基于Wi-Fi通信的特种车辆自动充电系统研究

臧 峰,蔡宪逸,李宏庆

(1.万帮数字能源股份有限公司,江苏 常州 213000; 2.国创移动能源创新中心(江苏)有限公司,江苏 常州 213000)

0 引言

随着石油资源的减少和环境的不断恶化,国家迫切需要发展低碳型经济。电动汽车因顺应低碳经济趋势而得到了迅速发展。同时,电动汽车能源补给也是一个非常重要的问题[1]。钢铁企业为了顺应发展,积极推进在轨运输车辆的电动化。这些特种车辆的电动化可以有效减轻对环境的污染。但是,特种车辆的自动充电功能还处在起步阶段。

文献[2]提出了一种谐振式无线充电技术在特种车辆中的应用。其主要依靠磁场耦合实现电能传输,但传输功率偏小。文献[3]～文献[7]研究了优化算法在机场进行有序充电的功能。该功能能够处理机场特种车辆充电调度的问题,提升了机场电动特种车辆的运行效率。文献[8]提出了一种基于全桥变换器的全数字化大功率机场电动特种车辆充电方案,详细阐述了所用主功率电路和控制电路的设计方案及特点。文献[9]提出了一种自主泊车精准调节策略,降低了车辆自动泊车停止时的位置偏差。文献[10]根据标准充电接口,设计了一种自动充电桩。

上述文献都没有提出如何实现特种车辆的自动充电功能。基于此,本文提出通过改造国标充电接口以实现特种车辆自动充电功能的特种车辆自动充电系统。该系统通过充电接口的改造,以较低的经济成本实现特种车辆自动充电功能,有效提高了特种车辆的自动化效率。

1 系统总体方案

特种车辆自动充电系统结构如图1所示。

图1 自动充电系统结构图

车辆端包括车端控制器、车辆控制器和电池管理系统(battery management system,BMS)控制器[11]。它们之间通过控制器局域网络(controller area network,CAN)进行数据交互。充电端包括充电终端和整流柜。充电终端负责与车端控制器进行Wi-Fi通信。整流柜负责把交流电转换为直流电(direct current,DC)后给车辆供电。

车端控制器用于与特种车辆的车辆控制器和BMS进行 CAN通信,以接收车辆控制器发送的车辆状态信息和BMS控制器发送的电池状态信息,并且根据车辆状态信息和电池状态信息生成充电指令。整流柜实现交流电转换为DC,并且给车辆进行DC充电。充电终端与整流柜相连,以实现整流柜输出的控制。充电电极包括:DC正极电极DC+、负极电极DC-和控制导引(control pilot,CP)电极、保护接地(protective earth,PE)电极。充电电极按照DC+、DC-、CP和PE的顺序由上至下竖直排列且位于同一垂直轴线上。每个电极之间相距一段预设距离。充电电极用于实现充电终端与特种车辆充电接口之间的物理连接,以传输整流柜提供的直流电能。卷帘门对应充电电极设置,用于在充电终端空闲时保护充电电极;伸缩棒对应充电电极设置,用于带动充电电极在水平方向上进行伸缩运动。充电终端控制器作为Wi-Fi的接入点(access point,AP),广播Wi-Fi无线信号,等待车端控制器建立连接。车端控制器与充电终端建立Wi-Fi连接后,通过无线信号发送充电控制指令。充电终端接收到充电控制指令后,根据充电指令对卷帘门和伸缩棒进行控制,并根据充电指令生成充电控制逻辑,以实现特种车辆的自动充电。

1.1 充电接口

国标GB/T 20234.3[12]定义了车辆插座的接头布置。国标充电接口如图2所示。

图2 国标充电接口图

由于充电插座采用圆形布置,所以充电枪插入需要很高的定位精度。为了便于充电枪对接,特种车辆对充电插座进行了改造。

改造采用了4极布置的结构。改造接口如图3所示。

图3 改造接口图

1.2 连接判断

当车端控制器接收到车辆控制器发送的启动充电指令后,车端控制器闭合S2开关,通过Wi-Fi发送启动指令,等待充电终端CP电路建立连接。当充电终端接收到车端控制器通过Wi-Fi发送的启动充电指令后,充电终端打开卷帘门,伸出充电电极,与车端CP电路建立连接;同时,闭合S1开关。这代表充电终端准备充电。

CP电路如图4所示。

图4 CP电路图

Ucp电压状态的定义如表1所示。

表1 Ucp电压状态的定义

2 协议设计与实现

2.1 车辆交互协议

车辆交互协议包括两层协议:①车端控制器与车辆控制器的数据交互;②车端控制器与BMS控制器的数据交互。数据的交互通过CAN报文进行传输。传输的数据格式参考《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》(GB/T 27930—2015)[13]。

车端控制器与车辆控制器的数据交互包括周期性数据交互和非周期性数据交互。周期性数据交互主要是车端控制器和车辆控制器周期性传输数据,可以实时监视对方状态。非周期性数据交互是由车辆控制器给车端控制器下发启动充电和停止充电报文,车端控制器接收到报文后通过Wi-Fi把指令传输给充电终端。

车端控制器与BMS控制器通过CAN进行数据透传。BMS控制器把发送给充电终端的数据发送给车端控制器。车端控制器通过Wi-Fi把数据传输给充电终端。

2.2 Wi-Fi协议

Wi-Fi协议包括车辆控制器发送的控制指令报文和转发的BMS报文。为了更好地区分这两类报文,需对传输的报文进行数据定义。本文对各功能块的地址进行定义:充电终端地址为0x56;车辆控制器地址为0x6c;BMS控制器地址为0xf4。由于BMS数据传输是通过CAN报文进行,Wi-Fi协议参考GB/T 27930—2015进行定义。本文在GB/T 27930—2015报文的基础上增加卷帘门控制指令、充电极伸缩指令、充电控制指令和心跳报文,以实现自动充电功能。

3 软件设计

为了实现车辆自动充电功能,本文需要对系统各功能进行详细分析并进行软件设计。

车端控制器周期性与车辆控制器进行CAN数据交互,接收车辆控制器反馈的状态信息。当反馈车辆已经驻车后,车端控制器扫描周围的Wi-Fi信号,搜索是否有充电终端的Wi-Fi信号。如果有,则车端控制器与充电终端建立Wi-Fi连接,并通过CAN报文反馈连接状态至车辆控制器。车辆控制器接收到Wi-Fi建立的连接后,根据电池电量判断是否需要充电。如果需要充电,则向车端控制器发送指令,并设置车辆为不可驶离状态。

车端控制器接收到充电指令后,闭合S2,代表车端控制器进入充电流程。车端控制器通过Wi-Fi信号告知充电终端开启卷帘门,并接收充电终端卷帘门状态反馈。充电终端接收到开启卷帘门指令后,闭合S1,提示充电终端已经进入启动充电流程。同时,充电终端向电机发送控制指令,使之开启卷帘门。充电终端周期性监视卷帘门开启反馈。当接收到卷帘门已开反馈信号后,充电终端通过Wi-Fi信号告知车端控制器卷帘门已开。车端控制器接收到卷帘门已开反馈后,下发充电终端伸棒指令。车端控制器根据图4原理实时监视Ucp,通过电压判断充电棒已经与车端可靠连接后,下发启动充电指令给充电终端。

充电终端接收到充电指令后,进入GB/T 18487充电控制逻辑,进行充电功能的控制,并把充电状态通过Wi-Fi实时传输给车端控制器。车端控制器通过Wi-Fi接收充电终端的数据并进行解析、通过CAN接收BMS控制器的GB/T 27930报文,并把此报文通过Wi-Fi转发给充电终端,以实现充电流程的闭环。

充电结束后,充电终端会断开S1,通知车端控制器充电已经完成,并自动下发缩棒指令,等待接收缩棒到位状态。当接收到缩棒到位信号后,充电终端继续下发关闭卷帘门指令,并等待反馈。卷帘门关闭后,此次充电流程结束。车端控制器监测Ucp变化后,接收此次充电流程结束的信息,并把此状态反馈给车辆控制器,通知车辆控制器可以驶离。控制流程如图5所示。

图5 控制流程图

4 功能测试

针对特种车辆自动充电设计的功能,测试人员进行卷帘门测试、充电极控制测试、Wi-Fi通信测试、充电逻辑测试。

4.1 卷帘门测试

当充电终端接收到充电启动指令后,充电终端通过Modbus RTU协议给卷帘门步进电机发送开门指令,以实现卷帘门的正常开启操作。当接收到充电极缩回到位信号后,充电终端通过Modbus RTU协议向卷帘门发送关门指令,以实现卷帘门的关闭操作。Modbus RTU是控制系统普遍使用的协议,可以通过串口抓包工具实时抓取通信报文以进行解析。

4.2 充电极控制测试

当充电终端接收到卷帘门开启到位信号后,充电终端给充电极伸缩控制步进电机发送伸极指令,以实现充电极的正常推出功能。当充电终端接收到停止充电指令后,充电终端给充电极伸缩控制步进电机发送缩极指令,以实现充电极的回退功能。卷帘门控制和充电极控制具有互锁功能:当卷帘门在关闭状态,充电极不允许推出;当充电极在推出状态,卷帘门不允许进行关门操作。

4.3 Wi-Fi通信测试

测试人员在充电终端控制板启用tcpdump进程对Wi-Fi接口的数据进行抓包,并使用wireshark工具打开抓包数据,以实现通信协议分析。

4.4 充电逻辑测试

充电逻辑测试是根据《电动汽车传导充电系统》(GB/T 18487—2015)[14]的时序测试充电流程,测试特种车辆是否能够正常充电。经测试,充电终端进行绝缘检测、反接检测、预充功能时都能正常工作。特种车辆充电功能正常,能够进行补能操作。特种车辆电池电量达到设定值后,能够自动停止充电、自动缩回充电极并关闭卷帘门。

5 结论

本文设计并实现了一种特种车辆自动充电的功能。车端与充电终端采用Wi-Fi无线方式连接,可以有效降低成本并节省空间。充电电极采用竖直排列方式,可以使充电电极与充电座的接触更便捷,提高自动充电功能的可靠性。充电终端与整流柜采用以太网通信方式,通过控制指令实现整流柜电能的传输。本文设计的自动充电功能充分考虑了特种车辆充电的场景,利用四个电极实现电能传输,极大地降低了对接难度。