V2G蓄電池充電機充放電站系統CAN總線通信協議的定制及實施方案
2018-6-21 9:58:22??????點擊：
電動汽車可以通過V2G充放電系統進行充放電。充放電過程中，汽車與蓄電池充電機充放電站系統需要通信協議進行實時數據交互。以CAN（controller area network）2.0B為標準，對CAN總線應用層進行開發，制定出符合我國國情的V2G充放電通信協議。通過實驗測試，提出的通信協議能夠保證電動汽車充放電過程中信息可靠交互。
隨著智能電網與新能源的發展，電動汽車由于對環境的零排放日益受到政府與消費者的青睞。電動汽車接入電網V2G[1]，不僅可通過充電給車載電池能量補給，還可以作為儲能單元通過放電將電池多余的能量回饋給電網，尤其是充放電設施與可再生能源有機集成后在微網中的應用更為突出[2]。
電動汽車充放電設施根據安裝位置可分為車載式與非車載式。車載充放電機固定在汽車上，用于小功率慢速充放電。非車載充放電機安裝在電動汽車外，能夠快速直流大功率充放電。為了保證電動汽車充放電過程的安全、高效，V2G蓄電池充電機充放電站系統各部分之間需要進行信息交互，即需要通信協議[3]。
目前，針對電動汽車充電，國家已發行相關標準，而車輛向電網饋能尚未出臺標準。課題基于我國現行的充電標準GB/T 20234-1[4]、GB/T 27930[5]、GB/T18487[6]，利用CAN總線設計適用于V2G蓄電池充電機充放電站系統放電通信協議，作為后期放電標準制定的前瞻性研究，以期實現車聯網能量安全、有序的雙向流動。
1 蓄電池充電機充放電站工作原理
1.1 蓄電池充電機充放電站結構
電網、充放電動機、電動汽車三者構成V2G充放電系統，如圖1所示。充放電動機通過控制系統驅動AC/DC變換電路與雙向DC/DC變換電路完成電動汽車與電網之間能量的傳輸[7]。設置兩級變換電路的目的為實現電壓寬范圍輸出，滿足不同電壓范圍的電池的工況[8]。
充放電動機通過通信監控管理控制單元根據電網調度系統發布的控制信號（電網允許充放電容量、充放電功率、切負荷量、分時電價等）和電池管理系統BMS（batterymanagement system）發出的信號（電池組最低電池荷電量SOC（state ofcharge）、可用時間、充放電電流限制、允許電壓、電池溫度等）經過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的需求指令與后臺管理系統的控制指令，通過控制雙向變換電路開關器件的通斷，動態調整充放電動機的輸出或輸入電壓、電流，實現電動汽車與電網之間能量的最優傳輸。
圖1 充放電系統結構圖
1.2 蓄電池充電機充放電站工作模式
電動汽車充電電能來自公共電網，而電動汽車放電可將電能供給公共電網、住宅用戶電網、樓宇等不同對象。根據《電動汽車用充放電式電動機控制器技術條件》，車載儲能裝置可通過控制器向電網、負載、其他車載儲能裝置提供電能，可以工作在V2G（車對電網）、V2H（車對家庭住宅）、V2B（車對樓宇）、V2V（車對車）和V2L（車對負載）等模式，可以定義V2X。
基于車輛用戶多樣化需求與成本優化，非車載充放電裝置應具有充電模式和充放電模式兩種運行方式。充電模式下，車輛提充電需求，充放電裝置按指示完成充電任務。充放電模式下，充放電裝置依據上級電網調度需求和電池狀態，進行充放電轉換和相應參數調整，改變能量傳輸方向，實現調峰、調頻等任務。在接受電網調度命令或并離網切換時，電動汽車的響應速度可以達到毫秒級別。用戶可以根據自身的偏好選擇相應的模式。
2 V2G蓄電池充電機充放電站通信模式
V2G蓄電池充電機充放電站系統主要關鍵設備有能量管理系統、后臺管理系統、電池管理系統。充放電動機需與電池管理系統通信獲取電池實時參數，還應具備與后臺監控管理系統通信獲取電網運行參數。V2G蓄電池充電機充放電站各通信單元之間采用CAN總線實現信息交互。
2.1 CAN總線特點
CAN-bus（controller area network）即控制器局域網，是一種具有廣泛應用的現場總線。CAN-bus是一種多主方式[9]的串行通信總線，位速率高，抗干擾能力好，檢錯能力強，具有出錯后自動重發功能。CAN總線最高數據傳輸速率可達1Mbps，直接通信距離可達10km[10]。CAN總線由于具有這些優勢，廣泛應用在工業控制中。
2.2 蓄電池充電機充放電站的CAN通信
電動汽車蓄電池充電機充放電站通信網絡應滿足電動汽車電池管理系統、電動汽車充放電動機、蓄電池充電機充放電站后臺管理系統三者之間的信息交互要求。蓄電池充電機充放電站各部分全部采用CAN技術進行組網時，充放電動機與蓄電池管理系統之間CAN網絡，記為CAN1；充放電動機與后臺管理系統之間采用獨立的CAN網絡，記為CAN2。
后臺管理系統功能目標是實現電能質量監控和充放電動機各項數據及狀態監控[11]，并可依據電池需求和電網狀況給充放電動機下達充放電指令。充放電動機與BMS之間的CAN通信網絡采用點對點通信。后臺管理系統與充放電動機之間的CAN通信網絡采用主從控制，后臺管理系統為主節點，充放電動機為從節點，如圖2所示。
圖2 蓄電池充電機充放電站CAN通信組網
3 蓄電池充電機充放電站CAN通信協議制定
CAN2.0規范已定義了OSI模型的數據鏈路層、物理層，因此不作深入介紹。主要針對V2G蓄電池充電機充放電站系統充放電交互報文，進行應用層設計，以期實現電動汽車充放電的可控化。充放電動機與BMS之間通信采用點對點通信，充放電動機和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，無法變更。
依據GB/T 27930中規定，充放電動機分配地址為56H，BMS分配地址為F4H。后臺管理系統與充放電動機信息交互過程中，采用一對多CAN通信，并且為了區分不同充放電動機，應當分配不同的地址。充放電信息交互過程中，應用層采用參數和參數組定義的形式，各個節點根據參數組編號來識別數據包的內容。電動汽車充電部分通信協議可以參考GB/T 27930，下面針對電動汽車放電提出充放電過程中放電部分的通信協議內容。
如果選擇充放電模式，裝置根據用戶在智能車載終端上選擇的電動汽車動力電池剩余電量上下限值，將車輛可充放電的實時容量、受控時間等信息提供給后臺管理系統，后臺管理系統下發充放電控制指令，智能充放電動機根據車輛當前電池剩余電量進行充放電操作，實現能量的雙向流動。
電動汽車放電過程可以劃分為5個階段，即物理連接、握手階段、參數配置階段、放電階段和結束階段。車主可以結合自身需求在充放電動機上進行放電模式選擇，如定時放電，收益最大放電等。同時需檢測車輛的車載控制器的軟件是否支持放電，當檢測到車輛兼容放電功能時，才允許將車載電池的電能回饋給電網。
1）物理連接。車輛接入電網前，用戶通過刷卡就地認證或掃描二維碼遠端認證進行身份校驗。為確保車樁之間可靠連接，雙方需檢測連接確認信號。然后，電子鎖上鎖，車輛處于不可行駛狀態，起動放電過程。
2）握手階段。充放電動機握手起動并發送握手報文，先判斷放電兼容性和雙方使用通信協議版本兼容性，再進行絕緣檢測。絕緣檢測通過則進入握手辨識階段，雙方發送辨識報文，辨識成功進入下一階段。
3）參數配置。車輛與BMS交互各自參數要求，充放電動機向BMS發送充放電動機最大輸入能力報文，BMS向充放電動機提供最大允許放電電流、放電終止電壓、允許放電時間段、最大允許放電電量等，BMS根據充放電動機最大輸入能力判斷是否能夠進行放電。當雙方均滿足放電起動條件時，進行預充與放電參數初始化。
4）放電階段。電網調度系統將電網實時功率需求指令以及電價信息通過后臺管理系統下發給參與V2G的充放電動機。充放電動機根據電網需求和車輛自身的限制條件（電池電量、溫度等），來調整電池放電電流以保證放電過程正常進行。放電過程中，充放電動機與車輛相互監測對方狀態。電池狀態異?；蜻_到設定條件（放電時間、放電電量、放電金額等）以及收到充放電動機中止放電報文時，BMS將結束放電；充放電動機收到調度系統停止放電指令、出現異?；蜻_到人為設定的放電參數值以及收到BMS中止放電報文時，將結束放電。
5）放電結束階段。當充放電動機和BMS停止放電后，雙方進行放電統計數據交互。BMS向充放電動機發送電池放電數據，如初始SOC、終止SOC、電池電壓、電流、溫度等參數；充放電動機向BMS發送整個放電過程中的放電電量、累計時間、放電收益等信息。
4 蓄電池充電機充放電站CAN通信協議實現
采用研華公司的CAN通信板卡PCIE-1680實現充放電CAN通信協議，使用兩臺PC分別模擬充放電動機節點與電池管理系統節點，搭建的硬件平臺如圖3所示。軟件平臺采用基于C++的跨平臺開發庫Qt，在VS開發環境下開發了一套放電通信控制軟件，實現充放電各階段的狀態監測與時序控制。
圖3 充放電硬件平臺
基于充放電過程的不同階段，采用模塊化的友好型軟件布局，以使放電控制時序更為清晰明了。為方便用戶操作實現，設計了可視化窗口，可以直接在窗口設置充放電參數，模擬充放電動機與電池的各種工況。同時，對報文幀傳輸與解析的線程函數進行封裝處理，便于后期調用與維護，程序文件框架如圖4所示。
電動汽車充放電通信由充放電動機控制器與BMS報文交互完成。圖5為充放電動機通信控制器軟件，可以讀入設置的充放電動機參數，按照設計的放電通信協議，進行充放電通信。
開發的充放電通信控制軟件不僅可以完成CAN幀的信息交互，而且能夠監測與解析報文幀信息，并且能實現正常放電過程與異常放電的通信模擬。運行通信控制軟件，抓取充放電動機在放電過程各階段接收和發送報文：握手起動報文、配置報文、放電報文、放電結束報文、故障響應報文，表1為其中具有代表性的報文。
報文幀采用29位標識符擴展幀格式，即幀ID以4字節裝載。幀數據場的內容實時反映充放電動機的狀態，并控制充放電電動機按設定條件進行放電和在故障狀態下中止放電。開發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序控制。
圖4 程序代碼框架
圖5 充放電控制通信軟件平臺
表1 放電通信報文
充放電過程各個階段，通過以上形式的數據幀報文交互，實現參數傳輸與狀態監測。控制器通過通信協議監測并控制充放電動機和車輛接觸器狀態與開閉，按照合理的時序完成充放電。
5 結論
隨著電動汽車的大力推廣，V2G概念也將逐步受到關注。充放電過程中電動汽車BMS與充放電動機的數字通信是能量安全、可靠傳輸的重要保障。本文在充電通信的基礎上，拓展了放電控制通信，為今后充電通信協議升級成充放電通信協議提供參考。
依據放電通信協議，開發相應的控制軟件，模擬電動汽車在放電模式下正常與異常狀況的CAN通信和控制時序，實現車輛與電網信息互動，以期實現電動汽車充放電的可控化。同時開發的軟件系統可以模擬充放電動機的不同工況，用于V2G通信系統的測試。
蓄電池充電機充放電站通信協議的研究，可應用于智能電網的V2G系統，實現電動汽車響應電網需求，為車主謀取利益，同時為電網的穩定、可靠運行提供保障，具有一定的工程應用價值。
隨著智能電網與新能源的發展，電動汽車由于對環境的零排放日益受到政府與消費者的青睞。電動汽車接入電網V2G[1]，不僅可通過充電給車載電池能量補給，還可以作為儲能單元通過放電將電池多余的能量回饋給電網，尤其是充放電設施與可再生能源有機集成后在微網中的應用更為突出[2]。
電動汽車充放電設施根據安裝位置可分為車載式與非車載式。車載充放電機固定在汽車上，用于小功率慢速充放電。非車載充放電機安裝在電動汽車外，能夠快速直流大功率充放電。為了保證電動汽車充放電過程的安全、高效，V2G蓄電池充電機充放電站系統各部分之間需要進行信息交互，即需要通信協議[3]。
目前，針對電動汽車充電，國家已發行相關標準，而車輛向電網饋能尚未出臺標準。課題基于我國現行的充電標準GB/T 20234-1[4]、GB/T 27930[5]、GB/T18487[6]，利用CAN總線設計適用于V2G蓄電池充電機充放電站系統放電通信協議，作為后期放電標準制定的前瞻性研究，以期實現車聯網能量安全、有序的雙向流動。
1 蓄電池充電機充放電站工作原理
1.1 蓄電池充電機充放電站結構
電網、充放電動機、電動汽車三者構成V2G充放電系統，如圖1所示。充放電動機通過控制系統驅動AC/DC變換電路與雙向DC/DC變換電路完成電動汽車與電網之間能量的傳輸[7]。設置兩級變換電路的目的為實現電壓寬范圍輸出，滿足不同電壓范圍的電池的工況[8]。
充放電動機通過通信監控管理控制單元根據電網調度系統發布的控制信號（電網允許充放電容量、充放電功率、切負荷量、分時電價等）和電池管理系統BMS（batterymanagement system）發出的信號（電池組最低電池荷電量SOC（state ofcharge）、可用時間、充放電電流限制、允許電壓、電池溫度等）經過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的需求指令與后臺管理系統的控制指令，通過控制雙向變換電路開關器件的通斷，動態調整充放電動機的輸出或輸入電壓、電流，實現電動汽車與電網之間能量的最優傳輸。
圖1 充放電系統結構圖
1.2 蓄電池充電機充放電站工作模式
電動汽車充電電能來自公共電網，而電動汽車放電可將電能供給公共電網、住宅用戶電網、樓宇等不同對象。根據《電動汽車用充放電式電動機控制器技術條件》，車載儲能裝置可通過控制器向電網、負載、其他車載儲能裝置提供電能，可以工作在V2G（車對電網）、V2H（車對家庭住宅）、V2B（車對樓宇）、V2V（車對車）和V2L（車對負載）等模式，可以定義V2X。
基于車輛用戶多樣化需求與成本優化，非車載充放電裝置應具有充電模式和充放電模式兩種運行方式。充電模式下，車輛提充電需求，充放電裝置按指示完成充電任務。充放電模式下，充放電裝置依據上級電網調度需求和電池狀態，進行充放電轉換和相應參數調整，改變能量傳輸方向，實現調峰、調頻等任務。在接受電網調度命令或并離網切換時，電動汽車的響應速度可以達到毫秒級別。用戶可以根據自身的偏好選擇相應的模式。
2 V2G蓄電池充電機充放電站通信模式
V2G蓄電池充電機充放電站系統主要關鍵設備有能量管理系統、后臺管理系統、電池管理系統。充放電動機需與電池管理系統通信獲取電池實時參數，還應具備與后臺監控管理系統通信獲取電網運行參數。V2G蓄電池充電機充放電站各通信單元之間采用CAN總線實現信息交互。
2.1 CAN總線特點
CAN-bus（controller area network）即控制器局域網，是一種具有廣泛應用的現場總線。CAN-bus是一種多主方式[9]的串行通信總線，位速率高，抗干擾能力好，檢錯能力強，具有出錯后自動重發功能。CAN總線最高數據傳輸速率可達1Mbps，直接通信距離可達10km[10]。CAN總線由于具有這些優勢，廣泛應用在工業控制中。
2.2 蓄電池充電機充放電站的CAN通信
電動汽車蓄電池充電機充放電站通信網絡應滿足電動汽車電池管理系統、電動汽車充放電動機、蓄電池充電機充放電站后臺管理系統三者之間的信息交互要求。蓄電池充電機充放電站各部分全部采用CAN技術進行組網時，充放電動機與蓄電池管理系統之間CAN網絡，記為CAN1；充放電動機與后臺管理系統之間采用獨立的CAN網絡，記為CAN2。
后臺管理系統功能目標是實現電能質量監控和充放電動機各項數據及狀態監控[11]，并可依據電池需求和電網狀況給充放電動機下達充放電指令。充放電動機與BMS之間的CAN通信網絡采用點對點通信。后臺管理系統與充放電動機之間的CAN通信網絡采用主從控制，后臺管理系統為主節點，充放電動機為從節點，如圖2所示。
圖2 蓄電池充電機充放電站CAN通信組網
3 蓄電池充電機充放電站CAN通信協議制定
CAN2.0規范已定義了OSI模型的數據鏈路層、物理層，因此不作深入介紹。主要針對V2G蓄電池充電機充放電站系統充放電交互報文，進行應用層設計，以期實現電動汽車充放電的可控化。充放電動機與BMS之間通信采用點對點通信，充放電動機和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，無法變更。
依據GB/T 27930中規定，充放電動機分配地址為56H，BMS分配地址為F4H。后臺管理系統與充放電動機信息交互過程中，采用一對多CAN通信，并且為了區分不同充放電動機，應當分配不同的地址。充放電信息交互過程中，應用層采用參數和參數組定義的形式，各個節點根據參數組編號來識別數據包的內容。電動汽車充電部分通信協議可以參考GB/T 27930，下面針對電動汽車放電提出充放電過程中放電部分的通信協議內容。
如果選擇充放電模式，裝置根據用戶在智能車載終端上選擇的電動汽車動力電池剩余電量上下限值，將車輛可充放電的實時容量、受控時間等信息提供給后臺管理系統，后臺管理系統下發充放電控制指令，智能充放電動機根據車輛當前電池剩余電量進行充放電操作，實現能量的雙向流動。
電動汽車放電過程可以劃分為5個階段，即物理連接、握手階段、參數配置階段、放電階段和結束階段。車主可以結合自身需求在充放電動機上進行放電模式選擇，如定時放電，收益最大放電等。同時需檢測車輛的車載控制器的軟件是否支持放電，當檢測到車輛兼容放電功能時，才允許將車載電池的電能回饋給電網。
1）物理連接。車輛接入電網前，用戶通過刷卡就地認證或掃描二維碼遠端認證進行身份校驗。為確保車樁之間可靠連接，雙方需檢測連接確認信號。然后，電子鎖上鎖，車輛處于不可行駛狀態，起動放電過程。
2）握手階段。充放電動機握手起動并發送握手報文，先判斷放電兼容性和雙方使用通信協議版本兼容性，再進行絕緣檢測。絕緣檢測通過則進入握手辨識階段，雙方發送辨識報文，辨識成功進入下一階段。
3）參數配置。車輛與BMS交互各自參數要求，充放電動機向BMS發送充放電動機最大輸入能力報文，BMS向充放電動機提供最大允許放電電流、放電終止電壓、允許放電時間段、最大允許放電電量等，BMS根據充放電動機最大輸入能力判斷是否能夠進行放電。當雙方均滿足放電起動條件時，進行預充與放電參數初始化。
4）放電階段。電網調度系統將電網實時功率需求指令以及電價信息通過后臺管理系統下發給參與V2G的充放電動機。充放電動機根據電網需求和車輛自身的限制條件（電池電量、溫度等），來調整電池放電電流以保證放電過程正常進行。放電過程中，充放電動機與車輛相互監測對方狀態。電池狀態異?；蜻_到設定條件（放電時間、放電電量、放電金額等）以及收到充放電動機中止放電報文時，BMS將結束放電；充放電動機收到調度系統停止放電指令、出現異?；蜻_到人為設定的放電參數值以及收到BMS中止放電報文時，將結束放電。
5）放電結束階段。當充放電動機和BMS停止放電后，雙方進行放電統計數據交互。BMS向充放電動機發送電池放電數據，如初始SOC、終止SOC、電池電壓、電流、溫度等參數；充放電動機向BMS發送整個放電過程中的放電電量、累計時間、放電收益等信息。
4 蓄電池充電機充放電站CAN通信協議實現
采用研華公司的CAN通信板卡PCIE-1680實現充放電CAN通信協議，使用兩臺PC分別模擬充放電動機節點與電池管理系統節點，搭建的硬件平臺如圖3所示。軟件平臺采用基于C++的跨平臺開發庫Qt，在VS開發環境下開發了一套放電通信控制軟件，實現充放電各階段的狀態監測與時序控制。
圖3 充放電硬件平臺
基于充放電過程的不同階段，采用模塊化的友好型軟件布局，以使放電控制時序更為清晰明了。為方便用戶操作實現，設計了可視化窗口，可以直接在窗口設置充放電參數，模擬充放電動機與電池的各種工況。同時，對報文幀傳輸與解析的線程函數進行封裝處理，便于后期調用與維護，程序文件框架如圖4所示。
電動汽車充放電通信由充放電動機控制器與BMS報文交互完成。圖5為充放電動機通信控制器軟件，可以讀入設置的充放電動機參數，按照設計的放電通信協議，進行充放電通信。
開發的充放電通信控制軟件不僅可以完成CAN幀的信息交互，而且能夠監測與解析報文幀信息，并且能實現正常放電過程與異常放電的通信模擬。運行通信控制軟件，抓取充放電動機在放電過程各階段接收和發送報文：握手起動報文、配置報文、放電報文、放電結束報文、故障響應報文，表1為其中具有代表性的報文。
報文幀采用29位標識符擴展幀格式，即幀ID以4字節裝載。幀數據場的內容實時反映充放電動機的狀態，并控制充放電電動機按設定條件進行放電和在故障狀態下中止放電。開發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序控制。
圖4 程序代碼框架
圖5 充放電控制通信軟件平臺
表1 放電通信報文
充放電過程各個階段，通過以上形式的數據幀報文交互，實現參數傳輸與狀態監測。控制器通過通信協議監測并控制充放電動機和車輛接觸器狀態與開閉，按照合理的時序完成充放電。
5 結論
隨著電動汽車的大力推廣，V2G概念也將逐步受到關注。充放電過程中電動汽車BMS與充放電動機的數字通信是能量安全、可靠傳輸的重要保障。本文在充電通信的基礎上，拓展了放電控制通信，為今后充電通信協議升級成充放電通信協議提供參考。
依據放電通信協議，開發相應的控制軟件，模擬電動汽車在放電模式下正常與異常狀況的CAN通信和控制時序，實現車輛與電網信息互動，以期實現電動汽車充放電的可控化。同時開發的軟件系統可以模擬充放電動機的不同工況，用于V2G通信系統的測試。
蓄電池充電機充放電站通信協議的研究，可應用于智能電網的V2G系統，實現電動汽車響應電網需求，為車主謀取利益，同時為電網的穩定、可靠運行提供保障，具有一定的工程應用價值。
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