V2G充放電站系統(tǒng)CAN總線(xiàn)通信協(xié)議的制定與實(shí)現(xiàn)

陳 棟 郝 攀 俞 波

（1. 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 210000；2. 東南大學(xué)電氣學(xué)院，南京 210000）

隨著智能電網(wǎng)與新能源的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)由于對(duì)環(huán)境的零排放日益受到政府與消費(fèi)者的青睞。電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng) V2G[1]，不僅可通過(guò)充電給車(chē)載電池能量補(bǔ)給，還可以作為儲(chǔ)能單元通過(guò)放電將電池多余的能量回饋給電網(wǎng)，尤其是充放電設(shè)施與可再生能源有機(jī)集成后在微網(wǎng)中的應(yīng)用更為突出[2]。

電動(dòng)汽車(chē)充放電設(shè)施根據(jù)安裝位置可分為車(chē)載式與非車(chē)載式。車(chē)載充放電機(jī)固定在汽車(chē)上，用于小功率慢速充放電。非車(chē)載充放電機(jī)安裝在電動(dòng)汽車(chē)外，能夠快速直流大功率充放電。為了保證電動(dòng)汽車(chē)充放電過(guò)程的安全、高效，V2G充放電站系統(tǒng)各部分之間需要進(jìn)行信息交互，即需要通信協(xié)議[3]。目前，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電，國(guó)家已發(fā)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而車(chē)輛向電網(wǎng)饋能尚未出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。課題基于我國(guó)現(xiàn)行的充電標(biāo)準(zhǔn) GB/T 20234-1[4]、GB/T 27930[5]、GB/T 18487[6]，利用CAN總線(xiàn)設(shè)計(jì)適用于V2G充放電站系統(tǒng)放電通信協(xié)議，作為后期放電標(biāo)準(zhǔn)制定的前瞻性研究，以期實(shí)現(xiàn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)能量安全、有序的雙向流動(dòng)。

1 充放電站工作原理

1.1 充放電站結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)、充放電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)三者構(gòu)成V2G充放電系統(tǒng)，如圖1所示。充放電動(dòng)機(jī)通過(guò)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)AC/DC變換電路與雙向DC/DC變換電路完成電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間能量的傳輸[7]。設(shè)置兩級(jí)變換電路的目的為實(shí)現(xiàn)電壓寬范圍輸出，滿(mǎn)足不同電壓范圍的電池的工況[8]。充放電動(dòng)機(jī)通過(guò)通信監(jiān)控管理控制單元根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)布的控制信號(hào)（電網(wǎng)允許充放電容量、充放電功率、切負(fù)荷量、分時(shí)電價(jià)等）和電池管理系統(tǒng)BMS（battery management system）發(fā)出的信號(hào)（電池組最低電池荷電量 SOC（state of charge）、可用時(shí)間、充放電電流限制、允許電壓、電池溫度等）經(jīng)過(guò)充放電控制策略算法作用，得到充放電指令。充放電控制器接收BMS的需求指令與后臺(tái)管理系統(tǒng)的控制指令，通過(guò)控制雙向變換電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，動(dòng)態(tài)調(diào)整充放電動(dòng)機(jī)的輸出或輸入電壓、電流，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)之間能量的最優(yōu)傳輸。

圖1 充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 充放電站工作模式

電動(dòng)汽車(chē)充電電能來(lái)自公共電網(wǎng)，而電動(dòng)汽車(chē)放電可將電能供給公共電網(wǎng)、住宅用戶(hù)電網(wǎng)、樓宇等不同對(duì)象。根據(jù)《電動(dòng)汽車(chē)用充放電式電動(dòng)機(jī)控制器技術(shù)條件》，車(chē)載儲(chǔ)能裝置可通過(guò)控制器向電網(wǎng)、負(fù)載、其他車(chē)載儲(chǔ)能裝置提供電能，可以工作在 V2G（車(chē)對(duì)電網(wǎng)）、V2H（車(chē)對(duì)家庭住宅）、V2B（車(chē)對(duì)樓宇）、V2V（車(chē)對(duì)車(chē)）和V2L（車(chē)對(duì)負(fù)載）等模式，可以定義V2X。

基于車(chē)輛用戶(hù)多樣化需求與成本優(yōu)化，非車(chē)載充放電裝置應(yīng)具有充電模式和充放電模式兩種運(yùn)行方式。充電模式下，車(chē)輛提充電需求，充放電裝置按指示完成充電任務(wù)。充放電模式下，充放電裝置依據(jù)上級(jí)電網(wǎng)調(diào)度需求和電池狀態(tài)，進(jìn)行充放電轉(zhuǎn)換和相應(yīng)參數(shù)調(diào)整，改變能量傳輸方向，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻等任務(wù)。在接受電網(wǎng)調(diào)度命令或并離網(wǎng)切換時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)的響應(yīng)速度可以達(dá)到毫秒級(jí)別。用戶(hù)可以根據(jù)自身的偏好選擇相應(yīng)的模式。

2 V2G充放電站通信模式

V2G充放電站系統(tǒng)主要關(guān)鍵設(shè)備有能量管理系統(tǒng)、后臺(tái)管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)。充放電動(dòng)機(jī)需與電池管理系統(tǒng)通信獲取電池實(shí)時(shí)參數(shù)，還應(yīng)具備與后臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)通信獲取電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)。V2G充放電站各通信單元之間采用CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)信息交互。

2.1 CAN總線(xiàn)特點(diǎn)

CAN-bus（controller area network）即控制器局域網(wǎng)，是一種具有廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。CAN-bus是一種多主方式[9]的串行通信總線(xiàn)，位速率高，抗干擾能力好，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，具有出錯(cuò)后自動(dòng)重發(fā)功能。CAN總線(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mbps，直接通信距離可達(dá)10km[10]。CAN總線(xiàn)由于具有這些優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制中。

2.2 充放電站的CAN通信

電動(dòng)汽車(chē)充放電站通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)充放電動(dòng)機(jī)、充放電站后臺(tái)管理系統(tǒng)三者之間的信息交互要求。充放電站各部分全部采用CAN技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)時(shí)，充放電動(dòng)機(jī)與蓄電池管理系統(tǒng)之間CAN網(wǎng)絡(luò)，記為CAN1；充放電動(dòng)機(jī)與后臺(tái)管理系統(tǒng)之間采用獨(dú)立的CAN網(wǎng)絡(luò)，記為CAN2。

后臺(tái)管理系統(tǒng)功能目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)控和充放電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控[11]，并可依據(jù)電池需求和電網(wǎng)狀況給充放電動(dòng)機(jī)下達(dá)充放電指令。充放電動(dòng)機(jī)與BMS之間的CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。后臺(tái)管理系統(tǒng)與充放電動(dòng)機(jī)之間的CAN通信網(wǎng)絡(luò)采用主從控制，后臺(tái)管理系統(tǒng)為主節(jié)點(diǎn)，充放電動(dòng)機(jī)為從節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 充放電站CAN通信組網(wǎng)

3 充放電站CAN通信協(xié)議制定

CAN2.0規(guī)范已定義了OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，因此不作深入介紹。主要針對(duì)V2G充放電站系統(tǒng)充放電交互報(bào)文，進(jìn)行應(yīng)用層設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充放電的可控化。充放電動(dòng)機(jī)與 BMS之間通信采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，充放電動(dòng)機(jī)和BMS定義為不可配置地址，即該地址固定在電子控制單元ECU的程序代碼中，無(wú)法變更。依據(jù) GB/T 27930中規(guī)定，充放電動(dòng)機(jī)分配地址為56H，BMS分配地址為 F4H。后臺(tái)管理系統(tǒng)與充放電動(dòng)機(jī)信息交互過(guò)程中，采用一對(duì)多CAN通信，并且為了區(qū)分不同充放電動(dòng)機(jī)，應(yīng)當(dāng)分配不同的地址。充放電信息交互過(guò)程中，應(yīng)用層采用參數(shù)和參數(shù)組定義的形式，各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)參數(shù)組編號(hào)來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。電動(dòng)汽車(chē)充電部分通信協(xié)議可以參考GB/T 27930，下面針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)放電提出充放電過(guò)程中放電部分的通信協(xié)議內(nèi)容。

如果選擇充放電模式，裝置根據(jù)用戶(hù)在智能車(chē)載終端上選擇的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池剩余電量上下限值，將車(chē)輛可充放電的實(shí)時(shí)容量、受控時(shí)間等信息提供給后臺(tái)管理系統(tǒng)，后臺(tái)管理系統(tǒng)下發(fā)充放電控制指令，智能充放電動(dòng)機(jī)根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前電池剩余電量進(jìn)行充放電操作，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

電動(dòng)汽車(chē)放電過(guò)程可以劃分為5個(gè)階段，即物理連接、握手階段、參數(shù)配置階段、放電階段和結(jié)束階段。車(chē)主可以結(jié)合自身需求在充放電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行放電模式選擇，如定時(shí)放電，收益最大放電等。同時(shí)需檢測(cè)車(chē)輛的車(chē)載控制器的軟件是否支持放電，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛兼容放電功能時(shí)，才允許將車(chē)載電池的電能回饋給電網(wǎng)。

1）物理連接。車(chē)輛接入電網(wǎng)前，用戶(hù)通過(guò)刷卡就地認(rèn)證或掃描二維碼遠(yuǎn)端認(rèn)證進(jìn)行身份校驗(yàn)。為確保車(chē)樁之間可靠連接，雙方需檢測(cè)連接確認(rèn)信號(hào)。然后，電子鎖上鎖，車(chē)輛處于不可行駛狀態(tài)，起動(dòng)放電過(guò)程。

2）握手階段。充放電動(dòng)機(jī)握手起動(dòng)并發(fā)送握手報(bào)文，先判斷放電兼容性和雙方使用通信協(xié)議版本兼容性，再進(jìn)行絕緣檢測(cè)。絕緣檢測(cè)通過(guò)則進(jìn)入握手辨識(shí)階段，雙方發(fā)送辨識(shí)報(bào)文，辨識(shí)成功進(jìn)入下一階段。

3）參數(shù)配置。車(chē)輛與BMS交互各自參數(shù)要求，充放電動(dòng)機(jī)向 BMS發(fā)送充放電動(dòng)機(jī)最大輸入能力報(bào)文，BMS向充放電動(dòng)機(jī)提供最大允許放電電流、放電終止電壓、允許放電時(shí)間段、最大允許放電電量等，BMS根據(jù)充放電動(dòng)機(jī)最大輸入能力判斷是否能夠進(jìn)行放電。當(dāng)雙方均滿(mǎn)足放電起動(dòng)條件時(shí)，進(jìn)行預(yù)充與放電參數(shù)初始化。

4）放電階段。電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)將電網(wǎng)實(shí)時(shí)功率需求指令以及電價(jià)信息通過(guò)后臺(tái)管理系統(tǒng)下發(fā)給參與V2G的充放電動(dòng)機(jī)。充放電動(dòng)機(jī)根據(jù)電網(wǎng)需求和車(chē)輛自身的限制條件（電池電量、溫度等），來(lái)調(diào)整電池放電電流以保證放電過(guò)程正常進(jìn)行。放電過(guò)程中，充放電動(dòng)機(jī)與車(chē)輛相互監(jiān)測(cè)對(duì)方狀態(tài)。電池狀態(tài)異?；蜻_(dá)到設(shè)定條件（放電時(shí)間、放電電量、放電金額等）以及收到充放電動(dòng)機(jī)中止放電報(bào)文時(shí)，BMS將結(jié)束放電；充放電動(dòng)機(jī)收到調(diào)度系統(tǒng)停止放電指令、出現(xiàn)異?；蜻_(dá)到人為設(shè)定的放電參數(shù)值以及收到BMS中止放電報(bào)文時(shí)，將結(jié)束放電。

5）放電結(jié)束階段。當(dāng)充放電動(dòng)機(jī)和BMS停止放電后，雙方進(jìn)行放電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)交互。BMS向充放電動(dòng)機(jī)發(fā)送電池放電數(shù)據(jù)，如初始SOC、終止SOC、電池電壓、電流、溫度等參數(shù)；充放電動(dòng)機(jī)向BMS發(fā)送整個(gè)放電過(guò)程中的放電電量、累計(jì)時(shí)間、放電收益等信息。

4 充放電站CAN通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

采用研華公司的CAN通信板卡PCIE-1680實(shí)現(xiàn)充放電CAN通信協(xié)議，使用兩臺(tái)PC分別模擬充放電動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)與電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，搭建的硬件平臺(tái)如圖3所示。軟件平臺(tái)采用基于C++的跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)庫(kù)Qt，在VS開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)了一套放電通信控制軟件，實(shí)現(xiàn)充放電各階段的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與時(shí)序控制。

圖3 充放電硬件平臺(tái)

基于充放電過(guò)程的不同階段，采用模塊化的友好型軟件布局，以使放電控制時(shí)序更為清晰明了。為方便用戶(hù)操作實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了可視化窗口，可以直接在窗口設(shè)置充放電參數(shù)，模擬充放電動(dòng)機(jī)與電池的各種工況。同時(shí)，對(duì)報(bào)文幀傳輸與解析的線(xiàn)程函數(shù)進(jìn)行封裝處理，便于后期調(diào)用與維護(hù)，程序文件框架如圖4所示。電動(dòng)汽車(chē)充放電通信由充放電動(dòng)機(jī)控制器與BMS報(bào)文交互完成。圖5為充放電動(dòng)機(jī)通信控制器軟件，可以讀入設(shè)置的充放電動(dòng)機(jī)參數(shù)，按照設(shè)計(jì)的放電通信協(xié)議，進(jìn)行充放電通信。

開(kāi)發(fā)的充放電通信控制軟件不僅可以完成CAN幀的信息交互，而且能夠監(jiān)測(cè)與解析報(bào)文幀信息，并且能實(shí)現(xiàn)正常放電過(guò)程與異常放電的通信模擬。運(yùn)行通信控制軟件，抓取充放電動(dòng)機(jī)在放電過(guò)程各階段接收和發(fā)送報(bào)文：握手起動(dòng)報(bào)文、配置報(bào)文、放電報(bào)文、放電結(jié)束報(bào)文、故障響應(yīng)報(bào)文，表1為其中具有代表性的報(bào)文。報(bào)文幀采用29位標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展幀格式，即幀ID以4字節(jié)裝載。幀數(shù)據(jù)場(chǎng)的內(nèi)容實(shí)時(shí)反映充放電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，并控制充放電電動(dòng)機(jī)按設(shè)定條件進(jìn)行放電和在故障狀態(tài)下中止放電。開(kāi)發(fā)的軟件移植入充放電控制器，可用于完成放電部分可視化的時(shí)序控制。

圖4 程序代碼框架

圖5 充放電控制通信軟件平臺(tái)

表1 放電通信報(bào)文

充放電過(guò)程各個(gè)階段，通過(guò)以上形式的數(shù)據(jù)幀報(bào)文交互，實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳輸與狀態(tài)監(jiān)測(cè)?？刂破魍ㄟ^(guò)通信協(xié)議監(jiān)測(cè)并控制充放電動(dòng)機(jī)和車(chē)輛接觸器狀態(tài)與開(kāi)閉，按照合理的時(shí)序完成充放電。

5 結(jié)論

隨著電動(dòng)汽車(chē)的大力推廣，V2G概念也將逐步受到關(guān)注。充放電過(guò)程中電動(dòng)汽車(chē)BMS與充放電動(dòng)機(jī)的數(shù)字通信是能量安全、可靠傳輸?shù)闹匾Ｕ?。本文在充電通信的基礎(chǔ)上，拓展了放電控制通信，為今后充電通信協(xié)議升級(jí)成充放電通信協(xié)議提供參考。依據(jù)放電通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的控制軟件，模擬電動(dòng)汽車(chē)在放電模式下正常與異常狀況的 CAN通信和控制時(shí)序，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與電網(wǎng)信息互動(dòng)，以期實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)充放電的可控化。同時(shí)開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)可以模擬充放電動(dòng)機(jī)的不同工況，用于V2G通信系統(tǒng)的測(cè)試。充放電站通信協(xié)議的研究，可應(yīng)用于智能電網(wǎng)的 V2G系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)響應(yīng)電網(wǎng)需求，為車(chē)主謀取利益，同時(shí)為電網(wǎng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供保障，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Kempton W, Tomi? J. Vehicle-to-grid power implementation: From stabilizing the grid to supporting large-scale renewable energy[J]. Journal of Power Sources, 2005, 144(1): 280-294.

[2] 肖湘寧, 陳征, 劉念. 可再生能源與電動(dòng)汽車(chē)充放電設(shè)施在微電網(wǎng)中的集成模式與關(guān)鍵問(wèn)題[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(2): 1-14.

[3] 吳詩(shī)宇, 史瑞祥. 非車(chē)載充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)通信協(xié)議監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 客車(chē)技術(shù)與研究,2015(4): 60-62.

[4] GB/T 20234.1—2015. 電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電用連接裝置 第1部分: 通用要求[S].

[5] GB/T 18487.1—2015. 電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分: 通用要求[S].

[6] GB/T 27930—2015. 電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議[S].

[7] 裴曉澤. 大功率鋰離子蓄電池充放電系統(tǒng)的研究[D].北京: 北京交通大學(xué), 2008.

[8] 王大為, 徐洋波, 臧云峰, 等. 具有諧波抑制功能的充放電機(jī)的研究[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(12): 45-47, 51.

[9] 鄧忠華, 陳秀峰. CAN總線(xiàn)在充放電機(jī)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2006, 25(10): 74-76, 83.

[10] 胥清華, 李強(qiáng). CAN總線(xiàn)發(fā)展與其他總線(xiàn)的比較[J].電氣技術(shù), 2011, 12(7): 46-49.

[11] 崔保艷, 許建中. 雙向充電樁的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電氣技術(shù), 2015, 16(10): 145-146.