一種電動(dòng)汽車(chē)充電協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 侗

（沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110159）

新能源汽車(chē)發(fā)展20多年以來(lái)，世界主要汽車(chē)強(qiáng)國(guó)將其提升至國(guó)家戰(zhàn)略，中國(guó)也將新能源汽車(chē)作為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，更主動(dòng)、系統(tǒng)地推動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在新能源汽車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略中，純電動(dòng)汽車(chē)（EV） 成為了主要突破口。

在電動(dòng)汽車(chē)充電標(biāo)準(zhǔn)方面，國(guó)際上有美國(guó)SAE標(biāo)準(zhǔn)體系的ISO 15118和歐洲充電標(biāo)準(zhǔn)體系的DIN 70121，其中ISO 15118標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 15118-1～I(xiàn)SO 15118-6幾個(gè)部分，分別定義了V2G充電網(wǎng)絡(luò)的基本信息、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑽锢?數(shù)據(jù)鏈路層功能、物理/數(shù)據(jù)鏈路層測(cè)試及無(wú)線充電幾部分功能，支持交、直流充電方式；DIN 70121標(biāo)準(zhǔn)僅支持直流充電方式。中國(guó)于2015年12月底發(fā)布了新修訂的《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)》相關(guān)的充電系列標(biāo)準(zhǔn)，包括通用要求、交流充電接口、直流充電接口、通信協(xié)議等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容［1-5］。

有別于前面介紹的國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)充電標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、易用的電動(dòng)汽車(chē)充電協(xié)議，本協(xié)議屬于應(yīng)用層協(xié)議的范疇，不局限于特定的傳輸技術(shù)，類(lèi)似于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中的MODBUS協(xié)議。后面在TI TMS570LS12xx硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)出面向EV充電的通信控制器，在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了充電協(xié)議的功能性，達(dá)到了預(yù)期目的［6-8］。

1 EV充電場(chǎng)景分析

在EV充電應(yīng)用場(chǎng)景中，EV和供電設(shè)備（充電樁，簡(jiǎn)稱(chēng)EVSE） 之間通過(guò)EVCC（EV Communication Controller，EV通信控制器） 進(jìn)行信息交互（圖1），實(shí)現(xiàn)EV充電過(guò)程中的授權(quán)管理、充電控制和充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)等操作，其中授權(quán)管理操作包括了充電付費(fèi)業(yè)務(wù)，這也是電動(dòng)汽車(chē)能否充電的先決條件。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)充電業(yè)務(wù)關(guān)系

EV與EVSE之間的通信鏈路可采用CAN、PLC（Power Line Communication） 等，EV中EVCC通過(guò)內(nèi)部CAN總線連接BMS（Battery Management System） 系統(tǒng)，獲取BMS充電的狀態(tài)信息，如SOC（剩余電量，State of Charge）。

圖2為電動(dòng)汽車(chē)充電的總體流程。EV充電過(guò)程分為4個(gè)階段：充電握手階段、充電參數(shù)配置階段、充電階段、充電結(jié)束階段。當(dāng)EV和EVSE物理連接完成且上電后，雙方進(jìn)入“握手”階段，EV會(huì)將自己的身份信息，即EVCC-ID，上傳給EVSE，進(jìn)行充電之前的“權(quán)限核準(zhǔn)”操作；“充電握手”階段完成后，EV和EVSE進(jìn)入“充電參數(shù)配置”階段，雙方就EVSE最大輸出能力等參數(shù)進(jìn)行協(xié)商，以判斷是否能夠充電；充電參數(shù)配置階段完成后，則進(jìn)入“充電”階段。在整個(gè)充電階段，EVSE實(shí)時(shí)輸出自身輸出電流限值，EV則根據(jù)整車(chē)情況（如環(huán)境溫度） 及此電流限值綜合調(diào)整充電功能，同時(shí)，EV定時(shí)向EVSE發(fā)送充電狀態(tài)供EVSE顯示及上傳服務(wù)器；當(dāng)EV充電完成（即SOC達(dá)到100%），或者用戶(hù)停止充電（如用戶(hù)拔槍或） 后，雙方進(jìn)入“充電結(jié)束”狀態(tài)，EVSE停止電流輸出，充電過(guò)程結(jié)束。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)充電流程

上述各個(gè)階段中，如果EVCC之間在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到對(duì)方報(bào)文或者沒(méi)有收到正確報(bào)文，即判定為超時(shí)（超時(shí)時(shí)間除特殊規(guī)定外，一般設(shè)為5s）；當(dāng)出現(xiàn)通信超時(shí)后，EVSE或者EV進(jìn)入錯(cuò)誤處理狀態(tài)，一般會(huì)立即停止，進(jìn)入“充電結(jié)束階段”，結(jié)束充電。

2 充電協(xié)議設(shè)計(jì)

本文在參考相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［6-7］的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體應(yīng)用需求，提出一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可低成本實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)汽車(chē)充電協(xié)議，簡(jiǎn)稱(chēng)EVCP，具體設(shè)計(jì)如下。

2.1 EVCP協(xié)議模型

結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)充電業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，EVCP協(xié)議模型定義如圖3所示。EVCP協(xié)議模型采用了OSI參考模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層這3層，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層可以支持多種通信技術(shù)，如PLC或CAN通信，在數(shù)據(jù)鏈路層中增加了一個(gè)邏輯鏈路控制子層（Logic Link Control Sublayer，簡(jiǎn)稱(chēng)LLC），主要負(fù)責(zé)通信鏈路的建立、斷開(kāi)和維護(hù)功能。

圖3 EVCP協(xié)議模型

EVCP協(xié)議中LLC子層負(fù)責(zé)通信過(guò)程中的可靠性管理。具體流程如下：LLC子層在接收到完整的遠(yuǎn)程報(bào)文并校驗(yàn)成功后，需要給遠(yuǎn)程LLC子層發(fā)送一個(gè)“接收確認(rèn)”報(bào)文，即L_Cnf，表示已經(jīng)收到遠(yuǎn)程報(bào)文，然后將接收到的遠(yuǎn)程報(bào)文上傳給APL層處理，如果接收到的遠(yuǎn)程報(bào)文不正確（例如校驗(yàn)錯(cuò)誤），則放棄不回復(fù)。

支持EVCP通信協(xié)議的EVCC之間通信示例流程如圖4所示，示例中左側(cè)EVCC-A為服務(wù)發(fā)起方。

圖4 EV與EVSE之間的通信示例流程

首先，EVCC-A APP 發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求報(bào)文（Req），EVCC-B LLC接收到EVCC-A請(qǐng)求報(bào)文（Ind） 后，先發(fā)送確認(rèn)報(bào)文L-Cnf給EVCC-A LLC，表示已收到Req報(bào)文，EVCCA LLC在接收到EVCC-B的L-Cnf報(bào)文后，通過(guò)A-Cnf服務(wù)通知自己上層APP請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送成功，如果EVCC-A LLC在約定時(shí)間內(nèi)未收到來(lái)自EVCC-B LLC的確認(rèn)報(bào)文，則通過(guò)ACnf服務(wù)通知上層APP報(bào)文發(fā)送失敗。

EVCC-B LLC把接收到的EVCC-A請(qǐng)求報(bào)文（Ind） 上傳到EVCC-B APP處理，EVCC-B APP處理完成后，把響應(yīng)報(bào)文（Rsp） 發(fā)送給EVCC-A，EVCC-A LLC在接收到Rsp報(bào)文（Cnf） 后，給EVCC-B LLC發(fā)送一個(gè)L-Cnf報(bào)文，表示已經(jīng)接收到Rsp報(bào)文，EVCC-B LLC接收到L-Cnf后，通過(guò)A-Cnf服務(wù)通知上層APP Rsp發(fā)送成功，如果EVCC-B LLC在一定時(shí)間內(nèi)未接收到L-Cnf報(bào)文，則認(rèn)為Rsp發(fā)送失敗，也通過(guò)A-Cnf服務(wù)通知上層APP。

EVCC-A在接收到Cnf報(bào)文后，處理響應(yīng)數(shù)據(jù)，至此完成一個(gè)完整的通信流程。需要注意的是，在EVCC之間通信過(guò)程中，需要通過(guò)L-Cnf報(bào)文來(lái)確認(rèn)報(bào)文發(fā)送成功與否，這也是一種保證通信可靠性的有效機(jī)制。

2.2 EVCP幀格式定義

EVCP協(xié)議幀格式定義如圖5所示。EVCP幀主要包括幀頭（6字節(jié)）、幀尾（2字節(jié)） 和協(xié)議數(shù)據(jù)3個(gè)部分，其中“服務(wù)數(shù)據(jù)”區(qū)域用于容納電動(dòng)汽車(chē)充電業(yè)務(wù)相關(guān)的服務(wù)數(shù)據(jù)。

圖5 EVCP幀格式

EVCP幀中“長(zhǎng)度LE”字段是“服務(wù)數(shù)據(jù)”區(qū)域的長(zhǎng)度，如圖5中灰色區(qū)域所示。EVCP幀中“校驗(yàn)字”為“幀頭”和“協(xié)議數(shù)據(jù)”兩部分內(nèi)容的“簡(jiǎn)單累加和”（忽略溢出）。LLC L-Cnf確認(rèn)幀中“長(zhǎng)度LE”值為0，即不包含服務(wù)數(shù)據(jù)內(nèi)容。EVCP幀序號(hào)取值范圍為0～255，循環(huán)計(jì)數(shù)，溢出后再?gòu)?開(kāi)始計(jì)數(shù)。EVCP協(xié)議的最小長(zhǎng)度為8（6+2=8）。

EVCP通信協(xié)議采用“大端模式”，即多字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，高位在前。EVCP幀格式中的“協(xié)議類(lèi)型”定義參見(jiàn)表1。

表1 “協(xié)議類(lèi)型” 定義

2.3 EVCP充電服務(wù)定義

EVCP協(xié)議定義了若干充電業(yè)務(wù)服務(wù)，該服務(wù)內(nèi)容在EVCP幀中“服務(wù)數(shù)據(jù)”中發(fā)送。具體服務(wù)定義如表2所示。

表2 EVCP充電服務(wù)定義

EVCP協(xié)議支持SessionSetup、PowerDeliverReq、ChargeStatus和SessionStop這4個(gè)充電服務(wù)，分別對(duì)應(yīng)充電握手、充電參數(shù)配置、充電和充電結(jié)束4個(gè)充電階段。

表3～表7給出了部分服務(wù)的定義，礙于篇幅所限，不做詳細(xì)說(shuō)明。

表3 SessionSetup請(qǐng)求服務(wù)

表4 SessionSetup響應(yīng)服務(wù)

表5 PowerDeliverReq請(qǐng)求服務(wù)

表6 ChargingStatusReq請(qǐng)求服務(wù)

表7 SessionStop請(qǐng)求服務(wù)

2.4 EVCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)

在前面研究成果的基礎(chǔ)上，我們開(kāi)發(fā)了支持EVCP協(xié)議的EVCC模塊。EVCC開(kāi)發(fā)采用的硬件平臺(tái)為T(mén)I TMS570LS12xx處理器。其物理層采用PLC通信技術(shù)，使用高通公司的QCA7xxx系列通信模塊，PLC通信速率可達(dá)到8Mb/s以上。PLC模塊與CPU之間通過(guò)串口交換信息。EVCC功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 EVCC功能示意圖

軟件平臺(tái)為CCS6，采用C語(yǔ)言編程，使用CCS6自帶的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS。

EVCC提供兩路串口，其中一路用于連接高通PLC模塊，另外一路連接以太網(wǎng)接口模塊或者GPRS接口模塊，用于連接云服務(wù)器，以便進(jìn)行用戶(hù)權(quán)限處理。EVCC還提供兩路CAN 接口，一路CAN 接口用于連接BMS ECU，以獲取BMS的充電狀態(tài)信息（如SOC值），另一路CAN接口也可用于設(shè)備診斷和固件升級(jí)。針對(duì)基于CAN總線的固件升級(jí)方案，我們也開(kāi)發(fā)了基于UDS（Unified Diagnostic Services） 的升級(jí)軟件。最終EVCC產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)某款電動(dòng)汽車(chē)上進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)了可行性方面的驗(yàn)證，證明EVCP充電協(xié)議在設(shè)計(jì)方面的完善性和功能性，達(dá)到了預(yù)期的目的。

3 結(jié)論

本文提出了一種適用于電動(dòng)汽車(chē)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的充電協(xié)議，適配多種傳輸技術(shù)。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用場(chǎng)景，充電協(xié)議在協(xié)議模型、報(bào)文結(jié)構(gòu)、服務(wù)及參數(shù)定義等方面給出了比較詳盡的定義。在EVCC通信過(guò)程中加入了報(bào)文發(fā)送確認(rèn)機(jī)制，保證了通信的可靠性，最后給出了一種基于TI單片機(jī)的軟硬件解決方案。

充電協(xié)議還未考慮充電設(shè)備（如充電樁） 與云服務(wù)器之間信息交互及通信安全保障方面的內(nèi)容，后續(xù)會(huì)考慮對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)充，擴(kuò)展充電協(xié)議的功能，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。