Modbus协议网关实现弹性智能电动汽车充电架构
摘要
电动汽车充电的集成需要一种混合通信架构，该架构能够充分利用Modbus和OCPP各自的优势。该架构使用 Modbus 作为弹性的“现场层”协议，用于从现场能源资产实时采集本地数据，并且独立于互联网连接运行。同时，使用OCPP充当“应用层”，管理基于云的用户服务，包括授权、计费和标准化智能充电命令。实现的关键是能在两个域之间进行转换的协议网关，从而实现动态负载管理 (DLM) 等高级应用。该架构提供了一种分层安全模型，将不安全的 Modbus 流量限制在受保护的本地网络中，同时利用 OCPP 强大的加密技术进行面向互联网的通信，从而创建一个弹性且面向未来的解决方案。
▶ 四种通讯架构
架构1：OCPP中央系统模式。OCPP中央系统通过Modbus网关，直接控制充电桩的充电操作、订单管理以及智能充电。对于支持OCPP协议的充电桩，可以省略网关。大部分公共充电站采用这种通讯架构。
架构2：BMS中央系统模式。这种模式下，本地楼宇管理系统BMS直接控制充电桩的充电操作，并负责智能充电和负载管理。此模型非常适合物流仓库等关键基础设施。
架构3：混合模式1，在架构2的基础上，通过Modbus网关接入OCPP充电桩和OCPP中央系统，扩展了充电桩的选择范围，同时实现系统状态和订单远程管理。
架构4：混合模式2，在架构2的基础上，通过Modbus网关接入OCPP中央系统，同时避免了混合模式1可能出现的网关单点故障导致整个系统通讯中断。
▶ 4种架构横向对比
▶ 混合架构：互补角色与整合
强大的智能充电系统使用 Modbus 和 OCPP。Modbus 充当本地主力，无需互联网连接即可从现场能源设备（例如电表和太阳能逆变器）提供可靠的数据。OCPP 充当云指挥官，管理面向用户的充电服务（授权、计费），并从远程中央管理系统 (CSMS) 发送高级智能充电命令。
连接这两个域的关键组件是协议网关，它负责转换数据和命令，实现两种不同优先级的操作模型。
▶ 关键应用：动态负载管理 (DLM)
动态负载管理 (DLM) 是混合架构的关键应用。它可以智能调节电动汽车充电桩的功率，确保设施的总功耗不超过其容量，从而防止过载并避免昂贵的电力升级。在两种混合架构中，本地控制器使用 Modbus 持续轮询建筑物的主电表以获取实时负载数据，然后计算可用的功率预算，发送命令给充电桩限制其功耗。整个控制回路在本地运行，能够快速且灵活地响应不断变化的能源需求。
▶ 混合模式中的安全注意事项
架构3和架构4两种混合模式提供了分层安全策略。Modbus 是一种较旧的协议，没有加密或身份验证等原生安全功能，并且以纯文本形式传输数据。相比之下，现代 OCPP 版本强制使用 TLS 加密，并支持基于证书的强健身份验证。混合架构通过将 Modbus 的使用限制在物理安全且逻辑隔离的本地网络中，从而减轻了 Modbus 的弱点。所有通过互联网的外部通信均由安全的 OCPP 协议处理，从而构建了纵深防御的安全态势。同时架构4还能防止网关单点故障导致整个通讯系统中断。
▶ 结论
通过Modbus协议网关，将 Modbus 的本地弹性与 OCPP 的云管理功能相结合，实现高效可扩展且安全的智能充电系统。
深圳惠志科技有限公司的WIS901系列Modbus协议网关是实现上述混合系统的理想选择：
- 方便实现架构1和架构4两种充电系统通讯架构。
- 可以根据客户设备Modbus MAP提供定制开发。
- 网关通过 EN18031 网络安全认证标准。