某純電動汽車直流充電異常分析及解決方案

張國斌， 季 申， 紀傳振， 顧桂榮

（1.長三角新能源汽車研究院有限公司， 江蘇鹽城 224000；2.江蘇艾鑫科能源科技有限公司， 江蘇鹽城 224000）

電動汽車依靠純電力驅動， 具有整車效率高、 輕量化、電動化、 智能化、 網聯化等特點。 而充電系統是整個電動汽車系統結構中相對重要的一環， 一旦充電系統出現異常，則會影響車輛正常使用并且可能會帶來安全隱患。 電動汽車充電系統在充電方式上可分為直流快充和交流慢充兩種類型， 直流快充是由直流充電樁對電流進行交直流變換給車輛充電； 交流慢充則是由車載充電機實現電流的交直流變換后給車輛充電。 電動汽車傳導充電系統的相應國家標準對直流充電和交流充電的連接裝置、 導引電路和通信協議等都進行了規范。 本文結合某純電動汽車在不同的直流樁上充電異常分析、 異常診斷及排查的過程， 明確異常原因并給出解決方案， 為純電動汽車的直流充電CAN網絡設計、 充電系統時序和上電邏輯設計及可能存在的充電異常提供一點解決思路。

1 異常現象

某純電動汽車在點火鎖處于OFF擋時， 無法使用品牌A的直流充電樁對車輛進行直流充電， 使用品牌B及品牌C的直流充電樁可正常直流充電。 在ON擋狀態下， 使用這3款的直流充電樁均可對車輛進行直流充電。

2 異常排查

2.1 電氣線路排查

對車輛的直流充電系統的控制導引電路進行排查， 對照 《GB/T 18487.1—2015 電動汽車傳導充電系統》 附錄B.1控制導引電路， 檢查車輛直流充電系統相關接口及控制和通信電路的設計規范及圖紙， 均符合圖紙和標準要求。查閱充電樁資料， 以上3 款直流充電樁均符合 《GB/T 34657.1—2017電動汽車傳導充電互操作性測試規范 第1部分： 供電設備》 要求， 充電樁及車輛的充電接口中的R3、R4電阻均符合導引電路。

進一步測試直流樁A+、 A-接口的電源和通信數據報文輸出。 在充電接口完好連接狀態下， 3款直流充電樁均可檢測到車輛連接并依據控制導引電路控制低壓輔助電源導通進行供電， 供電電壓12V， 并按照 《GB/T 27930—2015電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》周期發送握手報文CHM （擴展幀， 報文ID為0x1826F456）。連接后， 充電樁低壓輔助電源向整車供電， 檢測點CC2電壓由12V跳轉為6V， 符合導引電路時序變化及信號跳轉要求。

通過上述排查與測試， 整車充電導引電路不存在相關設計問題及硬件故障問題。 結合只有在點火鎖OFF狀態下，品牌A的充電樁存在異常， 其他充電樁正常充電， 且在點火鎖ON狀態下， 以上3款直流樁均可正常充電的現象， 對充電網絡和通信啟動過程進行分析。

2.2 通信網絡分析

該電動汽車的充電控制相關CAN網絡架構如圖1所示。

圖1 車輛充電控制相關CAN網絡架構

由CAN網絡架構可知， 車輛充電控制相關CAN網絡由整車控制器 （VCU）、 電池管理系統 （BMS） 和直流充電樁（DCCS）， 通過V_CAN、 D_CAN和C_CAN連接， 構成了充電CAN網絡。 VCU為整車控制核心部件， 在本設計中實現充電導引電路檢測、 BMS控制指令發送和充電監控等功能。BMS為電池包系統的控制單元， 起著充電控制與測量、 與DCCS通信控制與交互等功能， BMS與DCCS之間的通信協議由GB/T 27930—2015規定。 P_CAN為動力CAN數據總線，VCU與MCU進行驅動信息交互的CAN通路。 在充電網絡中，V_CAN是整車系統信息交互總線， 連接有VCU與BMS以及其他底盤零部件節點， 在VCU和BMS上配置了終端電阻；D_CAN 是系統診斷CAN 數據總線， 連接有VCU、 BMS、MCU 節點， 通過該總線實現統一診斷服務 （UDS） 以及Bootloader程序刷寫功能； C_CAN是直流充電CAN總線， 連接有BMS和DCCS節點。

在通常設計中， BMS與DCCS之間的CAN通信線路獨立設計。 分析本設計， 如若按照獨立設計實現該架構， BMS將需要有4路CAN接口來分別實現與整車通信、 診斷連接、直流充電和內部子網通信。 本設計在不增加通信線路的負載率的情況下， 根據D_CAN和C_CAN具有時分的特性， 即在直流充電時， 通常不使用程序刷寫功能和UDS功能， 在BMS內部將C_CAN以及D_CAN短接， BMS只采用3路CAN實現網絡架構， 節省系統成本。 充電接口連接后， VCU接收到充電樁低壓輔助電源喚醒后， 發送BMS 使能信號喚醒BMS， BMS與充電樁進行數據交互， 進入充電流程。

車輛點火鎖處于OFF擋狀態， 連接直流充電槍， 復現異常狀態， 對3款直流樁充電狀態進行CAN數據采集。 車輛與品牌A充電樁的充電過程中， VCU喚醒電源已存在， 但在V-CAN中無BMS使能指令報文輸出， BMS未喚醒， 無法響應C_CAN上的充電樁CHM報文， 不發送BHM報文， 未在握手周期內握手成功， 充電樁不能進入直流充電后續流程。車輛與品牌B、 品牌C充電樁的充電過程中， BMS接收到喚醒指令， 響應CHM報文， 發送BHM報文， BMS與CDDS握手成功， 車輛正常充電。

對比分析各款充電樁的上電啟動過程， 測試上電時不同的充電樁在充電接口完全連接后發出握手報文的時間，即充電樁啟動后發送的第1幀報文的起始時間。 通過測試發現， 品牌A充電樁首次握手報文的發出時間為160ms； 品牌B充電樁首次握手報文的發出時間為350ms， 品牌C充電樁首次握手報文的發出時間為250ms。

經分析VCU程序運行流程 （圖2）， VCU在200ms以內接收到指定標準幀后進入Bootloader模式， 否則進入應用程序運行。 對照充電樁的啟動過程分析， 如果充電樁在上電后200ms內發出數據幀格式為擴展幀的握手報文， VCU上電啟動受到該報文影響未跳轉到應用程序執行， 無法正常工作，發送運行及充電指令給BMS。

圖2 VCU程序運行流程圖

查閱VCU的Bootloader設計文件， 文件要求通過識別特定的標準幀進入Boot狀態， 若上電啟動200ms以內接收到該標準幀進入Bootloader刷寫流程， 若為擴展幀則不處理。 若上電啟動200ms以后接收到任何數據幀， 則跳轉到應用程序執行。 進一步查看VCU Bootloader源代碼， VCU接收到數據幀進行判別， 若為擴展幀， 則程序原地等待直到接收到標準幀程序往下執行。 在充電啟動過程中， 品牌A充電樁在200ms以內發出擴展幀且該總線上未出現任何標準幀， VCU程序進入等待狀態， 車輛無法充電。 品牌B充電樁在200ms以后發出擴展幀報文， 此時VCU已跳轉至應用程序執行，向BMS發送運行及充電指令， 車輛正常充電。

3 解決方案

3.1 更改網絡架構

基于上述分析原因， 可將C_CAN和D_CAN物理層分開，直流充電時充電報文無法到達D_CAN， 即不影響VCU程序運行。 網絡架構調整如圖3所示。

圖3 調整后車輛充電控制相關CAN網絡架構圖

新網絡架構中， 直流充電樁充電報文不會影響VCU，經驗證VCU可進入相應工作模式。

此整改方案可以解決直流充電的異常問題， 在整車實現上， 需修改電氣原理， 并修改網絡架構及線束， 但BMS需要增加一路CAN通信接口， 達到4路CAN總線， 影響開發周期， 且增加了BMS的硬件成本及整車成本。

進一步尋求在原有的電氣原理和網絡架構基礎上， 通過修改VCU的Bootloader底層邏輯， 解決不同的充電樁在充電接口完全連接后發出握手報文的時間不一致的現象。

3.2 VCU底層軟件修改

根據上述分析修改VCU底層程序， 使其不對幀格式進行識別， 可以使VCU無論是接收的擴展幀數據還是標準幀數據都可以進入相應模式正常工作。

修改VCU的Bootloader底層啟動段程序， 不進行幀格式判斷， 如下：

4 總結

本文針對該車型的網絡架構設計， 在不增加BMS的開發周期和成本的情況下， 可適應不同的充電樁充電的兼容性， 解決各直流充電樁在執行國標要求的輸出輔助電源到發出握手報文時間未確定導致的充電異常， 提升車輛對直流充電樁的適應性與兼容性， 可以為電動汽車從業者提供一些分析思路。