电动汽车充电站中通讯技术的实践

文/平红

在环境污染和能源耗竭的压力下，人们积极寻找和研发能够代替煤炭、石油等不可再生能源的清洁燃料，从而改善不断恶化的生态环境。因此，电动汽车以其优势慢慢被各国和汽车的制造商们所重视。我国处于保护环境，缓解交通压力、降低噪声和大气污染等目的，积极发展电动汽车和电动公交车。在我国推广电动汽车产业化、技术化的过程中，已经建成或准备建设一些电动汽车的运行示范区。在电动汽车运行中，大功率的充电站是必须建设好的基础设施。为了智能化管理和运用充电站，设计和建设通信网络是非常重要的工作。

1 电动汽车充电站双CAN通信网络设计

在电动汽车的充电站中安装有监控系统，其组成主要是充电对象（电动汽车）、充电桩、充电机、充电监控站。电动汽车蓄电池的管理系统和充电机间要想实现数据交换，需要依靠CAN1通信网络；而充电监控系统和充电机之间的CAN2通信网络，主要是为了监控系统实时采集、控制和监视充电机的数据。

1.1 CAN1通信网络结构

蓄电池管理系统和充电机之间CAN1通信网络有两个节点，也就是BMS（蓄电池管理系统）和充电机。另外，CAN1通信网络中还有一个车载监控系统，主要是对车载蓄电池的实施运行状态进行监视。电动汽车通过CAN1通信网络传送的信息主要是蓄电池方面的基本信息，包括蓄电池的荷电状态、温度、电压等等数据，从而便于监控系统对蓄电池的实时工作状态进行监视。同时，充电机以电动汽车传输的数据为基础，决定针对电动汽车的最佳充电方案。

1.2 CAN2通信网络结构

CAN2通信网络结构主要组成是一台用于监控的计算机与很多台充电机。CAN总线接入数量受限于CAN总线负载能力，因此一个CAN总线上面最多可以接入的CAN节点是30个。充电监控系统的组成主要是服务器或多台工作站或一台工作站，包括有web服务器和监控工作站等等，利用局域网络实现了这些计算机的连接。假充电站规模不大，需要的充电机不多，只需要一台监控工作站就能够达到监控要求；假如充电站规模比较大，需要较多的充电机数量，可以使用两台或两台以上的监控工作站，同时要依据需求进行服务器的配置。

在充电站监控系统中，充电监控系统是核心部分，通过CAN2通信网络和充电机实现通信，可以对充电机的故障数据、运行参数、工作状态和动力电池的故障信息、充电量、SOC、温度、电压、基本信息等数据进行实时采集，依据BMS的动力电池数据和上级的系统指令，对充电机充电模式和充电运行参数进行调整。

2 充电设备内部通信设计

2.1 充电桩通信设计

充电桩的作用主要是控制电动机车在充电时的交流电源，充电桩内部通讯有计费读卡模块、电量计费模块、人机交互界面、控制和通讯管理模块。监控系统和充电桩的连接方式可以采用GPRS无线通讯方式，也可以是红外通讯和CAN。红外通信与GPRS通信可以依据需要将充电桩运行状态的参数上传，并且和服务器实施IC卡身份认证。

除了可以应用在电动汽车的充电站中外，充电桩通常主要应用在沿街道的停车位、停车场、居民小区等比较分散的一些场所。分散的充电桩利用小区组网、无线发射等方式传输信息、认证IC卡的信息等等。

2.2 非车载充电机通信设计

有较大功率的非车载充电机一方面是通过双CAN通信网络总线实现监控系统与电动汽车之间的连接，另一方面非车载充电机的内部通讯中还包含了计费读卡模块、电量计量模块、人机交互界面、充电模块、控制和通讯管理模块，这些模块之间实现通信连接。

大功率的非车载充电机通常是并联很多充电模块形成一个充电单元，同时利用RS-485实现通信管理单元和充电监控之间的连接，通讯信息中包含有相关的状态量、控制命令和控制参数等等。

在人机交互界面上使用了大屏幕的彩色触摸屏，其通信方式采用的是RS485。在给电动机车充电时，可以选择从四种模式中选择：自动（充满了停止）、定金额、定时间、定电量。在人机交互界面上也可以显示当前的计费信息、电量（待充电量和已充电量）、时间（剩余的充电时间和已充电时间）、当前的充电模式。

读卡器使用的通信方式是R232，主要用于识别用户身份、对消费电量的信息进行记录。电量的计量单元中，使用独立电能计量仪表测量电动汽车的充电量、充电机的输出电量和输入电量，依据这些数据进行成本核算、电费结算和用电计费等工作，并且利用RS485将电量信息传输给通讯管理和控制单元。

3 通信协议和接口设计

3.1 以太网接口和通信协议

以太网的接口芯片使用的是美国半导体公司出产的DP83848-单路以太网收发器，这款10/100Mb/s的单端口物理层器件有非常强大的全功能，能够达到较低的功耗，一些智能掉电状态也包含其中。低功耗的模式在使功耗降低的同时，使产品整体的可靠性得到全面提升。以太网接口对很多智能功率模式都支持，所以在使用时工作所需要的电量最小化。以太网通信协议主要采取的是标准UDP协议和ICP/IP协议。

3.2 串口和通信协议

在设计串口接口时，串口接口包括的主要是RS232和RS485，在本文中主要对RS485的串口设计进行介绍。在设计RE485接口时，利用的是亚诺德半导体技术有限公司出产的ADM2587E芯片。ADM2587E芯片属于隔离型的RS485收发器，可以是全双工配置或半双工配置，能够支持ESD（±15kV）保护和信号隔离电源。RS485收发器件在多点的传输线高速通信中比较适用。隔离式的DC-DC电源属于内部集成形式，不用再使用DC-DC隔离单元，使成本得到有效减少，并且也使设计复杂程度得到大幅度降低。在设计串口的通信协议时，采用了无校验、1位停止位、8位数据位、19200b/s的波特率。

3.3 CAN接口和通信协议

在设计CAN的接口时，其芯片使用的是亚诺德半导体技术有限公司出产的ADM3053，属于隔离式的CAN物理层收发器，能够对DC/DC转换器实行集成隔离，与ISO11898标准相符。ADM3053形式的CAN物理层收发器通过亚诺德半导体技术有限公司研发的iCoupler®技术，集成亚诺德半导体技术有限公司研发的iCoupler®DC/DC转换器、CAN物理层收发器和双通道隔离器，将这些都置于单个表贴的封装袋里面。

在CAN通信协议的设计中，国家标准和有关的行业标准已经对电动汽车的BMS电池管理系统、非车载充电机的监控单元间的通信协议进行了规定，该通信协议采取的是控制器局域网（CAN2.0）的通信协议。依据有关标准对参数组的定义和参数定义进行了规定，参数定义包括了数据范围、数据分辨率、数据类型和数据长度等等；参数组定义包括了数据地址、传输循环率、数据域长度等等。在CNA1通信系统中，采用的通信设计是CAN2.0，依据CNA1通信系统中的内部数据量进行对通讯协议进行设计。

4 结束语

在现代化的电动汽车充电站建设、维护和使用中，要想充分满足人们的需求，就必须在电动汽车充电系统中充分运用通讯技术。在电动汽车充电站中，常用监控系统是三层的，并依据各个层次对数据使用和数据特点的需求，和如今主流的通讯技术相结合，在电动机车充电站中融合不同的通讯网络和协议，从而更好地达到用电要求。与国内外电动汽车充电机的有关标准相结合，提出双CAN通信网络在充电机中的应用，并在实际研发和应用中达到较好的效果。充电桩和充电机的内部通讯，有效结合充电机的控制特点和功能，并且达到了统一的对外接口，与标准要求也相符。在选取通讯协议和通讯方式时，要综合考虑各种通讯方式的不同特点和内部子系统对接口的要求，在研发设备和装置上有较好的参考价值。

参考文献

[1]孙君光,张兴旺,赖前程.通讯技术在电动汽车充电站中的应用设计[J].自动化与信息工程,2014(02):6-11.

[2]陈胤,张磊.基于CAN总线电动汽车充电站通信网络及接口设计[J].兰州石化职业技术学院学报,2008,8(04):30-33.

[3]刘建敏,高云飞.CAN总线在电动汽车BMS系统与充电桩之间通信的应用[J].微计算机信息,2012(09):205-207.

[4]万成江,邱晓燕,邱高等.基于无线通讯的电动汽车与智能配电网的互动模式研究[J].高压电器,2017(02):113-119.

[5]唐明,郭伟,蒋渊等.基于组件的电动汽车充电站监控系统通信软件[J].计算机应用与软件,2015(02):330-333.