基于Wi-Fi通信的特種車輛自動充電系統(tǒng)研究

臧 峰,蔡憲逸,李宏慶

(1.萬幫數(shù)字能源股份有限公司,江蘇 常州 213000; 2.國創(chuàng)移動能源創(chuàng)新中心(江蘇)有限公司,江蘇 常州 213000)

0 引言

隨著石油資源的減少和環(huán)境的不斷惡化,國家迫切需要發(fā)展低碳型經(jīng)濟。電動汽車因順應(yīng)低碳經(jīng)濟趨勢而得到了迅速發(fā)展。同時,電動汽車能源補給也是一個非常重要的問題[1]。鋼鐵企業(yè)為了順應(yīng)發(fā)展,積極推進在軌運輸車輛的電動化。這些特種車輛的電動化可以有效減輕對環(huán)境的污染。但是,特種車輛的自動充電功能還處在起步階段。

文獻[2]提出了一種諧振式無線充電技術(shù)在特種車輛中的應(yīng)用。其主要依靠磁場耦合實現(xiàn)電能傳輸,但傳輸功率偏小。文獻[3]～文獻[7]研究了優(yōu)化算法在機場進行有序充電的功能。該功能能夠處理機場特種車輛充電調(diào)度的問題,提升了機場電動特種車輛的運行效率。文獻[8]提出了一種基于全橋變換器的全數(shù)字化大功率機場電動特種車輛充電方案,詳細闡述了所用主功率電路和控制電路的設(shè)計方案及特點。文獻[9]提出了一種自主泊車精準(zhǔn)調(diào)節(jié)策略,降低了車輛自動泊車停止時的位置偏差。文獻[10]根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)充電接口,設(shè)計了一種自動充電樁。

上述文獻都沒有提出如何實現(xiàn)特種車輛的自動充電功能?；诖?本文提出通過改造國標(biāo)充電接口以實現(xiàn)特種車輛自動充電功能的特種車輛自動充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過充電接口的改造,以較低的經(jīng)濟成本實現(xiàn)特種車輛自動充電功能,有效提高了特種車輛的自動化效率。

1 系統(tǒng)總體方案

特種車輛自動充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

車輛端包括車端控制器、車輛控制器和電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)控制器[11]。它們之間通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network,CAN)進行數(shù)據(jù)交互。充電端包括充電終端和整流柜。充電終端負責(zé)與車端控制器進行Wi-Fi通信。整流柜負責(zé)把交流電轉(zhuǎn)換為直流電(direct current,DC)后給車輛供電。

車端控制器用于與特種車輛的車輛控制器和BMS進行 CAN通信,以接收車輛控制器發(fā)送的車輛狀態(tài)信息和BMS控制器發(fā)送的電池狀態(tài)信息,并且根據(jù)車輛狀態(tài)信息和電池狀態(tài)信息生成充電指令。整流柜實現(xiàn)交流電轉(zhuǎn)換為DC,并且給車輛進行DC充電。充電終端與整流柜相連,以實現(xiàn)整流柜輸出的控制。充電電極包括:DC正極電極DC+、負極電極DC-和控制導(dǎo)引(control pilot,CP)電極、保護接地(protective earth,PE)電極。充電電極按照DC+、DC-、CP和PE的順序由上至下豎直排列且位于同一垂直軸線上。每個電極之間相距一段預(yù)設(shè)距離。充電電極用于實現(xiàn)充電終端與特種車輛充電接口之間的物理連接,以傳輸整流柜提供的直流電能。卷簾門對應(yīng)充電電極設(shè)置,用于在充電終端空閑時保護充電電極;伸縮棒對應(yīng)充電電極設(shè)置,用于帶動充電電極在水平方向上進行伸縮運動。充電終端控制器作為Wi-Fi的接入點(access point,AP),廣播Wi-Fi無線信號,等待車端控制器建立連接。車端控制器與充電終端建立Wi-Fi連接后,通過無線信號發(fā)送充電控制指令。充電終端接收到充電控制指令后,根據(jù)充電指令對卷簾門和伸縮棒進行控制,并根據(jù)充電指令生成充電控制邏輯,以實現(xiàn)特種車輛的自動充電。

1.1 充電接口

國標(biāo)GB/T 20234.3[12]定義了車輛插座的接頭布置。國標(biāo)充電接口如圖2所示。

圖2 國標(biāo)充電接口圖

由于充電插座采用圓形布置,所以充電槍插入需要很高的定位精度。為了便于充電槍對接,特種車輛對充電插座進行了改造。

改造采用了4極布置的結(jié)構(gòu)。改造接口如圖3所示。

圖3 改造接口圖

1.2 連接判斷

當(dāng)車端控制器接收到車輛控制器發(fā)送的啟動充電指令后,車端控制器閉合S2開關(guān),通過Wi-Fi發(fā)送啟動指令,等待充電終端CP電路建立連接。當(dāng)充電終端接收到車端控制器通過Wi-Fi發(fā)送的啟動充電指令后,充電終端打開卷簾門,伸出充電電極,與車端CP電路建立連接;同時,閉合S1開關(guān)。這代表充電終端準(zhǔn)備充電。

CP電路如圖4所示。

圖4 CP電路圖

Ucp電壓狀態(tài)的定義如表1所示。

表1 Ucp電壓狀態(tài)的定義

2 協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 車輛交互協(xié)議

車輛交互協(xié)議包括兩層協(xié)議:①車端控制器與車輛控制器的數(shù)據(jù)交互;②車端控制器與BMS控制器的數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)的交互通過CAN報文進行傳輸。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式參考《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》(GB/T 27930—2015)[13]。

車端控制器與車輛控制器的數(shù)據(jù)交互包括周期性數(shù)據(jù)交互和非周期性數(shù)據(jù)交互。周期性數(shù)據(jù)交互主要是車端控制器和車輛控制器周期性傳輸數(shù)據(jù),可以實時監(jiān)視對方狀態(tài)。非周期性數(shù)據(jù)交互是由車輛控制器給車端控制器下發(fā)啟動充電和停止充電報文,車端控制器接收到報文后通過Wi-Fi把指令傳輸給充電終端。

車端控制器與BMS控制器通過CAN進行數(shù)據(jù)透傳。BMS控制器把發(fā)送給充電終端的數(shù)據(jù)發(fā)送給車端控制器。車端控制器通過Wi-Fi把數(shù)據(jù)傳輸給充電終端。

2.2 Wi-Fi協(xié)議

Wi-Fi協(xié)議包括車輛控制器發(fā)送的控制指令報文和轉(zhuǎn)發(fā)的BMS報文。為了更好地區(qū)分這兩類報文,需對傳輸?shù)膱笪倪M行數(shù)據(jù)定義。本文對各功能塊的地址進行定義:充電終端地址為0x56;車輛控制器地址為0x6c;BMS控制器地址為0xf4。由于BMS數(shù)據(jù)傳輸是通過CAN報文進行,Wi-Fi協(xié)議參考GB/T 27930—2015進行定義。本文在GB/T 27930—2015報文的基礎(chǔ)上增加卷簾門控制指令、充電極伸縮指令、充電控制指令和心跳報文,以實現(xiàn)自動充電功能。

3 軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)車輛自動充電功能,本文需要對系統(tǒng)各功能進行詳細分析并進行軟件設(shè)計。

車端控制器周期性與車輛控制器進行CAN數(shù)據(jù)交互,接收車輛控制器反饋的狀態(tài)信息。當(dāng)反饋車輛已經(jīng)駐車后,車端控制器掃描周圍的Wi-Fi信號,搜索是否有充電終端的Wi-Fi信號。如果有,則車端控制器與充電終端建立Wi-Fi連接,并通過CAN報文反饋連接狀態(tài)至車輛控制器。車輛控制器接收到Wi-Fi建立的連接后,根據(jù)電池電量判斷是否需要充電。如果需要充電,則向車端控制器發(fā)送指令,并設(shè)置車輛為不可駛離狀態(tài)。

車端控制器接收到充電指令后,閉合S2,代表車端控制器進入充電流程。車端控制器通過Wi-Fi信號告知充電終端開啟卷簾門,并接收充電終端卷簾門狀態(tài)反饋。充電終端接收到開啟卷簾門指令后,閉合S1,提示充電終端已經(jīng)進入啟動充電流程。同時,充電終端向電機發(fā)送控制指令,使之開啟卷簾門。充電終端周期性監(jiān)視卷簾門開啟反饋。當(dāng)接收到卷簾門已開反饋信號后,充電終端通過Wi-Fi信號告知車端控制器卷簾門已開。車端控制器接收到卷簾門已開反饋后,下發(fā)充電終端伸棒指令。車端控制器根據(jù)圖4原理實時監(jiān)視Ucp,通過電壓判斷充電棒已經(jīng)與車端可靠連接后,下發(fā)啟動充電指令給充電終端。

充電終端接收到充電指令后,進入GB/T 18487充電控制邏輯,進行充電功能的控制,并把充電狀態(tài)通過Wi-Fi實時傳輸給車端控制器。車端控制器通過Wi-Fi接收充電終端的數(shù)據(jù)并進行解析、通過CAN接收BMS控制器的GB/T 27930報文,并把此報文通過Wi-Fi轉(zhuǎn)發(fā)給充電終端,以實現(xiàn)充電流程的閉環(huán)。

充電結(jié)束后,充電終端會斷開S1,通知車端控制器充電已經(jīng)完成,并自動下發(fā)縮棒指令,等待接收縮棒到位狀態(tài)。當(dāng)接收到縮棒到位信號后,充電終端繼續(xù)下發(fā)關(guān)閉卷簾門指令,并等待反饋。卷簾門關(guān)閉后,此次充電流程結(jié)束。車端控制器監(jiān)測Ucp變化后,接收此次充電流程結(jié)束的信息,并把此狀態(tài)反饋給車輛控制器,通知車輛控制器可以駛離。控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖

4 功能測試

針對特種車輛自動充電設(shè)計的功能,測試人員進行卷簾門測試、充電極控制測試、Wi-Fi通信測試、充電邏輯測試。

4.1 卷簾門測試

當(dāng)充電終端接收到充電啟動指令后,充電終端通過Modbus RTU協(xié)議給卷簾門步進電機發(fā)送開門指令,以實現(xiàn)卷簾門的正常開啟操作。當(dāng)接收到充電極縮回到位信號后,充電終端通過Modbus RTU協(xié)議向卷簾門發(fā)送關(guān)門指令,以實現(xiàn)卷簾門的關(guān)閉操作。Modbus RTU是控制系統(tǒng)普遍使用的協(xié)議,可以通過串口抓包工具實時抓取通信報文以進行解析。

4.2 充電極控制測試

當(dāng)充電終端接收到卷簾門開啟到位信號后,充電終端給充電極伸縮控制步進電機發(fā)送伸極指令,以實現(xiàn)充電極的正常推出功能。當(dāng)充電終端接收到停止充電指令后,充電終端給充電極伸縮控制步進電機發(fā)送縮極指令,以實現(xiàn)充電極的回退功能。卷簾門控制和充電極控制具有互鎖功能:當(dāng)卷簾門在關(guān)閉狀態(tài),充電極不允許推出;當(dāng)充電極在推出狀態(tài),卷簾門不允許進行關(guān)門操作。

4.3 Wi-Fi通信測試

測試人員在充電終端控制板啟用tcpdump進程對Wi-Fi接口的數(shù)據(jù)進行抓包,并使用wireshark工具打開抓包數(shù)據(jù),以實現(xiàn)通信協(xié)議分析。

4.4 充電邏輯測試

充電邏輯測試是根據(jù)《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)》(GB/T 18487—2015)[14]的時序測試充電流程,測試特種車輛是否能夠正常充電。經(jīng)測試,充電終端進行絕緣檢測、反接檢測、預(yù)充功能時都能正常工作。特種車輛充電功能正常,能夠進行補能操作。特種車輛電池電量達到設(shè)定值后,能夠自動停止充電、自動縮回充電極并關(guān)閉卷簾門。

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種特種車輛自動充電的功能。車端與充電終端采用Wi-Fi無線方式連接,可以有效降低成本并節(jié)省空間。充電電極采用豎直排列方式,可以使充電電極與充電座的接觸更便捷,提高自動充電功能的可靠性。充電終端與整流柜采用以太網(wǎng)通信方式,通過控制指令實現(xiàn)整流柜電能的傳輸。本文設(shè)計的自動充電功能充分考慮了特種車輛充電的場景,利用四個電極實現(xiàn)電能傳輸,極大地降低了對接難度。