成 瑞，陳 靜，曹 毅，朱鵬興，文 力

(西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039)

科技與應用

一種適合V2H技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

成 瑞，陳 靜，曹 毅，朱鵬興，文 力

(西華大學汽車與交通學院，四川 成都 610039)

以電動汽車接入普通家庭為研究對象，研究電動汽車電池管理系統(tǒng)與家庭能量管理控制器之間的通信。比較了幾種主流的總線式智能家居管理系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出了以CAN總線為網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)。同時使用目前主流ARM單片機控制器和無線WIFI模塊，將家庭數(shù)據(jù)上傳至中國移動物聯(lián)網(wǎng)ONENET，實現(xiàn)實時查看家庭環(huán)境信息、汽車電池管理系統(tǒng)信息和遠程控制家庭電器設(shè)備。

電動汽車接入家庭電網(wǎng); CAN總線; 中國移動物聯(lián)網(wǎng); 電動汽車

伴隨著電動汽車入網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，電動汽車與家庭住宅配電網(wǎng)進行雙向互動的智能家居微電網(wǎng)也倍受關(guān)注，它以電動汽車電池作為分布式儲存電能的載體，在用電低谷時對電動汽車進行充電，在用電高峰或特殊情況時為家庭供電[2,7]。美國加州大學戴維斯校園建立了美國第一個零能耗概念的本田智能家居系統(tǒng)(Honda Smart Home System, HSHS)，用于研究智能家居微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理。在2011年日本大地震破壞了日本的電力系統(tǒng)后，日本各大汽車制造商分別將V2H (vehicle to home) 技術(shù)應用于各自的電動汽車上，民眾可以使用電動汽車為家庭和小型商業(yè)樓供電。

大量的文獻表明汽車接入家庭能源系統(tǒng)是一種可行、經(jīng)濟的方式。文獻[1]說明了在有序充電情況下，電動汽車充放電對電網(wǎng)和用戶都是有利的。在文獻[3]中，作者通過對V2H系統(tǒng)組成方面的研究，分析了當前國際V2H技術(shù)的研究及應用現(xiàn)狀。文獻[4]通過建立二次規(guī)劃模型，使用MATLAB得到結(jié)果V2H可以有效地降低用電成本。國內(nèi)在電動汽車入網(wǎng)技術(shù)方面的研究起步相對較晚，文獻[5]提出了一種包含光伏及儲能設(shè)備的家庭能量協(xié)同調(diào)度策略，指出合理的蓄電池等儲能設(shè)備有利于光伏能量的轉(zhuǎn)移。

隨著電動汽車數(shù)量的增多，會給家庭和電網(wǎng)帶來巨大的影響[6]，V2H的誕生就是為了解決這個難題。最新的GB-T 27930-2015標準規(guī)定了汽車電池管理系統(tǒng)與充電機之間的通信協(xié)議,該協(xié)議即是采用CAN通信標準。電動汽車與家庭之間使用CAN總線進行信息交互，可以使汽車的充放電變得更加智能。本文考慮到未來的家庭用電方式，主要研究了電動汽車電池管理系統(tǒng)與家庭能量管理控制器之間的通信，基于CAN網(wǎng)絡(luò)、ARM單片機控制器和無線WIFI模塊，實現(xiàn)實時查看家庭環(huán)境信息、汽車電池管理系統(tǒng)信息和遠程控制家庭電器設(shè)備等功能。

1. 電動汽車充電新標準

在2015年12月，中國電力企業(yè)聯(lián)合會、中國汽車技術(shù)研究中心等單位歷時兩年的試驗和研究，修訂完成了GB/T 20234.1-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置通用要求》和GB/T 27930‐2015《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》等標準。新標準對充電接口和通信協(xié)議進行了全面系統(tǒng)的規(guī)范，為充電設(shè)施質(zhì)量保證體系提供了技術(shù)保障，確保了電動汽車與充電設(shè)施的互聯(lián)互通，避免了市場的無序發(fā)展和充電“孤島”，對增強購買使用電動汽車消費信心將起到積極的促進作用。電動汽車與家庭智能家居之間的信息流動成為新的研究方向。

2．智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分析

目前大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)都是單點式智能家居，即使用手機通過無線控制WIFI、藍牙等設(shè)備，卻無法控制更多的家庭設(shè)備。當使用V2H技術(shù)，需要對家庭的能量和其他用電設(shè)備進行控制，而采用總線式的智能家居管理系統(tǒng)能夠?qū)⒏嗟募彝ピO(shè)備連接在一起。

目前常用的總線技術(shù)有RS-485總線、LonWorks總線、CAN總線等。表1是幾種常用總線之間的性能比較和分析。

表1 幾種常用總線技術(shù)

通過比較分析及市場調(diào)查，本文最終選用CAN總線實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。家庭用充電機通過接口的CAN總線(CAN_H和CAN_L)可以獲取電動汽車動力電池的SOC(荷電狀態(tài))、電池電壓及充電需求，能夠以更加智能的方式管理家庭用電和電動汽車用電。

3. 系統(tǒng)硬件

適用于汽車的智能家居系統(tǒng)包括多個組成部分，如圖1所示。一方面家庭能量管理控制器負責與電動汽車BMS(電池管理系統(tǒng))進行通信，獲取電池管理系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。另一方面，家庭能量管理控制器在CAN總線上獲取光伏板的電壓、電流、功率和家庭環(huán)境溫度與濕度等信息，實現(xiàn)能量的智能調(diào)度。同時使用ONENET云平臺技術(shù)，將所有信息上傳互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時查看并控制家庭用電。

圖1 智能家居系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)的演示試驗實物圖如圖2所示，主要由家庭能量管理控制器、電動汽車BMS、光伏板控制器和家庭環(huán)境控制器組成，所有控制器核心均采用ST公司的Cortex-M3增強型微控制器STM32F103。電動汽車(BMS)電池管理系統(tǒng)采用專業(yè)的可充電電池保護芯片BM3451，具有防止過充、過放、過流的功能以及均衡控制和溫度保護等功能。STM32微控制器自帶支持CAN2.0B協(xié)議，采用電平轉(zhuǎn)換芯片TJA1050就可實現(xiàn)各個控制器之間的CAN通信。同時系統(tǒng)使用霍爾傳感器采集電流信息。家庭能量管理控制器為主控制器，使用ESP8266芯片傳輸數(shù)據(jù)至ONENET物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

圖2 智能家居系統(tǒng)的演示試驗實物圖

4.系統(tǒng)軟件

家庭能量管理控制器的系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)上傳部分和遠程控制部分。其中圖3是家庭能量管理控制器的主流程圖，家庭能量管理控制器通過連接家庭WIFI，將CAN線獲取到的所有信息上傳至ONENET物聯(lián)網(wǎng)云平臺，再通過云端命令控制家庭的用電情況。

圖3 家庭能量管理控制器主流程圖

5.系統(tǒng)調(diào)試

整個系統(tǒng)采用CAN總線調(diào)試，由一個主控制器(家庭能量管理控制器)和幾個節(jié)點組成拓撲結(jié)構(gòu)。CAN報文調(diào)試使用周立功CAN卡，運用上位機對報文傳輸信息進行校驗。

家庭能量控制器通過CAN總線獲取到汽車電池管理系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制器和光伏板控制器等數(shù)據(jù)，上傳至ONENET物聯(lián)網(wǎng)云平臺。如圖4為電動汽車動力電池信息。電動汽車電池管理系統(tǒng)將3組單體電池的電壓、總電流、溫度和SOC傳至CAN線上，再通過家庭能量控制器將數(shù)據(jù)實時上傳至ONENET平臺，用戶可實時查看電動汽車動力電池信息。

圖4 電動汽車動力電池信息

圖5 室內(nèi)溫度、濕度信息

家庭環(huán)境控制器將室內(nèi)的溫度、濕度信息以報文形式發(fā)送至CAN線上，再通過家庭能量控制器將數(shù)據(jù)實時上傳至ONENET平臺，如圖5所示。光伏板控制器同樣將采集到的輸出電壓、電流、溫度和功率信息傳遞給家庭能量控制器，并將所有信息實時上傳至ONENET平臺，如圖6所示。

圖6 光伏板輸出電壓、電流、溫度和功率信息

通過ONENET平臺，用戶可以實時的查看電動汽車電池、室內(nèi)環(huán)境和光伏板的所有信息。同時，用戶可通過ONENET云端下發(fā)控制指令，如圖7所示。

圖7 ONENET平臺遠程控制界面

通過對ONENET遠程控制界面的操作，用戶可以實現(xiàn)對電動汽車電池充放電控制、光伏板的放電和風扇的開啟，實現(xiàn)家庭能量的智能調(diào)度。

6. 結(jié)論

目前，以CAN總線為主的含電動汽車的智能家居系統(tǒng)的實現(xiàn)存在一定的技術(shù)難度，但以長遠來看，對家庭是有利的，對國家的能源結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生巨大的影響。通過ONENET等物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以很方便的把家庭接入到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)傳統(tǒng)總線智能家居信息的延伸。V2H具有很廣的應用前景，希望以后有更多的企業(yè)參加V2H的開發(fā)中，為我們的生活增添更多的色彩。

[1]胡澤春,宋永華,徐智威等.電動汽車接入電網(wǎng)的影響與利用[J].中國電機工程學報,2012,32(4):1-10.

[2]黃宇,楊健維,何正友等.基于雙層離散粒子群優(yōu)化的智能小區(qū)車輛與家庭互動調(diào)度策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2015(10):2690-2696.

[3]李婉璐.電動汽車V2H能源管理與優(yōu)化系統(tǒng)[J].黑龍江電力,2012(1):78-80.

[4]武小花,陰曉峰,陳澤宇等.基于二次規(guī)劃的電動汽車入網(wǎng)充放電策略[J].西華大學學報(自然科學版),2016(5):1-6.

[5]王守相，孫智卿，劉喆.面向智能用電的家庭能量協(xié)同調(diào)度策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2015(17):108-113.

[6]李惠玲,白曉民.電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響及對策[J].電力系統(tǒng)自動化,2011(17):38-43.

[7]RyuichiYOKOYAMA,KouichirouYOSHIMI,Takahiko MASUDA等.發(fā)電不確定性條件下電動汽車對智能家居能量管理的貢獻[J].電力系統(tǒng)自動化,2011(22):18-24.

(責任編輯：孫 強)

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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年四川省省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(201610623061)

成瑞(1992- )，男，四川雙流人，2013級車輛工程專業(yè)。

TN915

A

1671-4385(2017)04-0103-04