電動(dòng)汽車充電協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與問題分析

竇汝鵬，王白俠，李 川

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

電動(dòng)汽車充電協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與問題分析

竇汝鵬，王白俠，李 川

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

以直流充電為基礎(chǔ)的大功率快速充電是國(guó)家倡導(dǎo)的重要發(fā)展方向，GB/T 27930—2015和GB/T 18487.1—2015是整車和直流充電設(shè)施進(jìn)行互聯(lián)互通的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。作為汽車公告強(qiáng)檢項(xiàng)目，為驗(yàn)證整車通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)的一致性，本文設(shè)計(jì)了對(duì)待測(cè)電動(dòng)汽車進(jìn)行通信協(xié)議檢測(cè)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但包括正常充電流程的檢測(cè)，而且能檢驗(yàn)電動(dòng)汽車對(duì)異常情況的處理。基于大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)，歸納出幾種被測(cè)車輛容易出現(xiàn)的通信協(xié)議問題并給出分析。

電動(dòng)汽車；直流充電；通信協(xié)議；測(cè)試系統(tǒng)

在新能源汽車高速發(fā)展和相關(guān)政策的扶持下，中國(guó)電動(dòng)汽車充電設(shè)施產(chǎn)業(yè)開始迅猛發(fā)展，充電便利性是新能源汽車用戶主觀感受的重要影響因素［1］。充電兼容性是充電便利性的核心問題，要實(shí)現(xiàn)充電的互聯(lián)互通，關(guān)鍵是確保技術(shù)基礎(chǔ)。為保證充電過程的安全可控，2015年底，中國(guó)發(fā)布了《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議GB/T 27930—2015》（以下簡(jiǎn)稱GB/T 27930—2015）［2］和《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求 GB/T 18487.1—2015》（以下簡(jiǎn)稱GB/T 18487.1—2015）［3］。目前，電動(dòng)汽車充電方式主要有直流充電和交流充電兩大類。國(guó)家提出的發(fā)展方向：大功率充電以減少用戶的等待時(shí)間，而直流充電是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的基礎(chǔ)。為了驗(yàn)證待測(cè)電動(dòng)汽車的直流充電協(xié)議是否符合標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)在進(jìn)行有效性驗(yàn)證后，測(cè)試了大量的電動(dòng)汽車，并對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，為中國(guó)實(shí)現(xiàn)充電互聯(lián)互通提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GB/T 18487.1—2015的附錄B給出了直流充電控制導(dǎo)引電路與控制原理的示意圖，描述了電動(dòng)汽車與非車載充電機(jī)連接的線路圖和直流充電控制的時(shí)序圖［4］。本測(cè)試系統(tǒng)模擬的是非車載充電機(jī)端對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行測(cè)試，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)給出的原理圖進(jìn)行完善和擴(kuò)充。硬件平臺(tái)參照直流充電控制導(dǎo)引電路原理圖的充電機(jī)端，軟件平臺(tái)按照充電連接控制時(shí)序和狀態(tài)流程圖進(jìn)行動(dòng)作。

1.1 硬件平臺(tái)

根據(jù)測(cè)試需求，測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由測(cè)試主機(jī)、供電電源、充電接口模擬模塊、CAN協(xié)議收發(fā)模塊4部分組成。

1）測(cè)試主機(jī)：是裝有測(cè)試軟件的筆記本電腦，它可以模擬充電樁對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)出充電報(bào)文，分析電動(dòng)汽車回復(fù)的報(bào)文，根據(jù)電動(dòng)汽車的需求控制供電電源通過充電接口對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行完整的充電動(dòng)作。

2）供電電源：接收由測(cè)試主機(jī)根據(jù)與電動(dòng)汽車的通信報(bào)文分析出的需求對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行直流充電。

3）充電接口模擬模塊：模擬充電樁的充電接口進(jìn)行動(dòng)作，這個(gè)模塊里還裝配了1個(gè)車輛控制器所需的低壓輔助電源。

4）CAN協(xié)議收發(fā)模塊：測(cè)試主機(jī)通過這個(gè)模塊與電動(dòng)車輛進(jìn)行報(bào)文交互［5］。

這4部分的交互示意如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

圖1 測(cè)試平臺(tái)硬件示意圖

圖2 測(cè)試平臺(tái)硬件實(shí)物圖

1.2 軟件平臺(tái)

GB/T 27930—2015提供更完整的充電時(shí)序流程圖［6］，描述了具體的報(bào)文交互時(shí)序，包括正常充電時(shí)序和異常解決方案。由于流程圖兼顧了充電機(jī)和電動(dòng)車輛，為了有針對(duì)性的測(cè)試，本系統(tǒng)提出的解決方案只針對(duì)電動(dòng)車輛端，并將正常充電和各種異常處理分別進(jìn)行測(cè)試，這樣有利于問題的定位與分析。

1.2.1 正常充電流程

充電過程包括6個(gè)階段：物理連接、低壓輔助上電、充電握手階段、充電參數(shù)配置階段、充電階段和充電結(jié)束階段。從握手階段開始，如果測(cè)試系統(tǒng)沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到電動(dòng)車輛回復(fù)的正確報(bào)文，則進(jìn)入錯(cuò)誤處理狀態(tài)，報(bào)文說明如表1所示，正常充電流程如圖3所示。

從圖3可以看出，在正常充電流程中，BMS沒有回應(yīng)相應(yīng)的報(bào)文，系統(tǒng)就進(jìn)入錯(cuò)誤處理，彈出對(duì)話框提示測(cè)試人員。該項(xiàng)測(cè)試能將被測(cè)電動(dòng)汽車充電通信流程中的時(shí)序和報(bào)文進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證該車輛是否能按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行充電。

圖3 正常充電時(shí)序流程

1.2.2 異常處理

系統(tǒng)對(duì)異常處理的測(cè)試包括：充電機(jī)發(fā)生的各種故障、充電樁參數(shù)不合適、CHM延時(shí)、CRM延時(shí)、CCS延時(shí)、CSD延時(shí)、充電樁準(zhǔn)備就緒延時(shí)等。測(cè)試系統(tǒng)通過模擬各種異常來測(cè)試電動(dòng)車輛的處理結(jié)果，測(cè)試用例如表2所示。通過這些測(cè)試用例，系統(tǒng)覆蓋了標(biāo)準(zhǔn)中涉及的各種異常處理，并且能準(zhǔn)確判斷被測(cè)電動(dòng)車輛在處理這些異常時(shí)是否能按照標(biāo)準(zhǔn)給出的處理方式進(jìn)行操作。

表1 報(bào)文代號(hào)與描述

表2 測(cè)試用例

2 系統(tǒng)驗(yàn)證

本系統(tǒng)在投入使用前進(jìn)行了自測(cè)，用來檢驗(yàn)該系統(tǒng)是否嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)中的充電時(shí)序流程圖進(jìn)行動(dòng)作。圖4抓取了一個(gè)完整充電流程的波形和報(bào)文。為了便于分析，圖4中只保留了充電時(shí)的實(shí)際電壓和電流、CCS中的輸出電壓和電流，BCS中的充電電壓和電流，BCL的需求電壓和電流。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定充電時(shí)電流值是負(fù)的，所以圖4中電壓都是正值而電流都是負(fù)值。

圖4 完整充電流程的波形和報(bào)文

由于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在物理連接后，充電機(jī)需要先進(jìn)行絕緣檢測(cè)，然后投入泄放電路再發(fā)送報(bào)文進(jìn)行充電流程。所以圖4中電壓會(huì)先有個(gè)峰值，接著電壓為0，然后再有一個(gè)電壓進(jìn)行充電，最后結(jié)束充電，電壓電流歸0。絕緣檢測(cè)和正常充電在圖4中進(jìn)行了標(biāo)注，整體流程的電壓、電流波形遵循了標(biāo)準(zhǔn)，接著檢查具體點(diǎn)的值是否正確。圖4中右上方光標(biāo)處的充電狀態(tài)和下半部分顯灰的報(bào)文是同一時(shí)間點(diǎn)的，此時(shí)，BCL的值是十六進(jìn)制的F6 0E D8 0E 02。GB/T 27930—2015給出了BCL的報(bào)文含義，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)化后得到電壓值383 V，電流值-20 A，與實(shí)際電壓值375.3 V，實(shí)際電流值-19.7 A接近，這說明本系統(tǒng)及時(shí)地響應(yīng)了BMS的充電需求。從圖中還可以看出，BCS、CCS與BCL的波形幾乎重合，說明測(cè)試系統(tǒng)回應(yīng)的報(bào)文也能及時(shí)地吻合被測(cè)電動(dòng)車輛的需求報(bào)文。

綜上所述，該測(cè)試系統(tǒng)能夠嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)待測(cè)電動(dòng)車輛進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)符合性檢查。

3 通信協(xié)議常見測(cè)試問題分析

本系統(tǒng)在測(cè)試了上百輛電動(dòng)汽車后，對(duì)所測(cè)問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，常見問題主要包括：有的電動(dòng)汽車發(fā)送的報(bào)文格式、周期存在問題；系統(tǒng)模擬充電機(jī)故障、參數(shù)不合適或充電機(jī)延時(shí)的報(bào)文時(shí)，電動(dòng)汽車回饋錯(cuò)誤。

3.1 報(bào)文格式、周期

系統(tǒng)測(cè)試的是充電機(jī)與BMS之間基于CAN的通信協(xié)議，所以只應(yīng)該有這2點(diǎn)之間的報(bào)文，這2點(diǎn)的通信地址分別為56H（充電機(jī)）和F4H（BMS）。圖5是接收到了這2點(diǎn)地址以外的報(bào)文，此問題是由于車輛內(nèi)部的通信與充電的通信共用1個(gè)通信通道，如果設(shè)計(jì)不合理，BMS可能會(huì)發(fā)給充電機(jī)與整車通信的報(bào)文。

圖5 報(bào)文地址不正確

有的報(bào)文沒有按照標(biāo)準(zhǔn)的格式發(fā)出，如圖6的BHM，規(guī)定是2個(gè)字節(jié)，這里是8個(gè)字節(jié)。

圖6 報(bào)文格式不正確

有的報(bào)文沒有按照標(biāo)準(zhǔn)的周期發(fā)出，如圖7的BHM，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定周期是250 ms，這里是349 ms。

圖7 報(bào)文周期不正確

由于目前市面上的充電樁為了能給更多的車輛進(jìn)行充電，做到最大的兼容性，并不對(duì)報(bào)文格式和周期進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，導(dǎo)致報(bào)文格式和周期不符合標(biāo)準(zhǔn)也不影響充電，但是這樣卻增加了報(bào)文分析的難度，周期不檢測(cè)也增加了充電隱患。

3.2 模擬充電機(jī)故障

圖8模擬的是充電樁人工終止（CST的值為04 00 00 00），但是BMS沒有回應(yīng)相應(yīng)的BST，而是繼續(xù)發(fā)送BCL，雖然不會(huì)造成安全問題，但是在邏輯上是錯(cuò)誤的。

圖8 充電樁人工終止

3.3 模擬充電機(jī)參數(shù)不合適和報(bào)文延時(shí)

充電樁參數(shù)不合適是將CML的最高輸出電壓和最低輸出電壓設(shè)置超出電動(dòng)汽車的充電電壓范圍，圖9的最高輸出電壓100 V，低于電動(dòng)車的最低充電電壓，但BRO給出了確認(rèn)（aa）。這種情況可能導(dǎo)致充電樁給出一個(gè)超出電動(dòng)汽車充電電壓范圍的值，電動(dòng)汽車依然可能啟動(dòng)充電，造成危險(xiǎn)。

圖9 充電機(jī)參數(shù)不合適

圖10 模擬的是CCS超時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定超時(shí)1s開始報(bào)錯(cuò)并切斷充電，但是這里最后1次發(fā)CCS到報(bào)錯(cuò)之間間隔超過5 s，如果當(dāng)時(shí)電池處于充滿狀態(tài)，可能會(huì)造成危險(xiǎn)。

在測(cè)試中，有些電動(dòng)客車需要24 V的輔助電源，GB/T 18487.1—2015中明確規(guī)定輔助電源是12 V，這樣就會(huì)導(dǎo)致如果遇到嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的充電樁，車輛就會(huì)充不上電；有的充電樁為了兼容這種電動(dòng)車，設(shè)置的可選輔助電源為12 V和24 V，但如果選到24 V的輔助電源而忘了切換，可能導(dǎo)致12 V輔助電源的電動(dòng)車部件損壞。

圖10 CCS超時(shí)

4 結(jié)論

1） 介紹了電動(dòng)汽車直流通信協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分，由測(cè)試主機(jī)、供電電源、充電接口模擬模塊、CAN協(xié)議收發(fā)模塊4部分組成，每個(gè)模塊功能獨(dú)立，性能穩(wěn)定。

2） 搭建了電動(dòng)汽車直流通信協(xié)議測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分，將標(biāo)準(zhǔn)中相對(duì)復(fù)雜的測(cè)試流程拆分為正常充電和各種異常處理的流程，可以自動(dòng)化測(cè)試電動(dòng)汽車的通信協(xié)議是否符合標(biāo)準(zhǔn)，不但軟件可讀性強(qiáng)，而且有益于問題的定位與分析。

3） 針對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的幾個(gè)常見問題進(jìn)行了分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性。

4） 下一步可以利用該系統(tǒng)顯示的報(bào)文和實(shí)際充電電壓電流之間的差異來分析電動(dòng)汽車充電的反應(yīng)速度與充電效率的影響因素。

［1］ 曲藝.大功率充電漸成行業(yè)新寵［N］.中國(guó)電力報(bào)，2017-04-08（004）.

［2］ GB/T 27930—2015，電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議［S］.

［3］ GB/T 18487.1—2015，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求［S］.

［4］ 王聰慧，喬海強(qiáng)，單棟梁，等.電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)控制導(dǎo)引電路驗(yàn)證設(shè)計(jì)［J］.電源世界，2016（12）：24-27.

［5］ 王堃，奚煜，季睿.基于LabVIEW的CAN總線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017，30（2）：14-15.

［6］ 李旭玲，董晨，馬彥華.電動(dòng)汽車直流充電通信協(xié)議測(cè)試的研究［J］.電氣應(yīng)用， 2015，34（20）：90-92.

Design and Problem Analysis For EV Charging Protocol Testing System

DOU Ru-peng， WANG Bai-xia， LI Chuan
（China Automotive Technology & Research Center， Tianjin 300300， China）

Rapid charging based on the DC charging is an important development directions advocated by the state， the GB/T 27930-2015 and the GB/T 18487.1-2015 are the interoperability standards between EV and DC charging facilities. As mandatory inspection items， in order to verify the consistency between EV’s communication protocol and the standard， This article designs a system to testing EV communication protocols. The system includes not only the normal charging process test，but also the abnormal communication condition. Based on a large number of test data， This article sums up several common problems of EV communication protocol and conducts analysis.

EV； DC charging； communication protocol； testing system

U469.7

A

1003-8639（2017）12-0005-04

2017-09-19；

2017-11-15

竇汝鵬（1986-），男，天津人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉搓P(guān)鍵零部件檢測(cè)。

（編輯 凌 波）