一种电动汽车充电协议的设计与实现

周 侗

（沈阳理工大学自动化与电气工程学院， 辽宁 沈阳 110159）

新能源汽车发展20多年以来，世界主要汽车强国将其提升至国家战略，中国也将新能源汽车作为战略性产业之一，更主动、系统地推动新能源汽车产业的发展。在新能源汽车发展战略中，纯电动汽车（EV） 成为了主要突破口。

在电动汽车充电标准方面，国际上有美国SAE标准体系的ISO 15118和欧洲充电标准体系的DIN 70121，其中ISO 15118标准包括ISO 15118-1～ISO 15118-6几个部分，分别定义了V2G充电网络的基本信息、网络拓扑、物理/数据链路层功能、物理/数据链路层测试及无线充电几部分功能，支持交、直流充电方式；DIN 70121标准仅支持直流充电方式。中国于2015年12月底发布了新修订的《电动汽车传导充电系统》相关的充电系列标准，包括通用要求、交流充电接口、直流充电接口、通信协议等国家标准的内容［1-5］。

有别于前面介绍的国内外电动汽车充电标准，本文设计了一种简单、易用的电动汽车充电协议，本协议属于应用层协议的范畴，不局限于特定的传输技术，类似于现场总线技术中的MODBUS协议。后面在TI TMS570LS12xx硬件平台开发出面向EV充电的通信控制器，在实际应用中验证了充电协议的功能性，达到了预期目的［6-8］。

1 EV充电场景分析

在EV充电应用场景中，EV和供电设备（充电桩，简称EVSE） 之间通过EVCC（EV Communication Controller，EV通信控制器） 进行信息交互（图1），实现EV充电过程中的授权管理、充电控制和充电状态监测等操作，其中授权管理操作包括了充电付费业务，这也是电动汽车能否充电的先决条件。

图1 电动汽车充电业务关系

EV与EVSE之间的通信链路可采用CAN、PLC（Power Line Communication） 等，EV中EVCC通过内部CAN总线连接BMS（Battery Management System） 系统，获取BMS充电的状态信息，如SOC（剩余电量，State of Charge）。

图2为电动汽车充电的总体流程。EV充电过程分为4个阶段：充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段。当EV和EVSE物理连接完成且上电后，双方进入“握手”阶段，EV会将自己的身份信息，即EVCC-ID，上传给EVSE，进行充电之前的“权限核准”操作；“充电握手”阶段完成后，EV和EVSE进入“充电参数配置”阶段，双方就EVSE最大输出能力等参数进行协商，以判断是否能够充电；充电参数配置阶段完成后，则进入“充电”阶段。在整个充电阶段，EVSE实时输出自身输出电流限值，EV则根据整车情况（如环境温度） 及此电流限值综合调整充电功能，同时，EV定时向EVSE发送充电状态供EVSE显示及上传服务器；当EV充电完成（即SOC达到100%），或者用户停止充电（如用户拔枪或） 后，双方进入“充电结束”状态，EVSE停止电流输出，充电过程结束。

图2 电动汽车充电流程

上述各个阶段中，如果EVCC之间在规定时间内没有接收到对方报文或者没有收到正确报文，即判定为超时（超时时间除特殊规定外，一般设为5s）；当出现通信超时后，EVSE或者EV进入错误处理状态，一般会立即停止，进入“充电结束阶段”，结束充电。

2 充电协议设计

本文在参考相关国际标准［6-7］的基础上，结合具体应用需求，提出一个结构简单且可低成本实现的电动汽车充电协议，简称EVCP，具体设计如下。

2.1 EVCP协议模型

结合电动汽车充电业务的特点，EVCP协议模型定义如图3所示。EVCP协议模型采用了OSI参考模型中的物理层、数据链路层和应用层这3层，其中物理层和数据链路层可以支持多种通信技术，如PLC或CAN通信，在数据链路层中增加了一个逻辑链路控制子层（Logic Link Control Sublayer，简称LLC），主要负责通信链路的建立、断开和维护功能。

图3 EVCP协议模型

EVCP协议中LLC子层负责通信过程中的可靠性管理。具体流程如下：LLC子层在接收到完整的远程报文并校验成功后，需要给远程LLC子层发送一个“接收确认”报文，即L_Cnf，表示已经收到远程报文，然后将接收到的远程报文上传给APL层处理，如果接收到的远程报文不正确（例如校验错误），则放弃不回复。

支持EVCP通信协议的EVCC之间通信示例流程如图4所示，示例中左侧EVCC-A为服务发起方。

图4 EV与EVSE之间的通信示例流程

首先，EVCC-A APP 发送服务请求报文（Req），EVCC-B LLC接收到EVCC-A请求报文（Ind） 后，先发送确认报文L-Cnf给EVCC-A LLC，表示已收到Req报文，EVCCA LLC在接收到EVCC-B的L-Cnf报文后，通过A-Cnf服务通知自己上层APP请求报文发送成功，如果EVCC-A LLC在约定时间内未收到来自EVCC-B LLC的确认报文，则通过ACnf服务通知上层APP报文发送失败。

EVCC-B LLC把接收到的EVCC-A请求报文（Ind） 上传到EVCC-B APP处理，EVCC-B APP处理完成后，把响应报文（Rsp） 发送给EVCC-A，EVCC-A LLC在接收到Rsp报文（Cnf） 后，给EVCC-B LLC发送一个L-Cnf报文，表示已经接收到Rsp报文，EVCC-B LLC接收到L-Cnf后，通过A-Cnf服务通知上层APP Rsp发送成功，如果EVCC-B LLC在一定时间内未接收到L-Cnf报文，则认为Rsp发送失败，也通过A-Cnf服务通知上层APP。

EVCC-A在接收到Cnf报文后，处理响应数据，至此完成一个完整的通信流程。需要注意的是，在EVCC之间通信过程中，需要通过L-Cnf报文来确认报文发送成功与否，这也是一种保证通信可靠性的有效机制。

2.2 EVCP帧格式定义

EVCP协议帧格式定义如图5所示。EVCP帧主要包括帧头（6字节）、帧尾（2字节） 和协议数据3个部分，其中“服务数据”区域用于容纳电动汽车充电业务相关的服务数据。

图5 EVCP帧格式

EVCP帧中“长度LE”字段是“服务数据”区域的长度，如图5中灰色区域所示。EVCP帧中“校验字”为“帧头”和“协议数据”两部分内容的“简单累加和”（忽略溢出）。LLC L-Cnf确认帧中“长度LE”值为0，即不包含服务数据内容。EVCP帧序号取值范围为0～255，循环计数，溢出后再从0开始计数。EVCP协议的最小长度为8（6+2=8）。

EVCP通信协议采用“大端模式”，即多字节数据发送过程中，高位在前。EVCP帧格式中的“协议类型”定义参见表1。

表1 “协议类型” 定义

2.3 EVCP充电服务定义

EVCP协议定义了若干充电业务服务，该服务内容在EVCP帧中“服务数据”中发送。具体服务定义如表2所示。

表2 EVCP充电服务定义

EVCP协议支持SessionSetup、PowerDeliverReq、ChargeStatus和SessionStop这4个充电服务，分别对应充电握手、充电参数配置、充电和充电结束4个充电阶段。

表3～表7给出了部分服务的定义，碍于篇幅所限，不做详细说明。

表3 SessionSetup请求服务

表4 SessionSetup响应服务

表5 PowerDeliverReq请求服务

表6 ChargingStatusReq请求服务

表7 SessionStop请求服务

2.4 EVCP协议实现

在前面研究成果的基础上，我们开发了支持EVCP协议的EVCC模块。EVCC开发采用的硬件平台为TI TMS570LS12xx处理器。其物理层采用PLC通信技术，使用高通公司的QCA7xxx系列通信模块，PLC通信速率可达到8Mb/s以上。PLC模块与CPU之间通过串口交换信息。EVCC功能结构如图6所示。

图6 EVCC功能示意图

软件平台为CCS6，采用C语言编程，使用CCS6自带的实时操作系统FreeRTOS。

EVCC提供两路串口，其中一路用于连接高通PLC模块，另外一路连接以太网接口模块或者GPRS接口模块，用于连接云服务器，以便进行用户权限处理。EVCC还提供两路CAN 接口，一路CAN 接口用于连接BMS ECU，以获取BMS的充电状态信息（如SOC值），另一路CAN接口也可用于设备诊断和固件升级。针对基于CAN总线的固件升级方案，我们也开发了基于UDS（Unified Diagnostic Services） 的升级软件。最终EVCC产品在国内某款电动汽车上进行了测试，通过了可行性方面的验证，证明EVCP充电协议在设计方面的完善性和功能性，达到了预期的目的。

3 结论

本文提出了一种适用于电动汽车简单、易实现的充电协议，适配多种传输技术。针对电动汽车的应用场景，充电协议在协议模型、报文结构、服务及参数定义等方面给出了比较详尽的定义。在EVCC通信过程中加入了报文发送确认机制，保证了通信的可靠性，最后给出了一种基于TI单片机的软硬件解决方案。

充电协议还未考虑充电设备（如充电桩） 与云服务器之间信息交互及通信安全保障方面的内容，后续会考虑对这些问题进行补充，扩展充电协议的功能，以适应更广泛的应用场景。