基于Wi-Fi通信的特種車輛自動充電系統研究

臧 峰,蔡憲逸,李宏慶

(1.萬幫數字能源股份有限公司,江蘇 常州 213000; 2.國創移動能源創新中心(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境的不斷惡化,國家迫切需要發展低碳型經濟。電動汽車因順應低碳經濟趨勢而得到了迅速發展。同時,電動汽車能源補給也是一個非常重要的問題[1]。鋼鐵企業為了順應發展,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在特種車輛中的應用。其主要依靠磁場耦合實現電能傳輸,但傳輸功率偏小。文獻[3]～文獻[7]研究了優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計方案及特點。文獻[9]提出了一種自主泊車精準調節策略,降低了車輛自動泊車停止時的位置偏差。文獻[10]根據標準充電接口,設計了一種自動充電樁。

上述文獻都沒有提出如何實現特種車輛的自動充電功能。基于此,本文提出通過改造國標充電接口以實現特種車輛自動充電功能的特種車輛自動充電系統。該系統通過充電接口的改造,以較低的經濟成本實現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 系統總體方案

特種車輛自動充電系統結構如圖1所示。

圖1 自動充電系統結構圖

車輛端包括車端控制器、車輛控制器和電池管理系統(battery management system,BMS)控制器[11]。它們之間通過控制器局域網絡(controller area network,CAN)進行數據交互。充電端包括充電終端和整流柜。充電終端負責與車端控制器進行Wi-Fi通信。整流柜負責把交流電轉換為直流電(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送的車輛狀態信息和BMS控制器發送的電池狀態信息,并且根據車輛狀態信息和電池狀態信息生成充電指令。整流柜實現交流電轉換為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設距離。充電電極用于實現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。卷簾門對應充電電極設置,用于在充電終端空閑時保護充電電極;伸縮棒對應充電電極設置,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,通過無線信號發送充電控制指令。充電終端接收到充電控制指令后,根據充電指令對卷簾門和伸縮棒進行控制,并根據充電指令生成充電控制邏輯,以實現特種車輛的自動充電。

1.1 充電接口

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

圖2 國標充電接口圖

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極布置的結構。改造接口如圖3所示。

圖3 改造接口圖

1.2 連接判斷

當車端控制器接收到車輛控制器發送的啟動充電指令后,車端控制器閉合S2開關,通過Wi-Fi發送啟動指令,等待充電終端CP電路建立連接。當充電終端接收到車端控制器通過Wi-Fi發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。這代表充電終端準備充電。

CP電路如圖4所示。

圖4 CP電路圖

Ucp電壓狀態的定義如表1所示。

表1 Ucp電壓狀態的定義

2 協議設計與實現

2.1 車輛交互協議

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

車端控制器與車輛控制器的數據交互包括周期性數據交互和非周期性數據交互。周期性數據交互主要是車端控制器和車輛控制器周期性傳輸數據,可以實時監視對方狀態。非周期性數據交互是由車輛控制器給車端控制器下發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進行數據透傳。BMS控制器把發送給充電終端的數據發送給車端控制器。車端控制器通過Wi-Fi把數據傳輸給充電終端。

2.2 Wi-Fi協議

Wi-Fi協議包括車輛控制器發送的控制指令報文和轉發的BMS報文。為了更好地區分這兩類報文,需對傳輸的報文進行數據定義。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數據傳輸是通過CAN報文進行,Wi-Fi協議參考GB/T 27930—2015進行定義。本文在GB/T 27930—2015報文的基礎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,以實現自動充電功能。

3 軟件設計

為了實現車輛自動充電功能,本文需要對系統各功能進行詳細分析并進行軟件設計。

車端控制器周期性與車輛控制器進行CAN數據交互,接收車輛控制器反饋的狀態信息。當反饋車輛已經駐車后,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報文反饋連接狀態至車輛控制器。車輛控制器接收到Wi-Fi建立的連接后,根據電池電量判斷是否需要充電。如果需要充電,則向車端控制器發送指令,并設置車輛為不可駛離狀態。

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,提示充電終端已經進入啟動充電流程。同時,充電終端向電機發送控制指令,使之開啟卷簾門。充電終端周期性監視卷簾門開啟反饋。當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,下發充電終端伸棒指令。車端控制器根據圖4原理實時監視Ucp,通過電壓判斷充電棒已經與車端可靠連接后,下發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接收充電終端的數據并進行解析、通過CAN接收BMS控制器的GB/T 27930報文,并把此報文通過Wi-Fi轉發給充電終端,以實現充電流程的閉環。

充電結束后,充電終端會斷開S1,通知車端控制器充電已經完成,并自動下發縮棒指令,等待接收縮棒到位狀態。當接收到縮棒到位信號后,充電終端繼續下發關閉卷簾門指令,并等待反饋。卷簾門關閉后,此次充電流程結束。車端控制器監測Ucp變化后,接收此次充電流程結束的信息,并把此狀態反饋給車輛控制器,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

當充電終端接收到充電啟動指令后,充電終端通過Modbus RTU協議給卷簾門步進電機發送開門指令,以實現卷簾門的正常開啟操作。當接收到充電極縮回到位信號后,充電終端通過Modbus RTU協議向卷簾門發送關門指令,以實現卷簾門的關閉操作。Modbus RTU是控制系統普遍使用的協議,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送伸極指令,以實現充電極的正常推出功能。當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送縮極指令,以實現充電極的回退功能。卷簾門控制和充電極控制具有互鎖功能:當卷簾門在關閉狀態,充電極不允許推出;當充電極在推出狀態,卷簾門不允許進行關門操作。

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接口的數據進行抓包,并使用wireshark工具打開抓包數據,以實現通信協議分析。

4.4 充電邏輯測試

充電邏輯測試是根據《電動汽車傳導充電系統》(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。經測試,充電終端進行絕緣檢測、反接檢測、預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定值后,能夠自動停止充電、自動縮回充電極并關閉卷簾門。

5 結論

本文設計并實現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通信方式,通過控制指令實現整流柜電能的傳輸。本文設計的自動充電功能充分考慮了特種車輛充電的場景,利用四個電極實現電能傳輸,極大地降低了對接難度。