BMS與直流充電機CAN通信網絡通信品質的分析與評價

于紅秀，王嬌嬌，李 曉，陳 赫

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

2015～2016年中國新能源汽車呈現爆發式增長，產量37.9萬輛，同比增長3.5倍，2017年的持續增長使得中國成為全球最大的新能源汽車的增量市場。在未來5年全國新能源汽車將達500萬輛保有量的政策目標的預期之下，預計到2020年前新能源汽車產量將會保持大約40%的年復合增速，未來5年繼續高增長勢頭。

發展新能源汽車的關鍵問題之一就是解決其在使用過程中的充電問題。新能源汽車之所以無法與傳統汽車競爭的主要原因在于其電池充電速度慢、續航里程短。目前電動汽車的充電方式主要分為直流充電和交流充電兩種，一般交流充電的充電功率不超過100kW，而且充電速度較為緩慢，為提高新能源汽車在發展中的競爭力，發展大功率直流充電技術成為一種趨勢。為保證直流充電的規范性，國家在2015年底出臺了GB／T 27930－2015，對充電過程中BMS與非車載充電機CAN通信網絡的通信過程做了詳細的規定與要求，其目的在于最大程度上統一BMS與非車載充電機的充電過程，減少差異，提高兼容性。

新能源汽車是中國汽車發展的重要方向，作為其關鍵性技術之一的電動汽車整車通信網絡技術已經成為國內電動汽車研究領域的熱點課題。在電動汽車實際使用過程中，實現車輛與非車載充電機的充電互聯互通是整個行業最為關心的問題。通過對一些車輛及非車載充電機的檢測發現，測試合格的車輛及非車載充電機進行充電匹配測試時會出現無法充電的現象，對其數據進行采集分析發現：在充電過程中，BMS與非車載充電機CAN通信網絡的通信品質不穩定導致了均符合國標的車輛與非車載充電機無法匹配充電；除此之外，還有在不改變BMS及非車載充電機程序時，在不同時間對相同測項進行測試，一次測試通過，另一次不通過的現象產生，在對該問題進行分析后發現主要是由數據通信過程中的不穩定導致。因此，BMS與非車載充電機之間CAN通信網絡在充電過程中的穩定性，直接關系到電動汽車使用性能。目前，國內外整車企業及儀器設備企業對BMS與非車載充電機之間CAN通信網絡在充電過程中的穩定性都有極大的關注，都在積極探索BMS與非車載充電機之間CAN通信網絡在充電過程中的穩定性試驗評價技術。

對于上述問題，在國家新出臺的幾項充電國標中有關的條款略顯不足。GB／T 27930－2015只是規定了BMS與非車載充電機之間CAN通信網絡在充電過程中的數據交互流程，并未對該交互過程的穩定性提出具體要求。目前已有相關企業開始著手該方面的測試分析研究。

綜上所述，BMS與非車載充電機之間CAN通信網絡在充電過程中的穩定性評價將是解決充電互聯互通的關鍵所在。

2 測試平臺系統硬件開發

測試平臺主要由直流充電機通信系統、數據采集控制系統、BMS通信系統等3部分組成。由于測試平臺集成的各設備分別采用CAN總線、485總線或232總線等不同的通信方式，為實現測試平臺數據的集中采集及對測試平臺各設備的遠程控制，需要開發以單片機為核心、并且基于CAN總線的信息采集及通信方式轉換信息單元，將各設備通信方式統一轉化為CAN總線通信方式，構建測試平臺CAN總線通信網絡硬件平臺。測試系統的主要部分如下。

1）直流充電機通信系統，包括電源模塊、直流充電機通信模塊。其中，電源模塊為車輛充電時提供動力，通信模塊在充電過程中與車輛進行數據交互。

2）BMS通信系統，包括負載和通信系統，用于充電過程中的電能消耗和數據通信，從而測試評價系統通信網絡的通信特性。

3）數據采集、控制系統部分，包括通信控制器、數據采集器、示波器等，主要采用CAN總線進行各設備間輸入輸出數據交互，從而進行各類相關控制參數的采集和控制。

在測試過程中，通過數據采集及控制單元將車輛和充電樁的連接通過中間轉接設備引出，利用轉接設備采集充電過程中的通信數據；由于連接信號已經引出，可通過延長通信線施加相應的干擾，本研究主要在通信線之間施加干擾，對干擾期間相關的數據進行分析對比，得出影響通信品質的主要因素。

2.1 測試平臺系統軟件設計

BMS與直流充電機CAN通信網絡品質的測試系統除了需要進行實時通信，還需要采集CAN網絡中CAN－、CAN+電壓以及響應時間等信息。試驗臺集成的各設備均采用了周立功CAN的通信方式，為了實現試驗臺數據的集中采集以及對試驗臺各設備的控制，構建試驗臺CAN通信網絡信息單元作為CAN總線網絡的節點，在完成所指定的信號采集任務的同時，還接收工控機發送的CAN報文信息，對報文進行解析，然后按照目標設備的通信協議將控制命令信息重新打包傳遞給相應設備，實現基于CAN總線的通信控制。

2.2 測試平臺系統軟件設計的評價參數

2.2.1 通信數據的完整性

此參數是指在充電過程中，整車和充電樁之間的通信數據無漏幀丟幀的現象出現，數據保持完整。電動汽車充電過程中如何保證通信數據完整無損的進行傳輸是保證充電順利進行的重要前提。

如圖1所示，測試過程中采集車輛與直流充電機之間通信的數據，并通過測試軟件對數據進行分析。

圖1 數據采集圖

為實現上述功能，在對測試系統軟件設計時，將符合GB／T 27930－2015的通信數據相關數據信息導入軟件系統中，包括數據的字節長度、發送周期、數值范圍等信息，通過編程實現測試系統的可識別功能，對測試過程中出現的數據丟失等情況及時響應。

2.2.2 通信過程的靈敏度

CAN通信數據的靈敏性是指整車或者充電樁在接收完對方的數據之后做出正確響應的時間。本研究將通信過程的靈敏性分為兩個部分：一個方面是在正常通信過程中車輛和直流充電機之間數據的響應情況；另一方面是指在異常條件下車輛和直流充電機的響應能力。

本課題在軟件部分中加入實時顯示波形圖的功能，測試過程中可以通過波形反映數據的靈敏度。除此之外，波形圖中增加故障信號，便于查找故障發生的時刻，進而反映測試樣品響應故障的靈敏度。測試數據響應圖如圖2所示。

2.2.3 CAN通信數據的抗擾性

本研究中的干擾主要是指硬件的干擾，對整車和充電樁之間的通信施加干擾，將干擾中的數據與正常數據進行比對，未出現異常的情況下，抗干擾性為1，異常情況出現超過20次，抗干擾性定義為0，0～20次之間的抗干擾性數值線性變化。同通信過程靈敏度的實現方式類似，測試系統可實時檢測通信信號 （CAN+、CAN－）的電壓波動情況，從而對通信信號的穩定性進行評價。

3 測試方案設計

3.1 CAN通信數據的完整性測試系統

此項目針對車輛和充電機在充電過程中的通信數據的完整性，通過測試臺架，分別讀取車輛和充電樁的通信數據，檢查其數據的完整性。測試臺架如圖3所示。

圖2 測試數據響應圖

在對車輛進行測試時，用到的是圖3中的左半部分和中間部分，右半部分連接的是電動車，在對充電樁進行測試時，左側連接的充電樁。整個測試過程通過控制器對其中的時序和通信情況進行控制和調節，并模擬充電中的各種問題來判斷車輛與充電樁的性能。

3.2 試驗方案

電動汽車與非車載充電機之間的通信數據的穩定性測試采用的是控制變量的方法對不同工況分別進行設定，即每次只考察一個參數，維持其他參數不變。本研究中主要考慮3個參數來設計實驗，分別是數據完整性、數據靈敏性和數據的抗擾性。試驗工況如表1所示。

實驗時，首先測試被測車輛和充電樁的數據完整性，對通信數據完整的樣品進行數據靈敏性測試，對完整性符合且靈敏性較好的樣品進行抗擾性測試。對同一樣品的一系列數據進行比對分析，得出本文的試驗結論。

圖3 測試系統示意圖

表1 實驗工況點

4 測試數據及分析

4.1 通信數據的完整性

本研究對5個車型的數據完整性進行了測試。由于測試過程中數據量大，本研究對測試過程中數據進行了篩選，將關鍵環節的數據整理如表2～表6所示。

表2 樣品1測試數據

表3 樣品2測試數據

表4 樣品3測試數據

表5 樣品4測試數據

表6 樣品5測試數據

試驗過程中，對每個樣品的測試電流均控制在5A，在無干擾情況下，測試所選所有樣品的通信數據均是完整的。GB／T 27930－2015自發布以來，各個車企、充電設施企業以及BMS等相關企業對充電過程中的通信數據進行了調整，由于標準對充電過程進行了規定，需要每一個過程的數據都要完整發送，所以車輛在未加干擾情況下充電成功的通信數據均是完整的，未見異常。

4.2 通信數據的靈敏性

本研究對上述5個樣品的通信數據靈敏度進行了測試與分析，如圖4～圖8所示，圖中橫坐標分別表示如下階段：握手階段、辨識階段、參數配置階段、準備就緒階段、充電階段、充電結束階段、充電統計階段。

圖4 樣品1響應時間

圖5 樣品2響應時間

圖6 樣品3響應時間

圖7 樣品4響應時間

比較上述5個樣品的響應精度可以發現，響應時間的峰值集中在數值4（即準備就緒階段）。車輛和充電樁在準備就緒階段，除了發送數據與對方進行通信外，識別對方數據中的信息進行判定，還需要傳輸數據控制充電繼電器的吸合，此階段的通信靈敏度最差。

圖8 樣品5響應時間

比較5個樣品的數據發現，樣品1在充電準備就緒階段的響應時間約為800ms，樣品4在此階段的響應時間約為300ms，樣品2在此階段的響應時間約為200ms，樣品3和樣品5此階段的響應時間約為120ms。在充電準備就緒過程中每幀數據的發送周期有50ms／250ms等，穩定精度較好的樣品與穩定精度差的樣品在時間上相差約680ms，相差約13／2個數據周期，可見市面上的產品在通信系統的響應精度還是存在明顯差別的。

此項測試也說明，當車輛或者充電樁在通信的同時需要處理其他流程時，通信靈敏性會變差。GB／T 27930－2015中規定車輛與非車載充電機之間的節點應由BMS與充電機兩個節點組成，若是車輛或者充電樁內部某個部件共用此節點，會導致除了充電的國標報文外有其他報文進入對方的識別系統，干擾充電樁和車輛的識別速率，影響充電過程。但是車輛和充電樁的數據負載率究竟有多大，有待進一步研究。

4.3 通信數據的抗干擾性

由于樣品情況及時間等原因，此項目僅針對其中1個車型和1個充電樁進行。

本研究中采用的測試干擾為浪涌沖擊和傳導抗擾兩種，施加原則與整車EMC測試時的干擾等級一致，分別施加浪涌沖擊1～4級以及傳導抗擾1～4級干擾，將未施加干擾時的數據和施加不同等級干擾時的數據進行比較發現，隨著干擾等級的增加，CAN通信數據出現故障的次數逐漸增加。現場測試如圖9所示，測試數據如圖10～圖14所示。

圖9 現場測試圖

圖10 正常充電數據

圖11 施加1級和2級干擾的數據

圖12 施加3級干擾時數據

圖13 樣品1施加4級干擾時數據

圖14 樣品2施加4級干擾時數據

由上述數據，對通信系統未施加干擾以及施加等級較低的干擾時，通信系統不受干擾影響，通信數據完整準確，隨著干擾等級的逐漸增大，通信數據開始出現異常，并且異常數據出現的頻率隨著干擾等級的增加在不斷增加，當干擾增加到4級時，異常數據的出現頻率已經達到了一個較高值，試驗中發現即使在4級的干擾情況下也未影響車輛和充電樁之間正常充電的進行。但在干擾施加和撤離的瞬間，充電的電流和電壓都有一個明顯的突變，影響充電體驗。

5 總結

本研究對充電過程中車輛與非車載充電機之間的CAN通信網絡進行了研究，研究對象是通信網絡的穩定性，并通過3個參數對通信網絡的穩定性進行了評價，分別是通信數據的完整性、靈敏性以及抗擾性。通過設計不同的測試方案，對CAN通信網絡的整體情況得出如下結論。

1）所選測試樣品在未加干擾時均可保證通信數據的完整性。

2）所選測試樣品在未加干擾時均可在指定時間內響應對方的通信數據并回復；通信數據的靈敏性會隨著車輛或者充電樁控制充電系統其他部件的增加而變弱。

3）所選測試樣品可承受一定程度的浪涌沖擊和傳導抗擾，但隨著干擾等級的增加，通信品質變差，通信中出現的錯誤也會增加。

6 展望

針對本研究得出的結論，建議后面的工作圍繞以下幾個方面開展。

1）增加軟件干擾測試部分，即在正常充電過程中，發送幀ID、幀內容等不在標準范圍內的數據對通信過程進行干擾，并變換干擾數據的發送周期，找出被測系統的CAN容錯率，為標準的條款提供數據支撐。

2）增加干擾等級及干擾存在時間，在本研究的基礎上，增加干擾等級及干擾施加時間，直至充電失敗，找出被測充電系統的抗干擾程度。

3）設計一些針對CAN通信的測試方案，例如CAN+、CAN-電壓異常、阻值異常等情況，從硬件和軟件兩個角度分析影響CAN通信品質的因素。