一种适合V2H技术的智能家居系统

成 瑞，陈 静，曹 毅，朱鹏兴，文 力

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)

科技与应用

一种适合V2H技术的智能家居系统

成 瑞，陈 静，曹 毅，朱鹏兴，文 力

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)

以电动汽车接入普通家庭为研究对象，研究电动汽车电池管理系统与家庭能量管理控制器之间的通信。比较了几种主流的总线式智能家居管理系统的优缺点，提出了以CAN总线为网络的智能家居系统。同时使用目前主流ARM单片机控制器和无线WIFI模块，将家庭数据上传至中国移动物联网ONENET，实现实时查看家庭环境信息、汽车电池管理系统信息和远程控制家庭电器设备。

电动汽车接入家庭电网; CAN总线; 中国移动物联网; 电动汽车

伴随着电动汽车入网技术的快速发展，电动汽车与家庭住宅配电网进行双向互动的智能家居微电网也倍受关注，它以电动汽车电池作为分布式储存电能的载体，在用电低谷时对电动汽车进行充电，在用电高峰或特殊情况时为家庭供电[2,7]。美国加州大学戴维斯校园建立了美国第一个零能耗概念的本田智能家居系统(Honda Smart Home System, HSHS)，用于研究智能家居微电网系统的能量管理。在2011年日本大地震破坏了日本的电力系统后，日本各大汽车制造商分别将V2H (vehicle to home) 技术应用于各自的电动汽车上，民众可以使用电动汽车为家庭和小型商业楼供电。

大量的文献表明汽车接入家庭能源系统是一种可行、经济的方式。文献[1]说明了在有序充电情况下，电动汽车充放电对电网和用户都是有利的。在文献[3]中，作者通过对V2H系统组成方面的研究，分析了当前国际V2H技术的研究及应用现状。文献[4]通过建立二次规划模型，使用MATLAB得到结果V2H可以有效地降低用电成本。国内在电动汽车入网技术方面的研究起步相对较晚，文献[5]提出了一种包含光伏及储能设备的家庭能量协同调度策略，指出合理的蓄电池等储能设备有利于光伏能量的转移。

随着电动汽车数量的增多，会给家庭和电网带来巨大的影响[6]，V2H的诞生就是为了解决这个难题。最新的GB-T 27930-2015标准规定了汽车电池管理系统与充电机之间的通信协议,该协议即是采用CAN通信标准。电动汽车与家庭之间使用CAN总线进行信息交互，可以使汽车的充放电变得更加智能。本文考虑到未来的家庭用电方式，主要研究了电动汽车电池管理系统与家庭能量管理控制器之间的通信，基于CAN网络、ARM单片机控制器和无线WIFI模块，实现实时查看家庭环境信息、汽车电池管理系统信息和远程控制家庭电器设备等功能。

1. 电动汽车充电新标准

在2015年12月，中国电力企业联合会、中国汽车技术研究中心等单位历时两年的试验和研究，修订完成了GB/T 20234.1-2015《电动汽车传导充电用连接装置通用要求》和GB/T 27930‐2015《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》等标准。新标准对充电接口和通信协议进行了全面系统的规范，为充电设施质量保证体系提供了技术保障，确保了电动汽车与充电设施的互联互通，避免了市场的无序发展和充电“孤岛”，对增强购买使用电动汽车消费信心将起到积极的促进作用。电动汽车与家庭智能家居之间的信息流动成为新的研究方向。

2．智能家居系统网络分析

目前大多数的智能家居系统都是单点式智能家居，即使用手机通过无线控制WIFI、蓝牙等设备，却无法控制更多的家庭设备。当使用V2H技术，需要对家庭的能量和其他用电设备进行控制，而采用总线式的智能家居管理系统能够将更多的家庭设备连接在一起。

目前常用的总线技术有RS-485总线、LonWorks总线、CAN总线等。表1是几种常用总线之间的性能比较和分析。

表1 几种常用总线技术

通过比较分析及市场调查，本文最终选用CAN总线实现各子系统间的数据通信。家庭用充电机通过接口的CAN总线(CAN_H和CAN_L)可以获取电动汽车动力电池的SOC(荷电状态)、电池电压及充电需求，能够以更加智能的方式管理家庭用电和电动汽车用电。

3. 系统硬件

适用于汽车的智能家居系统包括多个组成部分，如图1所示。一方面家庭能量管理控制器负责与电动汽车BMS(电池管理系统)进行通信，获取电池管理系统的状态参数。另一方面，家庭能量管理控制器在CAN总线上获取光伏板的电压、电流、功率和家庭环境温度与湿度等信息，实现能量的智能调度。同时使用ONENET云平台技术，将所有信息上传互联网，实现数据的实时查看并控制家庭用电。

图1 智能家居系统

智能家居系统的演示试验实物图如图2所示，主要由家庭能量管理控制器、电动汽车BMS、光伏板控制器和家庭环境控制器组成，所有控制器核心均采用ST公司的Cortex-M3增强型微控制器STM32F103。电动汽车(BMS)电池管理系统采用专业的可充电电池保护芯片BM3451，具有防止过充、过放、过流的功能以及均衡控制和温度保护等功能。STM32微控制器自带支持CAN2.0B协议，采用电平转换芯片TJA1050就可实现各个控制器之间的CAN通信。同时系统使用霍尔传感器采集电流信息。家庭能量管理控制器为主控制器，使用ESP8266芯片传输数据至ONENET物联网云平台。

图2 智能家居系统的演示试验实物图

4.系统软件

家庭能量管理控制器的系统软件主要包括数据采集部分、数据上传部分和远程控制部分。其中图3是家庭能量管理控制器的主流程图，家庭能量管理控制器通过连接家庭WIFI，将CAN线获取到的所有信息上传至ONENET物联网云平台，再通过云端命令控制家庭的用电情况。

图3 家庭能量管理控制器主流程图

5.系统调试

整个系统采用CAN总线调试，由一个主控制器(家庭能量管理控制器)和几个节点组成拓扑结构。CAN报文调试使用周立功CAN卡，运用上位机对报文传输信息进行校验。

家庭能量控制器通过CAN总线获取到汽车电池管理系统、家庭环境控制器和光伏板控制器等数据，上传至ONENET物联网云平台。如图4为电动汽车动力电池信息。电动汽车电池管理系统将3组单体电池的电压、总电流、温度和SOC传至CAN线上，再通过家庭能量控制器将数据实时上传至ONENET平台，用户可实时查看电动汽车动力电池信息。

图4 电动汽车动力电池信息

图5 室内温度、湿度信息

家庭环境控制器将室内的温度、湿度信息以报文形式发送至CAN线上，再通过家庭能量控制器将数据实时上传至ONENET平台，如图5所示。光伏板控制器同样将采集到的输出电压、电流、温度和功率信息传递给家庭能量控制器，并将所有信息实时上传至ONENET平台，如图6所示。

图6 光伏板输出电压、电流、温度和功率信息

通过ONENET平台，用户可以实时的查看电动汽车电池、室内环境和光伏板的所有信息。同时，用户可通过ONENET云端下发控制指令，如图7所示。

图7 ONENET平台远程控制界面

通过对ONENET远程控制界面的操作，用户可以实现对电动汽车电池充放电控制、光伏板的放电和风扇的开启，实现家庭能量的智能调度。

6. 结论

目前，以CAN总线为主的含电动汽车的智能家居系统的实现存在一定的技术难度，但以长远来看，对家庭是有利的，对国家的能源结构也会产生巨大的影响。通过ONENET等物联网平台，可以很方便的把家庭接入到互联网，实现传统总线智能家居信息的延伸。V2H具有很广的应用前景，希望以后有更多的企业参加V2H的开发中，为我们的生活增添更多的色彩。

[1]胡泽春,宋永华,徐智威等.电动汽车接入电网的影响与利用[J].中国电机工程学报,2012,32(4):1-10.

[2]黄宇,杨健维,何正友等.基于双层离散粒子群优化的智能小区车辆与家庭互动调度策略[J].电网技术,2015(10):2690-2696.

[3]李婉璐.电动汽车V2H能源管理与优化系统[J].黑龙江电力,2012(1):78-80.

[4]武小花,阴晓峰,陈泽宇等.基于二次规划的电动汽车入网充放电策略[J].西华大学学报(自然科学版),2016(5):1-6.

[5]王守相，孙智卿，刘喆.面向智能用电的家庭能量协同调度策略[J]. 电力系统自动化，2015(17):108-113.

[6]李惠玲,白晓民.电动汽车充电对配电网的影响及对策[J].电力系统自动化,2011(17):38-43.

[7]RyuichiYOKOYAMA,KouichirouYOSHIMI,Takahiko MASUDA等.发电不确定性条件下电动汽车对智能家居能量管理的贡献[J].电力系统自动化,2011(22):18-24.

(责任编辑：孙 强)

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A Smart Home System Suitable for V2H Technology

CHENG Rui, CHEN Jing, CAO Yi, ZHU Pengxing, WEN Li

(School of Automobile and Transportation, Xihua University, Chengdu, Sichuan 610039, China)

This article focuses on the electric vehicle (EV) access to ordinary family. and research the the communication between the EV battery management system (BMS) and the home energy management controller. The CAN bus is posed as the network of smart home system, based on the advantages and disadvantages of several mainstream bus used in smart home management systems. The current mainstream ARM micro-controller controller and wireless WIFI module are used to upload data of home to the China Mobile Network ONENET, in order to real-time view of the information of family environment, and EV BMS, as well as remote control of household electrical equipment.

vehicle to home (V2H);CAN bus; ONENET; electric vehicle

2017-06-09

2016年四川省省级大学生创新创业训练项目(201610623061)

成瑞(1992- )，男，四川双流人，2013级车辆工程专业。

TN915

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1671-4385(2017)04-0103-04