直流充電樁的各種“信息流”【能效充電樁科普系列之十三】
直流充電樁融合了電力電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)和IoT技術(shù)。一款高端的充電樁，有多個MCU（為表述方便，文中將DSP、單片機、ARM等不同類型的芯片都統(tǒng)稱為MCU），譬如能效電氣自有品牌的高端充電樁U20，以及能效電氣為蔚來汽車和小鵬汽車打造的高端20kW充電樁，里面總共有8個MCU，分別控制PFC、DC/DC（下文簡寫成ＤＣ）、CCU、TCU、藍牙模組、4G模組、燈語，風(fēng)扇，有8個嵌入式的程序。為了實現(xiàn)遠端控制，還要開發(fā)手機APP程序，服務(wù)器程序。在PFC和DC之間，DC和CCU之間，CCU和TCU之間，TCU和云平臺之間都有“通信”，包括串口通信，CAN通信或者無線通信。既然有通信，就有“通信協(xié)議”。通信協(xié)議定義了通信物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層。我們通常將一個或多個具有相同參數(shù)組編號的“CAN數(shù)據(jù)幀”稱為“報文”。最常提及的“報文”是充電樁和車輛之間，也即CCU和BMS之間。
電力電子技術(shù)已全面進入數(shù)字控制時代。充電模塊包括PFC和ＤＣ兩個部分，都是采用了基于DSP或ARM的數(shù)字控制技術(shù)。PFC和DC之間有一些必要的信息交互，信息量不是很大，為節(jié)省成本考慮，一般就用串口通信方式實現(xiàn)。動力電池的BMS是充電系統(tǒng)的大腦，充電樁里的充電控制器（CCU，Charging Control Unit）和BMS之間進行通信，兩者之間采用CAN通信，有國標(biāo)《GB/T 27930，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》定義了兩者之間的協(xié)議。遠程信息控制器（TCU，Telematics Control Unit）和后臺以及CCU之間進行信息交互，TCU接收CCU的信息，再傳遞給云平臺。CCU和TCU可以分開成兩個基于ARM的單板實現(xiàn)，也可以用一個ARM實現(xiàn)。CCU和TCU之間是企業(yè)的自有協(xié)議，可以采用CAN通信或串口通信。TCU通過無線通信的方式和云平臺連接，對接的協(xié)議也是自有協(xié)議。這些MCU組成的系統(tǒng)框圖如圖1所示。在不同廠家的云平臺之間也可以進行通信，云和云的連接有“中電聯(lián)”互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)、《T／CEC 102.1—2016電動汽車充換電服務(wù)信息交換》。
按國標(biāo)定義，充電過程分為六大階段，從物理連接到充電結(jié)束，充電模塊有兩次開機，第一次開機是為了實現(xiàn)絕緣檢測功能，第二次開機才是真正開始充電。第二次開機之前，CCU和BMS之間按充電流程已完成物理連接，絕緣檢測，充電樁和車輛電池之間參數(shù)交互、確認，并且CCU要收到云平臺的開機指令。各種判斷條件都滿足后，CCU才向DC發(fā)出開機命令，DC再向PFC發(fā)出開機命令。整個過程中，云平臺、TCU、CCU、BMS、PFC、DC之間交互各種信息，而且要遵循必要的時序。
PFC和ＤＣ之間的信息流
PFC和DC之間采用串行通信接口（Serial Communication Interface）簡稱：SCI，是一個雙線異步串行端口，即通常所說的UART。SCI模塊支持CPU和其他使用標(biāo)準(zhǔn)不歸零（NRZ）格式的異步外圍設(shè)備之間的通信。SCI接收器和發(fā)送器具有獨立的16級深度的FIFO，并且具有獨立的中斷控制位，可工作在半雙工模式和全雙工模式下。為保證數(shù)據(jù)的完整性，SCI對接收的數(shù)據(jù)進行間斷檢測、奇偶校驗、超時檢測及幀格式檢測等，通過一個16位波特率選擇寄存器，可將比特率設(shè)定為超過65000個不同的速度。PFC在接收到DC發(fā)送的數(shù)據(jù)后才向DC發(fā)送數(shù)據(jù)。PFC向DC發(fā)送的信息包括：輸入交流電壓值（包括單相和三相A、B、C相）， 輸入交流電流值（包括單相和三相A、B、C相），PFC母線電壓值（包括總母線、正母線和負母線），PFC的故障位， PFC采樣的溫度值，PFC的運行狀態(tài)（包括待機、故障、啟動、運行），PFC的環(huán)路參數(shù)（Kp、Ki）， 輸入電壓和輸入電流校準(zhǔn)值（K和B值），PFC的調(diào)試變量（上位機顯示窗口，用來PFC的調(diào)試變量顯示）。DC在上電后主動給PFC發(fā)通信數(shù)據(jù)，主循環(huán)發(fā)送，發(fā)送周期為10ms，發(fā)送的信息包括：給PFC的開關(guān)機命令、 給PFC的工作模式命令（包括正向充電、并網(wǎng)V2G、離網(wǎng)、V2V、單相輸入等）、給PFC母線電壓的請求、4 DC的采樣溫度值、給PFC的輸入電壓和輸入電流的校準(zhǔn)K、B值設(shè)定、DC的運行狀態(tài)(包括待機、故障、啟動、運行)、電池電壓（主要用在PFC反向輸出時的功率控制）、風(fēng)扇占空比請求、PFC反向輸出的限流值、FCT 模式請求、靜音模式請求、待機模式請求。
ＤＣ和CCU之間的信息流
ＤＣ的具體信息處理是DC控制單板，之前都是基于DSP實現(xiàn)的，現(xiàn)在流行用ARM來實現(xiàn)。ARM的成本更低，資源更豐富。CCU一般都是用ARM來實現(xiàn)的。 CCU向ＤＣ發(fā)送01和02兩種ID的信息。內(nèi)容包括2類：第1類：每隔250ms發(fā)送如下6種信息：1，開機 ? ? 2，關(guān)機 ? ?3，電壓給定 ? 4，電流給定 ?5，兩種不同的降額系數(shù) ?6，模式（標(biāo)準(zhǔn)、靜音）。? 第2類：ＣＣＵ隨機發(fā)送查詢指令，ＤＣ實時返回查詢結(jié)果。ＤＣ向ＣＣＵ發(fā)送20和21兩種ID的信息。內(nèi)容包括2類：第1類：ＤＣ每隔200ms發(fā)送4種信息：1，輸出電壓 ?2，輸出電流 3，工作狀態(tài) ?4，主要故障。第2類：ＤＣ每隔1s發(fā)送模塊的所有故障信息。主要故障信息和所有故障，是模塊廠家自己定義的。
TCU和CCU之間的信息流
TCU和CCU可以合并為一個ARM的硬件平臺。如采用兩個ARM，它們之間的通信內(nèi)容包括：CCU主動定時向TCU發(fā)送的數(shù)據(jù)主要包括：遙信遙測定時5S間隔時間發(fā)送：當(dāng)前輸出電壓、電流、功率、電量、SOC、BMS需求電壓電流、充電模式、BMS測量充電電壓電流、槍頭溫度、電池電壓、交流輸入電壓、電池組相關(guān)數(shù)據(jù); ?CCU狀態(tài)幀定時1s間隔時間發(fā)送：工作狀態(tài)、車輛連接狀態(tài)、電子鎖、急停、接觸器、各故障位、告警位狀態(tài)。CCU 特定狀態(tài)下向TCU發(fā)送的數(shù)據(jù)主要包括：充電停止原因、BMS電池相關(guān)信息（允許充電電壓電流等）、充電機輸出能力、絕緣阻值、故障信息等；VIN碼識別到后發(fā)送VIN碼。TCU主動定時向CCU發(fā)送的數(shù)據(jù)主要包括：遠程服務(wù)是否可用。TCU特定狀態(tài)向CCU發(fā)送的數(shù)據(jù)主要包括：設(shè)置充電功率、電子鎖控制、充電啟動、充電停止、充電模式設(shè)置、急停命令等。
TCU 和云平臺之間的信息流
TCU和云平臺的協(xié)議交互，各家車企都不完全一致，但大體類似。通常包含以下內(nèi)容：
登錄信息：樁的版本信息、樁號、樁類型、槍數(shù)、網(wǎng)絡(luò)連接信息、SIM卡信息等
心跳信息：TCU主動定時發(fā)送，云端回應(yīng)
費用模型信息：不同時段的費用信息，可以由TCU向云端查詢費用信息，云端下發(fā)具體費用信息
TCU定時上傳樁的狀態(tài)信息：訂單號、樁號、槍號、狀態(tài)、充電電壓電流、槍溫、累計充電時間、剩余充電時間、充電電量、故障位等
TCU不同階段上傳的信息：與車輛充電交互不同階段，將充電樁和BMS交互的相關(guān)信息上報給云端（握手階段、參數(shù)配置階段、充電結(jié)束階段、錯誤報文、中止報文、充電過程報文）
TCU主動向云端發(fā)起充電啟動請求，云端回應(yīng)
云端主動向TCU下發(fā)充電啟動或停止，YCU回應(yīng)
云端主動向TCU下發(fā)的設(shè)置命令：充電功率設(shè)置、對時設(shè)置、遠程重啟、遠程升級等。YCU回應(yīng)
云平臺和云平臺之間的信息流
充電樁的云和云互聯(lián)互通，國內(nèi)一般遵循《T／CEC 102.1—2016電動汽車充換電服務(wù)信息交換》標(biāo)準(zhǔn)。通信內(nèi)容主要包括以下：
不同云平臺之間的認證服務(wù)：獲得互聯(lián)互通的認證許可
運營管理云向控樁云發(fā)送請求充電命令、停止充電命令、查詢充電狀態(tài)
充電命令：訂單號、樁號、槍號?？貥对品祷貑咏Y(jié)果和訂單狀態(tài)
停止充電命令：訂單號、樁號、槍號?？貥对品祷貑咏Y(jié)果和訂單狀態(tài)
查詢充電狀態(tài)：訂單號。控樁云返回：訂單狀態(tài)、接口狀態(tài)、交流輸入電壓、電流、開始充電時間、本次采樣時間、累計充電電量、累計電費、累計服務(wù)費、累計總金額、平均功率、當(dāng)前功率
控樁云向運營管理云發(fā)送推送報文：啟動充電結(jié)果、充電狀態(tài)、停止充電結(jié)果、充電訂單信息、設(shè)備狀態(tài)變換、訂單對賬結(jié)果
啟動充電結(jié)果、充電狀態(tài)、停止充電結(jié)果與上面內(nèi)容相同，運營管理云收到后返回確認信息
充電訂單信息：運營商編碼、時間戳、訂單號、開始充電時間、結(jié)束充電時間、充電量、總電費、總服務(wù)費、累計金額、充電結(jié)束原因。運營管理云收到后返回確認信息
設(shè)備狀態(tài)變換：運營商編碼、時間戳、訂單號、充電樁接口狀態(tài)、車位狀態(tài)、地鎖狀態(tài)、故障詳情、故障原因、處理措施。運營管理云收到后返回確認信息
訂單對賬結(jié)果：運營商編碼、時間戳、訂單對賬流水號、開始充電時間、結(jié)束充電時間、訂單數(shù)量、總電量、總金額、訂單列表、充電訂單號、累計充電電量、累計總金額。運營管理云收到后返回：訂單對賬流水號、開始充電時間、結(jié)束充電時間、爭議訂單數(shù)量、總電量、總金額、訂單列表、充電訂單號、累計充電電量、累計總金額
CCU和BMS之間的信息流
如前述，CCU和BMS之間的通信協(xié)議由國標(biāo)27930定義。CCU和BMS之間總共有22種報文，報文代號和報文描述整理如下。整個充電過程，請參考我們之前的文章。直流充電樁充電過程詳述（下?專業(yè)版-001）：充電控制時序從T0到T3，物理連接完成，低壓輔助上電︱“充電樁之芯及其它”系列之七
直流充電樁充電過程詳述（下? 專業(yè)版-002）：充電握手，絕緣檢測和電壓泄放，從T4到T11︱“充電樁之芯及其它”系列之八
直流充電樁充電過程詳述（下? 專業(yè)版-003）：充電參數(shù)配置-充電-充電結(jié)束，從T12到T21︱“充電樁之芯及其它”系列之九
手機掃碼到充電結(jié)束的信息流如下：? 用戶用手機掃描充電樁屏幕上的二維碼。手機APP（或小程序）獲取二維碼包含的充電樁唯一編碼和槍口序號，用戶點擊啟動或者停止按鈕時，手機會通過運營商無線網(wǎng)絡(luò) ( 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 https) 將啟動 / 停止這樣的操作命令、充電樁唯一編碼、槍口序號以及用戶在 app 中唯一識別號一起作為一包數(shù)據(jù)發(fā)往阿里云 ECS 服務(wù)器。? 阿里云 ECS 服務(wù)器接收到上面的一包完整數(shù)據(jù)以后，判斷用戶身份，用戶權(quán)限，用戶余額，當(dāng)確認用戶有權(quán)開機，該服務(wù)器最終通過運營商無線網(wǎng)絡(luò) ( 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 TCP/IP，MQTT) 將向充電樁下發(fā)一個啟動 / 停止命令數(shù)據(jù)包包含啟動 / 停止命令等信息。? 充電過程中樁定時（10秒）向阿里云 ecs服務(wù)器上報當(dāng)前電量，電費，電壓，電流，樁和槍口唯一識別號等信息。信息通過運營商無線網(wǎng)絡(luò) ( 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 TCP/IP，MQTT) 發(fā)往阿里云 ECS 服務(wù)器。? 充電過程中，用戶刷新ＡＰＰ查看充電過程中的電量，電費信息時，手機會通過運營商無線網(wǎng)絡(luò) ( 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 https) 向服務(wù)器發(fā)送一個查詢命令，查詢命令也包含充電樁唯一編碼，槍口序號以及用戶在 ＡＰＰ中唯一識別號。阿里云 ECS 服務(wù)器收到以后判斷用戶身份，用戶權(quán)限，查找到暫存在服務(wù)器中的充電樁最新實時充電的數(shù)據(jù)，通過運營商無線網(wǎng)絡(luò) ( 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 https) 返回到手機ＡＰＰ，刷新顯示數(shù)據(jù)。
使用微信小程序，手機收發(fā)的數(shù)據(jù)都是通過騰訊的云服務(wù)器再轉(zhuǎn)發(fā)的阿里云的服務(wù)器。但在理解整個數(shù)據(jù)流工作機制可以忽略這一點，也就是當(dāng)做沒有騰訊的服務(wù)器。與充電樁直連的是阿里云的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器（MQTT），理解數(shù)據(jù)流工作機制的時候也可以忽略。在理解充電系統(tǒng)時，可簡單認為手機ＡＰＰ的數(shù)據(jù)和樁的數(shù)據(jù)都連接到一臺在阿里云的 ECS 云服務(wù)器，或者理解成騰訊的服務(wù)器和阿里云物聯(lián)網(wǎng) MQTT 服務(wù)器和阿里云 ECS 服務(wù)器合成為一個阿里云 ecs 服務(wù)器?！?/p>
