度:6 885 μs;動態(tài)時(shí)隙長度:2 400 μs。部分參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

幀EVfp_tomb_n(n為整數(shù),n取值范圍為1～16)按照從低到高的順序安排在靜態(tài)時(shí)隙2～時(shí)隙17發(fā)送,發(fā)送節(jié)點(diǎn):相應(yīng)的從板節(jié)點(diǎn);接收節(jié)點(diǎn):主板節(jié)點(diǎn)和顯示監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。靜態(tài)段數(shù)據(jù)幀的幀ID為相應(yīng)的靜態(tài)時(shí)隙號。主板向從板發(fā)送命令的數(shù)據(jù)幀Evmb_CMD_n(n為整數(shù),n取值范圍為1～16)只在需要發(fā)送的時(shí)候才發(fā)送,符合事件驅(qū)動的特點(diǎn),因此安排在動態(tài)段發(fā)送。為保證每一個(gè)控制幀都有足夠的時(shí)間發(fā)送,發(fā)送的時(shí)間設(shè)定為2個(gè)微時(shí)隙,動態(tài)段發(fā)送時(shí)隙分配見圖3。從圖中可以看出數(shù)據(jù)幀發(fā)送完成是在第50個(gè)微時(shí)隙,該值小于參數(shù)pLatestTX的值58,從而保證所有的控制幀都能在當(dāng)前周期發(fā)送完成而不會延遲到下一個(gè)周期發(fā)送。各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙、數(shù)據(jù)幀的具體分配如圖3所示。

在完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、時(shí)隙任務(wù)分配、添加信號和數(shù)據(jù)幀生成等相關(guān)工作以后,由Network Designer構(gòu)建的仿真數(shù)據(jù)庫模型如圖4所示。

表2 FlexRay部分全局和節(jié)點(diǎn)參數(shù)值

圖3 動態(tài)段時(shí)隙分配

圖4 仿真數(shù)據(jù)庫模型

4.2 仿真模型

首先將Vector公司的FlexRay接口卡VN7600通過USB接口連接在PC機(jī)上,然后在CANoe.FlexrRay中simulation setup窗口中導(dǎo)入由Network Designer創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫FIBEX文件并添加仿真節(jié)點(diǎn)(主板節(jié)點(diǎn)BCU從板節(jié)點(diǎn)、BMU_n(n取值1～16)、顯示監(jiān)控節(jié)點(diǎn)Monitor),選擇real bus全仿真方式,下一步導(dǎo)入需要仿真的信號,搭建好的仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

5 FlexRay通信仿真結(jié)果與分析

5.1 FlexRay通信仿真結(jié)果

運(yùn)行仿真模型通過CANoe.FlexRay的Trace, Frame Histogram,Statistics,data,Graphics窗口觀察仿真結(jié)果。從圖6 Trace窗口可以看出,每一個(gè)數(shù)據(jù)幀都采用雙通道發(fā)送,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?每個(gè)相鄰的靜態(tài)時(shí)隙間隔81 μs,即靜態(tài)時(shí)隙為81 μs,每個(gè)相鄰的動態(tài)時(shí)隙間隔120 μs,對照圖3所示動態(tài)段分配時(shí)隙圖可知相鄰2個(gè)動態(tài)幀的發(fā)送間隔為3個(gè)microticks即120 μs,與參數(shù)設(shè)置一致。每個(gè)靜態(tài)幀負(fù)載段長度為50個(gè)字節(jié),動態(tài)幀負(fù)載段最大長度為32個(gè)字節(jié)。

Frame Histogram窗口中顯示了靜態(tài)幀和動態(tài)幀的時(shí)隙占用情況,以及靜態(tài)段和動態(tài)段數(shù)據(jù)幀發(fā)送的頻率,本次仿真的循環(huán)周期設(shè)定為10 ms,每個(gè)數(shù)據(jù)幀在一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送一次,因此在1 s內(nèi)每個(gè)通道上的發(fā)送時(shí)隙可以發(fā)送100個(gè)數(shù)據(jù)幀,從圖7Frame Histogram窗口中可以看出,每個(gè)發(fā)送時(shí)隙數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率為100幀/s,與理論計(jì)算結(jié)果一致。Frame Histogram窗口如圖7所示。

圖6 Trace窗口仿真結(jié)果

圖7 Frame Histogram仿真窗口

5.2 仿真結(jié)果分析

5.2.1 FlexRay網(wǎng)絡(luò)延遲性分析

生成延遲Ts為發(fā)送節(jié)點(diǎn)處理器接收到本節(jié)點(diǎn)的請求,到它將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)寫入緩存隊(duì)列里所花費(fèi)的時(shí)間。

傳輸延遲Tc為FlexRay數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間,定義公式為:

其中,Frame_Size為數(shù)據(jù)幀的大小;Bit_Rate為FlexRay總線的通信速率。

隊(duì)列延遲Tw是由靜態(tài)幀傳輸和較高優(yōu)先級的動態(tài)幀所引起的網(wǎng)絡(luò)延遲,包括單通信周期的隨機(jī)隊(duì)列延遲和多通信周期隊(duì)列延遲。

接收延遲Tr為數(shù)據(jù)幀離開總線到數(shù)據(jù)發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)微處理器所花費(fèi)的時(shí)間。

FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信延遲時(shí)間 Td的計(jì)算公式如下:

生成延遲Ts和接收延遲Tr與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理速度直接相關(guān),與FlexRay通信網(wǎng)絡(luò)本身的特性并無多大關(guān)系,并且它們的時(shí)間很小,在分析時(shí)可以忽略它們的影響。于是可以將網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間公式簡化為:

傳輸延遲Tc可以分為靜態(tài)幀傳輸延遲Tcs和動態(tài)幀傳輸延Tcd,根據(jù)傳輸延遲的定義公式可得:

其中:

其中,gdbit為每一位的時(shí)間間隔。由于FlexRay通信周期靜態(tài)段采用基于時(shí)間觸發(fā)的TDMA通信方式,每個(gè)靜態(tài)幀在靜態(tài)段中有固定的發(fā)送時(shí)刻,每個(gè)靜態(tài)幀的發(fā)送都不會對其他的靜態(tài)幀造成影響。因此,沒有必要討論靜態(tài)段的隊(duì)列延遲的影響,只要考慮動態(tài)段隊(duì)列延遲的影響［11］。動態(tài)段隊(duì)列延遲主要考慮以下2點(diǎn)因素:

(1)和當(dāng)前幀ID相同,但優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)幀。

(2)任何比當(dāng)前幀ID小的動態(tài)數(shù)據(jù)幀。

令:

其中,Tw1為第1個(gè)因素造成的影響;Tw2為第2個(gè)因素造成的影響。

Tw1和Tw2的計(jì)算公式分別如下:

結(jié)合本次仿真方案,設(shè)計(jì)每個(gè)動態(tài)幀具有唯一的幀ID,不存在具有相同幀ID而優(yōu)先級不同的多個(gè)動態(tài)幀,因此Tw1=0。根據(jù)動態(tài)段通信調(diào)度表的設(shè)計(jì),每個(gè)動態(tài)幀都能在動態(tài)段pLatestTx時(shí)刻(即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詈笠粋€(gè)時(shí)隙)前發(fā)送完成,并結(jié)合仿真結(jié)果可知沒有產(chǎn)生因較小幀ID造成其他動態(tài)幀發(fā)送延遲的現(xiàn)象,因此 Tw2=0。所以隊(duì)列延遲Tw=0。

網(wǎng)絡(luò)延遲Td=59.4 μs+41.8 μs+0=101.2 μs,可以看出本次仿真方案的網(wǎng)絡(luò)延遲已經(jīng)相當(dāng)?shù)?完全滿足儲能電池管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

5.2.2 FlexRay網(wǎng)絡(luò)總線負(fù)載率分析

FlexRay總線負(fù)載率就是靜態(tài)幀和動態(tài)幀占用總線的情況,在分析FlexRay總線負(fù)載率時(shí),假設(shè)沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀傳輸失敗的情況,所有數(shù)據(jù)幀能在最壞情況下的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)傳輸完成。計(jì)算總線負(fù)載率的公式［12］如下:

其中,gdStaticSlot為靜態(tài)時(shí)隙的大小;gdMinislot為Minislot的持續(xù)時(shí)間。

假設(shè)共有n個(gè)數(shù)據(jù)幀,其中有m個(gè)靜態(tài)幀,nm個(gè)動態(tài)幀。Tc為FlexRay總線周期,fi是第i個(gè)靜態(tài)幀的傳輸頻率,Ti是第i個(gè)靜態(tài)幀的傳輸周期也等于Tc,fj是第j個(gè)動態(tài)幀的傳輸頻率,Tj是第j個(gè)動態(tài)幀的傳輸周期也等于Tc。kj表示每個(gè)動態(tài)幀占用動態(tài)微時(shí)隙的數(shù)量。根據(jù)論文仿真方案,由于靜態(tài)幀和動態(tài)幀在每個(gè)周期時(shí)間內(nèi)都會發(fā)送一次,因此:

可以看出,FlexRay總線負(fù)載率維持在較低的水平,通信系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

6 結(jié)束語

FlexRay總線作為即CAN總線之后的下一代通信總線,在實(shí)時(shí)性、可靠性、大數(shù)據(jù)量傳輸、通信帶寬等方面較CAN總線都有大幅度提高。在大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)中應(yīng)用FlexRay總線可以有效解決CAN總線傳輸數(shù)據(jù)量小、帶寬低等問題,并能進(jìn)一步提高可靠性。通過CANoe.FlexRay搭建的仿真模型及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通信周期的分配、通信調(diào)度的設(shè)計(jì)都完全滿足儲能電池管理系統(tǒng)的要求,同時(shí)也體現(xiàn)出FlexRay總線的優(yōu)勢,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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編輯 索書志

Application of FlexRay Bus in Battery Energy Storage System

MA Jianye1,HUANG Mei1,WANG Zhanguo1,LIU Biao1,SHENG Dashuang2
(1.School of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;
2.Beijing EPOWER Electronics Co.,Ltd.,Beijing 100044,China)

CAN bus is normally used as internal bus in the large-scale Battery Energy Storage System(BESS)at present.FlexRay used as internal bus replacing CAN bus can well meet the requirements of internal communications in the large-scale battery energy storage system.The shortage of CAN bus which is used in the large-scale battery energy storage system and the superiority of FlexRay bus are analysed.Based on the simple introduction of the communication architecture of battery energy storage system,the communication architecture of energy storage battery management system is introduced by focus,and the feasibility of the application and major scheme of the FlexRay communication protocol in large-scale energy storage battery management system are discussed.Network Designer and CANoe.FlexRay are used to simulate the feasibility of FlexRay communication system used in the large-scale battery energy storage system.Simulation results prove that FlexRay bus used in energy storage battery management system can achieve good effects compared with CAN bus.

FlexRay bus;CAN bus;Battery Energy Storage System(BESS);energy storage battery management system;FlexRay parameter design;communication simulation

1000-3428(2014)11-0260-06

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.11.052

國家能源局基金資助項(xiàng)目(NY20110705-1)。

馬建業(yè)(1987-),男,碩士研究生,主研方向:FlexRay網(wǎng)絡(luò)仿真,新能源及新型發(fā)電技術(shù);黃 梅,教授;王占國,工程師;劉 彪,講師;盛大雙,工程師。

2013-09-29

2013-12-02E-mail:12125869@bjtu.edu.cn

中文引用格式:馬建業(yè),黃 梅,王占國,等.FlexRay總線在電池儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程,2014,40(11): 260-265.

英文引用格式:Ma Jianye,Huang Mei,Wang Zhanguo,et al.Application of FlexRay Bus in Battery Energy Storage System［J］.Computer Engineering,2014,40(11):260-265.