通訊技術在電動汽車充電站中的應用設計

孫君光 張興旺 賴前程

（中國電器科學研究院有限公司）

0 前言

電動汽車充電站是電動汽車大規模商業化后不可缺少的能源服務基礎設施[1]。建設大量的充電站是推動電動汽車發展的重要條件之一。為實現充電站運行和管理的智能化，滿足智能電網對充電站的要求，通訊技術在電動汽車充電站的設計中得到廣泛應用。先進、合理的通訊網絡、方式、協議的設計能與電動汽車充電站實現現代化、智能化的充電功能相匹配，同時對方便使用和提高充電站的運營效率和智能化管理水平具有重要意義。

1 充電站監控系統整體設計

充電站監控系統的網絡結構分為3層，結構圖如圖1所示。

第1層為充電站中央監控系統，包括數據服務器、Web服務器、監控主機等設備；第2層為配電監控、充電監控、煙霧監視和視頻監視4個子監控系統；第3層為現場智能設備[2-4]。根據現場設備的不同，現場設備與各子監控系統間采用CAN現場總線或以太網連接。各子監控系統通過局域網和TCP/IP協議與中央監控管理系統連接，實現對整個充電站的數據匯總、統計、故障顯示和監控。

圖1 充電站監控系統網絡結構組成示意圖

2 充電監控系統雙CAN通訊網絡設計

2.1 充電機監控系統雙CAN通信網絡

充電機監控系統主要包括充電監控站、充電機、充電樁，以及充電對象—電動汽車。充電機與電動汽車蓄電池管理系統之間的通信網絡（CAN1），實現充電機和蓄電池管理系統之間的數據交換；充電機與充電監控系統之間的通信網絡（CAN2），實現監控系統對充電機數據的實時采集、監視和控制等功能[5]。

2.2 CAN1的網絡組成結構

充電機與蓄電池管理系統的CAN網絡（CAN1）包括兩個節點，即充電機與蓄電池管理系統（BMS）。

在CAN1網絡中還包括一個車載的監控系統，用來監視車載蓄電池的運行狀態。發送的信息包括蓄電池的基本信息，蓄電池的電壓、溫度、荷電狀態（SOC）等數據，以便監控系統實時監視蓄電池的工作狀態。充電機也根據從電動汽車傳送的數據決定最佳的充電策略。CAN1的網絡組成如圖2 所示。

2.3 CAN2網絡組成圖

CAN2包括一臺監控計算機和若干臺充電機。由于CAN總線的負載能力限制了CAN總線的接入數量，每一個CAN總線最多接入30個CAN節點。CAN2網絡組成如圖3所示[5]。

充電監控系統由一臺或多臺工作站或服務器組成，包括監控工作站、Web服務器等。這些計算機通過局域網絡連接。當充電站的規模較小，充電機數量不多，采用單臺監控工作站即可滿足監控要求；當充電站的規模較大，充電機數量較多時，可以采用2臺或2臺以上監控工作站，并根據需要選擇配置服務器。

充電監控系統作為充電站監控系統的核心部分，采用CAN2網絡與充電機通信，能夠實時采集充電機的工作狀態、運行參數、故障信息數據，以及動力電池的基本信息、電壓、溫度、SOC、充電量、故障信息等數據，根據上級系統指令和BMS提供的動力電池信息，調整充電機的充電模式與充電運行參數。

圖2 CAN1網絡組成圖

圖3 CAN2網絡組成圖

3 充電設備內部通訊

3.1 非車載充電機通訊設計

大功率非車載充電機除采用雙CAN總線與電動汽車和監控系統相連外，其內部通訊包括控制及通訊管理單元與充電模塊、人機交互界面、電量計量單元、計費讀卡單元的通訊連接圖如圖4所示。

大功率非車載充電機一般采用多個充電模塊并聯組成一個充電單元，并通過RS-485連接充電監控與通信管理單元，通訊信息包括控制參數和控制命令及相關狀態量等。

人機交互界面采用大屏幕彩色觸摸屏，采用RS485通信方式。充電可選擇定電量、定時間、定金額、自動（充滿為止）4種模式；顯示當前充電模式、時間（已充電時間、剩余充電時間）、電量（已充電量、待充電量）及當前計費信息。

讀卡器采用R232通信方式，用于身份識別、記錄電量消費信息。

電量計量單元，獨立的電能計量儀表用于對充電機輸入電量、輸出電量、電動汽車充電量進行測量，以此進行用電計費、電費結算和成本核算等工作，并把電量信息通過RS485發送到控制及通訊管理單元。

3.2 充電樁

充電樁主要實現對電動汽車充電的交流電源的控制，其內部通訊包括控制及通訊管理單元與人機交互界面、電量計量單元、計費讀卡單元的通訊，如圖5所示，這些接口及功能與非車載充電機相似。與監控系統相連的方式可以是CAN，也可采用紅外通訊及GPRS無線通訊方式。

GPRS通信和紅外通信，可根據需要上傳充電樁的運行狀態參數，并與服務器進行IC卡身份認證。

充電樁除在電動汽車充電站應用外，主要的應用通常為居民小區、停車場、沿街道停車位等較為分散的場所。各分散充電樁通過無線發射、小區組網等方式完成IC卡信息認證及信息傳輸等。

圖5 充電機內部模塊通訊設計

4 通訊協議及接口設計

4.1 CAN接口及通訊協議設計

4.1.1 CAN接口設計

CAN接口芯片采用ADI公司的ADM3053，它是一款隔離式CAN物理層收發器，集成隔離DC/DC轉換器，符合ISO11898標準。該器件采用ADI公司的iCoupler?技術，將雙通道隔離器、CAN收發器和ADI公司的isoPower?DC/DC轉換器集成于單個表貼封裝中。通訊接口設計如圖6所示。

圖6 CAN通訊接口設計

4.1.2 CAN通信協議設計

相關行標及國標規定了電動汽車非車載充電機監控單元與電池管理系統（BMS）之間的通信協議，采用CAN2.0（控制器局域網）通信協議。標準規定了參數定義和參數組定義，前者包括數據長度、數據類型、數據分辨率、數據范圍等；后者包括數據域長度、傳輸循環率、數據地址等。設計參見相關標準[4-5]，限于篇幅不再贅述。

對于CAN1系統，采用CAN2.0設計，通訊協議根據內部數據量設計。

4.2 串口及通訊協議

4.2.1 串口接口設計

串口接口主要包括RS485和RS232，限于篇幅，本文只給出RS485設計。RS485接口采用ADI公司的ADM2587E芯片進行設計。ADM2587E是隔離型RS485收發器，可配置為半雙工或全雙工，支持±15 kVESD保護及信號和電源隔離。該器件適用于多點傳輸線上的高速通信。內部集成隔離式DC-DC電源，無需外加DC-DC隔離模塊，節約了成本及減少了設計的復雜度，RS485串行通訊接口設計如圖7所示。

4.2.2 串口通信協議設計

通信協議波特率采用19200b/s、8位數據位、1位停止位、無校驗。

4.3 以太網接口及通訊協議

4.3.1 以太網接口設計

以太網接口芯片采用美國國家半導體公司的DP83848-單路10/100Mb/s以太網收發器，DP83848是一款強大的全功能10/100單端口物理層器件，實現了低功耗，包括幾種智能掉電狀態。這些低功耗模式通過降低功耗提高了產品的整體可靠性。支持多種智能功率模式，從而可以在應用中使用最少量的工作所需電量。以太網接口設計如圖8所示。

4.3.2 以太網通信協議

以太網通信協議采用標準TCP/IP和UDP協議。

圖7 RS485串行通訊接口設計

圖8 以太網接口設計方案

5 結語

為滿足現代充電站建設、使用和維護的需求，通訊技術在充電系統中占據極其重要的地位。提出的充電站3層充電站監控系統及其通訊整體設計方案，根據不同層次數據特點和使用需求，結合當前主流通訊技術，融合了不同通訊網絡及協議，很好地滿足應用要求。結合國內外充電機相關標準，提出的充電機雙CAN通訊方案，并在實際的系統研發中得到應用。提出的充電機、充電樁內部通訊方案，則結合了充電機功能及控制特點，兼顧了對外接口的統一和滿足標準要求。通訊方式及通訊協議的選取，考慮了不同通訊方式的特點及內部子系統的接口要求，對裝置和設備的研發有積極的參考作用。

[1]陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現代電動汽車技術[M].北京:北京理工大學出版社,2002:289-296.

[2]馮冬青,趙洪蕊,王迎迎.電動汽車充電站智能監控管理系統設計[J].計算機測量與控制,2011,19(7):1609-1621.

[3]王斌,張維戈,姜久春,等.電動車充電站充電機監控系統設計方案[J].計算機與網絡,2008(11):48-50.

[4]嚴輝,李庚銀,趙磊,等.電動汽車充電站監控系統的設計與實現[J].電網技術,2009,6(12):15-19.

[5]國家電網公司營銷部.電動汽車充電設施建設標準及相關文件[M].北京：中國電力出版社，2010.