基于心跳機(jī)制的電動(dòng)汽車充電CAN報(bào)文研究

周長(zhǎng)鵬，王智東，李志鋒，馮瑞玨，楊樹(shù)豐，曾獻(xiàn)煜

（1.廣州城市理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣州 510800； 2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640）

引言

“十四五”作為碳達(dá)峰、碳中和關(guān)鍵期和窗口期，以構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系為切入點(diǎn)，大力推進(jìn)綠色能源應(yīng)用的發(fā)展。電動(dòng)汽車憑借能源利用率高、綠色環(huán)保、高度智能等優(yōu)勢(shì)已被納入國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃當(dāng)中，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展將為綠色能源體系建設(shè)提供強(qiáng)有力支撐。截至2021年3月，公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表示，我國(guó)新能源汽車保有量551萬(wàn)輛，其中純電動(dòng)汽車占比81.53 %。在如此龐大的電動(dòng)汽車保有量下，電動(dòng)汽車的核心儲(chǔ)能器件車載電池備受人們關(guān)注，車載電池管理系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響整車性能[1]。目前被人們廣泛應(yīng)用且能源利用率較高的充電方式是通過(guò)充電樁、電纜以及充電槍等組件將電網(wǎng)中的電能輸送給車載電池。電動(dòng)汽車在充電過(guò)程中充電樁與車載電池管理系統(tǒng)之間會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸信息包括溫度值、電壓電流值、充電控制信號(hào)等，這些信息關(guān)乎充電環(huán)節(jié)能否正常進(jìn)行，如果傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生格式錯(cuò)誤或者傳輸鏈路中斷，輕則導(dǎo)致電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)損壞，重則整車報(bào)廢甚至危及人身安全[2,3]。2015年4月，深圳灣口岸一輛電動(dòng)汽車在充電時(shí)發(fā)生自燃，周圍充電樁以及整車均燒毀報(bào)廢，事件的調(diào)查結(jié)果為電動(dòng)汽車在充電完成后充電樁未收到車載電池管理系統(tǒng)的已充滿停止充電指令，導(dǎo)致充電樁沒(méi)有及時(shí)停止充電，車載電池過(guò)充1.2 h并發(fā)生自燃[4]。因此，2015年12月發(fā)布的電動(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）規(guī)定[5]，在各個(gè)階段，充電機(jī)和BMS（電池管理系統(tǒng)）如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到對(duì)方報(bào)文或沒(méi)有收到正確報(bào)文，即判定為超時(shí)，以此來(lái)對(duì)充電通信鏈路進(jìn)行監(jiān)管，以防止數(shù)據(jù)丟失或鏈路中斷導(dǎo)致充電環(huán)節(jié)崩潰。但對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)高效的鏈路中斷檢測(cè)，并沒(méi)有具體的方法。適用于電動(dòng)汽車的充電鏈路檢測(cè)方法應(yīng)具備以下特點(diǎn)，一方面要高效，避免占據(jù)帶寬；另一方面要結(jié)合充電信息的特點(diǎn)，鏈路中斷時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

本文針對(duì)如何高效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車充電鏈路的問(wèn)題，提出一種基于心跳機(jī)制的電動(dòng)汽車充電CAN報(bào)文，通過(guò)心跳報(bào)文的辦法實(shí)現(xiàn)對(duì)充電通信鏈路的監(jiān)管，有效防止車載電池由于充電通信鏈路異常導(dǎo)致過(guò)充問(wèn)題的發(fā)生。

1 充電通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930-2015要求[5]：①充電機(jī)與BMS之間的CAN通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)由充電機(jī)和BMS兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成；②在充電過(guò)程中，充電機(jī)和BMS檢測(cè)電壓、電流和溫度等參數(shù)，同時(shí)BMS管理整個(gè)充電過(guò)程；③充電機(jī)和BMS在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到對(duì)方報(bào)文或沒(méi)有收到正確報(bào)文，即判定為超時(shí)，一般規(guī)定超時(shí)時(shí)間為5 s。當(dāng)超時(shí)出現(xiàn)后，BMS或充電機(jī)發(fā)送規(guī)定故障報(bào)文，并進(jìn)入故障處理狀態(tài)。針對(duì)以上要求設(shè)計(jì)充電樁通信結(jié)構(gòu)如圖1所示，車載電池與電動(dòng)汽車BMS是電動(dòng)汽車內(nèi)部系統(tǒng)，當(dāng)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電工作時(shí)，配電設(shè)備通過(guò)充電樁將電能轉(zhuǎn)換成符合電動(dòng)汽車充電標(biāo)準(zhǔn)的電氣量供車載電池充電使用，充電過(guò)程中充電樁與電動(dòng)汽車BMS通過(guò)CAN總線進(jìn)行信息交互，交互內(nèi)容包括充電過(guò)程中的電壓、電流、溫度等信息，BMS向充電樁發(fā)送充電開(kāi)始和結(jié)束等控制信息，整個(gè)充電過(guò)程由BMS做主，當(dāng)充電完成或充電鏈路中斷等問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，由BMS控制結(jié)束充電或其他應(yīng)急措施，充電樁后臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取站內(nèi)每臺(tái)充電樁的充電信息，保證整個(gè)充電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 充電樁通信結(jié)構(gòu)示意圖

在充電樁通信結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)汽車充電通信邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖2所示，充電通信過(guò)程主要分為物理連接準(zhǔn)備和CAN通信兩個(gè)部分，物理連接準(zhǔn)備部分主要分為物理連接完成和低壓輔助上電階段，此部分為CAN通信提供物理鏈路的準(zhǔn)備，是CAN通信正常工作的前提條件；CAN通信部分主要分為充電握手階段、充電參數(shù)配置階段、充電階段和充電結(jié)束階段，通信過(guò)程中充電樁與電池管理系統(tǒng)首先利用充電握手動(dòng)作進(jìn)行身份識(shí)別，然后對(duì)充電參數(shù)進(jìn)行配置，配置完成后充電樁開(kāi)始對(duì)車載電池進(jìn)行充電，直至充電完成。本文在傳統(tǒng)CAN通信基礎(chǔ)上提出基于心跳機(jī)制的電動(dòng)汽車充電CAN通信邏輯，在傳遞充電信息的CAN報(bào)文過(guò)程中加入心跳報(bào)文，心跳報(bào)文由定時(shí)器控制發(fā)送，充電樁控制到達(dá)規(guī)定時(shí)間后主動(dòng)發(fā)送固定格式的心跳報(bào)文，當(dāng)BMS沒(méi)有收到心跳報(bào)文或心跳報(bào)文格式錯(cuò)誤時(shí)，即判斷通信故障并及時(shí)采取通信重連或結(jié)束充電等保護(hù)舉措，這種辦法可有效防止由于通信鏈路異常導(dǎo)致車載電池過(guò)充的問(wèn)題發(fā)生[6]。

圖2 充電通信流程圖

2 CAN總線報(bào)文研究

充電樁與BMS之間通信網(wǎng)絡(luò)采用CAN 2.0B通信協(xié)議。

1）CAN信息包格式

CAN信息包格式結(jié)構(gòu)如表1所示，前兩字節(jié)主要用來(lái)記錄信息包的基礎(chǔ)信息，信息包中1字節(jié)用來(lái)保存目標(biāo)地址等接收信息，2字節(jié)包括高三位的標(biāo)識(shí)符，一位RTR和4位DLC，DLC用來(lái)表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；后8字節(jié)為數(shù)據(jù)位，用來(lái)發(fā)送具體數(shù)據(jù)。

表1 CAN信息包格式結(jié)構(gòu)

2）CAN 2.0B消息幀格式

CAN 2.0B消息幀的格式如圖3所示，CAN報(bào)文由7部分組成，每部分位數(shù)固定,其中SOF（幀起始）1位，用來(lái)標(biāo)志數(shù)據(jù)幀開(kāi)始；仲裁段32位，用來(lái)在總線產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)通過(guò)此幀所規(guī)定的優(yōu)先級(jí)來(lái)判定通信順序；IDE（擴(kuò)展幀）1位；R0、R1是預(yù)留位，DLC（BCD編碼的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼）4位；數(shù)據(jù)段0~64位，基于心跳機(jī)制的電動(dòng)汽車充電CAN報(bào)文的心跳信息位存放在數(shù)據(jù)段中，用來(lái)記錄充電過(guò)程中的通信心跳信息；CRC（數(shù)據(jù)校驗(yàn)位）15位；ACK（錯(cuò)誤信息位）2位；EOF（幀結(jié)束）7位。

圖3 CAN 2.0B消息幀格式

3 基于心跳機(jī)制的CAN總線報(bào)文設(shè)計(jì)

心跳機(jī)制是通信協(xié)議中的一種，心跳機(jī)制的用途主要有兩種，一種是用于監(jiān)測(cè)通信鏈路的實(shí)時(shí)狀況，一種是用于保持發(fā)端與收端的長(zhǎng)連接。本文主要研究心跳機(jī)制在通信鏈路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作用。本文采用推送模式（Push）心跳機(jī)制，該模式工作時(shí)，被監(jiān)測(cè)端定時(shí)向監(jiān)測(cè)端發(fā)送心跳報(bào)文，當(dāng)監(jiān)測(cè)端在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到正確心跳報(bào)文，則認(rèn)為通信正常，若監(jiān)測(cè)端在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到報(bào)文或報(bào)文格式不正確，則認(rèn)為通信鏈路異常，本文應(yīng)用時(shí)BMS屬于監(jiān)測(cè)端，充電樁屬于被監(jiān)測(cè)端，充電樁定時(shí)向BMS發(fā)送心跳報(bào)文，Push模式心跳機(jī)制如圖4所示。

圖4 Push模式心跳機(jī)制

CAN報(bào)文主要用于傳輸電動(dòng)汽車充電過(guò)程中的控制命令和電氣參數(shù)等直接影響整個(gè)充電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要信息，因此保證通信鏈路傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與穩(wěn)定性顯得及其重要。本文采用心跳報(bào)文的方式對(duì)充電樁和BMS之間的CAN通信進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用心跳機(jī)制不間斷的在充電樁與BMS之間發(fā)送CAN報(bào)文，基于心跳機(jī)制的CAN數(shù)據(jù)幀格式如圖5所示，心跳信息位SqNum存在于CAN報(bào)文的數(shù)據(jù)段中，每當(dāng)重發(fā)一次心跳報(bào)文時(shí)，CAN報(bào)文的SqNum位就會(huì)進(jìn)行一次自增運(yùn)算，當(dāng)SqNum位異常是則證明通信鏈路中斷或通信信息異常。對(duì)于同一系列的CAN心跳報(bào)文，僅有心跳信息位不同，幀的其他位均無(wú)變化[6]。

圖5 基于心跳機(jī)制的CAN數(shù)據(jù)幀格式

基于心跳機(jī)制的通信流程圖如圖6所示，充電過(guò)程開(kāi)始，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化確認(rèn)需要通信的電動(dòng)汽車，然后根據(jù)配置的通信地址建立充電樁與BMS通信連接，連接建立后實(shí)時(shí)傳輸充電過(guò)程中包含配置信息和各種電氣參數(shù)的報(bào)文；通信過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有新充電信息產(chǎn)生，當(dāng)有新充電信息產(chǎn)生時(shí)，傳輸包含當(dāng)前充電狀況的報(bào)文信息，并將心跳信息位SqNum進(jìn)行自增運(yùn)算，當(dāng)無(wú)新信息產(chǎn)生時(shí)，定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)操作，直至心跳報(bào)文間隔時(shí)間到達(dá)后發(fā)送心跳報(bào)文，并進(jìn)行報(bào)文心跳信息位SqNum自增運(yùn)算；監(jiān)測(cè)充電是否完成，如果沒(méi)有完成，則返回新充電信息檢測(cè)環(huán)節(jié)循環(huán)執(zhí)行，如果充電完成，則結(jié)束充電[7-9]。此通信邏輯可及時(shí)傳輸新產(chǎn)生的充電信息，并利用心跳報(bào)文的SqNum實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信鏈路狀態(tài)，可以做到在高效、節(jié)省帶寬的前提下及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信鏈路異常。

圖6 基于心跳機(jī)制通信流程圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)汽車充電過(guò)程中BMS與充電樁之間通信異常導(dǎo)致車載電池過(guò)充的問(wèn)題，提出了一種基于心跳機(jī)制的電動(dòng)汽車充電CAN報(bào)文。該報(bào)文在傳統(tǒng)車載CAN通信基礎(chǔ)上與心跳機(jī)制相結(jié)合，通過(guò)心跳報(bào)文的方法實(shí)時(shí)對(duì)通信數(shù)據(jù)以及通信鏈路監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信過(guò)程中的問(wèn)題，并采取相應(yīng)應(yīng)急措施，如通信重連或結(jié)束充電等，此方法可有效防止由于充電樁與BMS之間通信異常導(dǎo)致的車載電池過(guò)充問(wèn)題的發(fā)生。