FlexRay總線在電池儲能系統中的應用

馬建業,黃 梅,王占國,劉 彪,盛大雙

(1.北京交通大學電氣工程學院,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中的應用

馬建業1,黃 梅1,王占國1,劉 彪1,盛大雙2

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

當前大規模儲能電池管理系統內部通信總線普遍采用CAN總線,使用FlexRay總線作為其內部總線替代傳統的CAN總線,能較好地滿足大規模電池儲能系統(BESS)內部通信的要求。分析CAN總線用于大規模儲能電池管理系統存在的不足以及FlexRay總線的優勢。在BESS通信架構的基礎上,介紹儲能電池管理系統的通信架構,討論FlexRay總線在大規模儲能電池管理系統中的應用及主要方案。運用Network Designer與CANoe.FlexRay仿真驗證FlexRay通信系統在大規模儲能電池管理系統中應用的可行性,結果表明,與CAN總線相比,FlexRay總線用于儲能電池管理系統中可以取得更好的效果。

FlexRay總線;CAN總線;電池儲能系統;儲能電池管理系統;FlexRay參數設計;通信仿真

1 概述

儲能技術作為風能、太陽能等可再生能源的大規模發展以及我國智能電網建設的核心技術之一,在可再生能源大規模并網、削峰填谷、調峰調頻、后備電源以及提高電能質量上發揮著重要的作用［1］。相比于抽水儲能等大容量儲能系統,電池儲能技術空間可移植性更好,而且由于鋰電池技術不斷成熟使大規模儲能電站建設成為可能,未來發展前景廣闊。

電池儲能系統(Battery Energy Storage System,BESS)內部通信規約各異,監控系統以及上層的電力調度中心一般采用符合IEC61850標準的光纖以太網通信,PCS根據不同的要求采用RS485、CAN、以太網通信,儲能電池管理系統當前通常采用CAN總線通信。然而隨著大規模電池儲能系統的應用,電池組模塊間信息采集點陡然增多,采集信息量大,通信節點及拓撲結構復雜,需要電池儲能系統能滿足在強電磁干擾環境下運行。此時儲能電池管理系統內部CAN總線通信系統所固有的缺陷逐步顯現,主要表現在通信速率低、總線吞吐率低、通信節點數量有限、拓撲結構簡單。FlexRay［2］是繼CAN和LIN總線之后的最新成果,相比與CAN總線FlexRay,具有有更靈活的數據通信方式,更快的數據傳輸速率,更全面的拓撲選擇,更完善的容錯機制。因此,FlexRay總線是大規模儲能電池管理系統內部理想的通信總線解決方案。

本文分析CAN總線用于大規模儲能電池管理系統存在的不足以及FlexRay總線的優勢,討論FlexRay總線在大規模儲能電池管理系統中應用的可行性及主要方案。

2 FlexRay總線

FlexRay是由FlexRay聯盟制定的新一代高速總線［3］,與傳統的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越的性能。主要表現如下［4］:

(1)通信帶寬:FlexRay帶寬不受協議機制的限制,單通道最快10 Mb/s,采用雙通道系統時可達2× 10 Mb/s的速率,遠高于CAN總線。

(2)時間確定性:FlexRay總線采用時分多路的數據傳輸方式,數據在通信周期中擁有固定位置,確保消息到達的時效性。

(3)分布式時鐘同步:FlexRay總線使用同步時基的訪問方法。

(4)容錯數據傳輸:FlexRay總線具有專用決定性故障容錯協議,支持多級別的容錯能力,確保數據傳輸的可靠性。

(5)靈活性:FlexRay總線支持總線型、星型、級聯星型、混合型等多種拓撲結構,支持時間觸發和事件觸發通信方式。

3 FlexRay在大規模電池儲能系統中的應用

3.1 電池儲能系統通信架構

當前電池儲能系統通信架構［5］如圖1所示,采用分層、分布設計,分為系統層和設備層兩層結構。包括監控系統通信網絡、儲能電池管理系統通信網絡、PCS及保護測控設備通信網絡。采用的通信規約包括Ethernet,FlexRay,CAN,RS485,各個通信規約比較如表1所示。

圖1 大規模電池儲能系統通信架構

表1 電池儲能系統通信總線比較

3.2 儲能電池管理系統FlexRay通信架構設計

儲能電池管理系統［6］內部采用FlexRay總線取代CAN總線。如圖2中每個儲能電池管理子系統采用主從板結構由一個電池管理主板(BMS)和若干個BMU以及一個單元內部數據信息顯示監控節點組成。本文設計一個儲能單元由192節單體電池串聯組成,每個BMU采集12節單體電池數據信息,因此共需要16個從板和1個主板以及1個顯示監控節點,共18個節點,本文采用總線形拓撲結構。每個從板采集12節單體電池的電壓、溫度、故障信息,并在靜態段中規定的時隙內發送給BMS和顯示屏節點。BMS將采集的BMU信息整合并采集電流信號,計算SOC、對地絕緣電阻值以及其他故障信息,并在靜態段中規定時隙發送到顯示屏節點同時還按規定要求發送給上層監控系統。此外BMS根據從板采集的數據發送相應的控制信息,根據不同的BMU節點在動態段相應的時隙內由BMS節點發送到相應的BMU節點,如圖2所示。

圖2 儲能電池管理系統FlexRay通信系統設計

4 FlexRay通信仿真模型的搭建

4.1 FlexRay網絡仿真數據庫

FlexRay網絡仿真模型的搭建主要采用Vector Informatik公司開發的Network Designer與CANoe.FlexRay［7］。Network Designer主要是用于建立FlexRay網絡仿真的數據庫,CANoe.FlexRay主要是搭建仿真模型并進行仿真分析。

對FlexRay通信系統設計首先要對通信系統參數設計,總共有約70個參數需要在網絡啟動前配置好,包括全局參數和節點參數。本文仿真實驗主要全局參數設定如下: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定為A&B;靜態段長度:6 885 μs;動態時隙長度:2 400 μs。部分參數的設置如表2所示。

幀EVfp_tomb_n(n為整數,n取值范圍為1～16)按照從低到高的順序安排在靜態時隙2～時隙17發送,發送節點:相應的從板節點;接收節點:主板節點和顯示監控節點。靜態段數據幀的幀ID為相應的靜態時隙號。主板向從板發送命令的數據幀Evmb_CMD_n(n為整數,n取值范圍為1～16)只在需要發送的時候才發送,符合事件驅動的特點,因此安排在動態段發送。為保證每一個控制幀都有足夠的時間發送,發送的時間設定為2個微時隙,動態段發送時隙分配見圖3。從圖中可以看出數據幀發送完成是在第50個微時隙,該值小于參數pLatestTX的值58,從而保證所有的控制幀都能在當前周期發送完成而不會延遲到下一個周期發送。各個節點時隙、數據幀的具體分配如圖3所示。

在完成系統參數設置、時隙任務分配、添加信號和數據幀生成等相關工作以后,由Network Designer構建的仿真數據庫模型如圖4所示。

表2 FlexRay部分全局和節點參數值

圖3 動態段時隙分配

圖4 仿真數據庫模型

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機上,然后在CANoe.FlexrRay中simulation setup窗口中導入由Network Designer創建的數據庫FIBEX文件并添加仿真節點(主板節點BCU從板節點、BMU_n(n取值1～16)、顯示監控節點Monitor),選擇real bus全仿真方式,下一步導入需要仿真的信號,搭建好的仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型

5 FlexRay通信仿真結果與分析

5.1 FlexRay通信仿真結果

運行仿真模型通過CANoe.FlexRay的Trace, Frame Histogram,Statistics,data,Graphics窗口觀察仿真結果。從圖6 Trace窗口可以看出,每一個數據幀都采用雙通道發送,保證數據傳輸的可靠性,每個相鄰的靜態時隙間隔81 μs,即靜態時隙為81 μs,每個相鄰的動態時隙間隔120 μs,對照圖3所示動態段分配時隙圖可知相鄰2個動態幀的發送間隔為3個microticks即120 μs,與參數設置一致。每個靜態幀負載段長度為50個字節,動態幀負載段最大長度為32個字節。

Frame Histogram窗口中顯示了靜態幀和動態幀的時隙占用情況,以及靜態段和動態段數據幀發送的頻率,本次仿真的循環周期設定為10 ms,每個數據幀在一個周期內發送一次,因此在1 s內每個通道上的發送時隙可以發送100個數據幀,從圖7Frame Histogram窗口中可以看出,每個發送時隙數據的發送頻率為100幀/s,與理論計算結果一致。Frame Histogram窗口如圖7所示。

圖6 Trace窗口仿真結果

圖7 Frame Histogram仿真窗口

5.2 仿真結果分析

5.2.1 FlexRay網絡延遲性分析

生成延遲Ts為發送節點處理器接收到本節點的請求,到它將準備好的數據寫入緩存隊列里所花費的時間。

傳輸延遲Tc為FlexRay數據幀的傳輸時間,定義公式為:

其中,Frame_Size為數據幀的大小;Bit_Rate為FlexRay總線的通信速率。

隊列延遲Tw是由靜態幀傳輸和較高優先級的動態幀所引起的網絡延遲,包括單通信周期的隨機隊列延遲和多通信周期隊列延遲。

接收延遲Tr為數據幀離開總線到數據發送到接收節點微處理器所花費的時間。

FlexRay網絡通信延遲時間 Td的計算公式如下:

生成延遲Ts和接收延遲Tr與各個節點的處理速度直接相關,與FlexRay通信網絡本身的特性并無多大關系,并且它們的時間很小,在分析時可以忽略它們的影響。于是可以將網絡延遲時間公式簡化為:

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

其中:

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

(1)和當前幀ID相同,但優先級高的數據幀。

(2)任何比當前幀ID小的動態數據幀。

令:

其中,Tw1為第1個因素造成的影響;Tw2為第2個因素造成的影響。

Tw1和Tw2的計算公式分別如下:

結合本次仿真方案,設計每個動態幀具有唯一的幀ID,不存在具有相同幀ID而優先級不同的多個動態幀,因此Tw1=0。根據動態段通信調度表的設計,每個動態幀都能在動態段pLatestTx時刻(即可進行數據傳輸的最后一個時隙)前發送完成,并結合仿真結果可知沒有產生因較小幀ID造成其他動態幀發送延遲的現象,因此 Tw2=0。所以隊列延遲Tw=0。

網絡延遲Td=59.4 μs+41.8 μs+0=101.2 μs,可以看出本次仿真方案的網絡延遲已經相當低,完全滿足儲能電池管理系統的實時性要求。

5.2.2 FlexRay網絡總線負載率分析

FlexRay總線負載率就是靜態幀和動態幀占用總線的情況,在分析FlexRay總線負載率時,假設沒有出現數據幀傳輸失敗的情況,所有數據幀能在最壞情況下的響應時間內傳輸完成。計算總線負載率的公式［12］如下:

其中,gdStaticSlot為靜態時隙的大小;gdMinislot為Minislot的持續時間。

假設共有n個數據幀,其中有m個靜態幀,nm個動態幀。Tc為FlexRay總線周期,fi是第i個靜態幀的傳輸頻率,Ti是第i個靜態幀的傳輸周期也等于Tc,fj是第j個動態幀的傳輸頻率,Tj是第j個動態幀的傳輸周期也等于Tc。kj表示每個動態幀占用動態微時隙的數量。根據論文仿真方案,由于靜態幀和動態幀在每個周期時間內都會發送一次,因此:

可以看出,FlexRay總線負載率維持在較低的水平,通信系統能正常運行。

6 結束語

FlexRay總線作為即CAN總線之后的下一代通信總線,在實時性、可靠性、大數據量傳輸、通信帶寬等方面較CAN總線都有大幅度提高。在大規模電池儲能系統中應用FlexRay總線可以有效解決CAN總線傳輸數據量小、帶寬低等問題,并能進一步提高可靠性。通過CANoe.FlexRay搭建的仿真模型及仿真實驗結果表明,通信周期的分配、通信調度的設計都完全滿足儲能電池管理系統的要求,同時也體現出FlexRay總線的優勢,達到設計要求。

［1］ 張文亮,丘 明,來小康.儲能技術在電力系統中的應用［J］.電網技術,2008,32(7):1-9.

［2］ FlexRay Consortium.FlexRay Communications System Protocol Specification［EB/OL］.［2013-03-21］.http:// www.flexray.com.

［3］ 王 婧,張 欣.汽車網絡通信協議TTP/C和FlexRay的研究分析［J］.北京汽車,2006,10(6):40-43.

［4］ 莊江麗.FlexRay總線的組網及其在混合動力客車上的應用［D］.北京:北京交通大學,2012.

［5］ 孫丙香,姜久春,時 瑋,等.鈉硫電池儲能應用現狀研究［J］.現代電力,2010,27(6):62-65.

［6］ 王中昂.鈉硫儲能電池管理系統研究［D］.武漢:武漢理工大學,2012.

［7］ 吳寶新,郭永紅,曹 毅,等.汽車FlexRay總線系統開發實戰［M］.北京:電子工業出版社,2012.

［8］ Ding S,Murakami N,Tomiyama H,et al.A GA——Based ScheduIing Method for FlexRay System［C］// Proceedings of EMSOFT'05.Jersey City,USA:IEEE Press,2005:259-267.

［9］ Pop T,Pop P,Eles P,et al.Time Analysis of the FlexRay Communication Protocol［C］//Proceedings of the 18th EuroMicro Conference on Real-time Systems.Washington D.C.,USA:IEEE Computer Society,2006: 321-329.

［10］ Andrei H,Bordoloi U,Chakraborty S,et al.Performance Analysis ofFlexRay-based ECU Networks［C］// Proceedings of Design Automation Conference.New York,USA:IEEE Press,2007:445-453.

［11］ 李 佳,田光宇,鈕 翔,等.FlexRay網絡通信延遲時間分析［J］.清華大學學報:自然科學版,2007,47(8): 1343-1346.

［12］ 張 利,張本宏,王躍飛,等.基于總線占有率的FlexRay消息時隙分配方法研究［J］.中國機械工程, 2012,23(6):699-702.

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目(NY20110705-1)。

馬建業(1987-),男,碩士研究生,主研方向:FlexRay網絡仿真,新能源及新型發電技術;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,黃 梅,王占國,等.FlexRay總線在電池儲能系統中的應用［J］.計算機工程,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.