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(qū)動， 具有整車效率高、 輕量化、電動化、 智能化、 網(wǎng)聯(lián)化等特點。 而充電系統(tǒng)是整個電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中相對重要的一環(huán)， 一旦充電系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)電流的交直流變換后給車輛充電。 電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)對直流充電和交流充電的連接裝置、 導(dǎo)引電路和通信協(xié)議等都進行了規(guī)范。 本文結(jié)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(wǎng)絡(luò)設(shè)計、 充電系統(tǒng)時序和上電邏輯設(shè)計及可能存在的充電異常提供一點解決思路。

1 異常現(xiàn)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(tài)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(tǒng)的控制導(dǎo)引電路進行排查， 對照 《GB/T 18487.1—2015 電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)》 附錄B.1控制導(dǎo)引電路， 檢查車輛直流充電系統(tǒng)相關(guān)接口及控制和通信電路的設(shè)計規(guī)范及圖紙， 均符合圖紙和標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)充電互操作性測試規(guī)范 第1部分： 供電設(shè)備》 要求， 充電樁及車輛的充電接口中的R3、R4電阻均符合導(dǎo)引電路。

進一步測試直流樁A+、 A-接口的電源和通信數(shù)據(jù)報文輸出。 在充電接口完好連接狀態(tài)下， 3款直流充電樁均可檢測到車輛連接并依據(jù)控制導(dǎo)引電路控制低壓輔助電源導(dǎo)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(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》周期發(fā)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(zhuǎn)為6V， 符合導(dǎo)引電路時序變化及信號跳轉(zhuǎn)要求。

通過上述排查與測試， 整車充電導(dǎo)引電路不存在相關(guān)設(shè)計問題及硬件故障問題。 結(jié)合只有在點火鎖OFF狀態(tài)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(tài)下， 以上3款直流樁均可正常充電的現(xiàn)象， 對充電網(wǎng)絡(luò)和通信啟動過程進行分析。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)分析

該電動汽車的充電控制相關(guān)CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輛充電控制相關(guān)CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可知， 車輛充電控制相關(guān)CAN網(wǎng)絡(luò)由整車控制器 （VCU）、 電池管理系統(tǒng) （BMS） 和直流充電樁（DCCS）， 通過V_CAN、 D_CAN和C_CAN連接， 構(gòu)成了充電CAN網(wǎng)絡(luò)。 VCU為整車控制核心部件， 在本設(shè)計中實現(xiàn)充電導(dǎo)引電路檢測、 BMS控制指令發(fā)送和充電監(jiān)控等功能。BMS為電池包系統(tǒng)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(xié)議由GB/T 27930—2015規(guī)定。 P_CAN為動力CAN數(shù)據(jù)總線，VCU與MCU進行驅(qū)動信息交互的CAN通路。 在充電網(wǎng)絡(luò)中，V_CAN是整車系統(tǒng)信息交互總線， 連接有VCU與BMS以及其他底盤零部件節(jié)點， 在VCU和BMS上配置了終端電阻；D_CAN 是系統(tǒng)診斷CAN 數(shù)據(jù)總線， 連接有VCU、 BMS、MCU 節(jié)點， 通過該總線實現(xiàn)統(tǒng)一診斷服務(wù) （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(jié)點。

在通常設(shè)計中， BMS與DCCS之間的CAN通信線路獨立設(shè)計。 分析本設(shè)計， 如若按照獨立設(shè)計實現(xiàn)該架構(gòu)， BMS將需要有4路CAN接口來分別實現(xiàn)與整車通信、 診斷連接、直流充電和內(nèi)部子網(wǎng)通信。 本設(shè)計在不增加通信線路的負載率的情況下， 根據(jù)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(nèi)部將C_CAN以及D_CAN短接， BMS只采用3路CAN實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)， 節(jié)省系統(tǒng)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(fā)送BMS 使能信號喚醒BMS， BMS與充電樁進行數(shù)據(jù)交互， 進入充電流程。

車輛點火鎖處于OFF擋狀態(tài)， 連接直流充電槍， 復(fù)現(xiàn)異常狀態(tài)， 對3款直流樁充電狀態(tài)進行CAN數(shù)據(jù)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(yīng)C_CAN上的充電樁CHM報文， 不發(fā)送BHM報文， 未在握手周期內(nèi)握手成功， 充電樁不能進入直流充電后續(xù)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(yīng)CHM報文， 發(fā)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(fā)出握手報文的時間，即充電樁啟動后發(fā)送的第1幀報文的起始時間。 通過測試發(fā)現(xiàn)， 品牌A充電樁首次握手報文的發(fā)出時間為160ms； 品牌B充電樁首次握手報文的發(fā)出時間為350ms， 品牌C充電樁首次握手報文的發(fā)出時間為250ms。

經(jīng)分析VCU程序運行流程 （圖2）， VCU在200ms以內(nèi)接收到指定標(biāo)準(zhǔn)幀后進入Bootloader模式， 否則進入應(yīng)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(nèi)發(fā)出數(shù)據(jù)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(zhuǎn)到應(yīng)用程序執(zhí)行， 無法正常工作，發(fā)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(shè)計文件， 文件要求通過識別特定的標(biāo)準(zhǔn)幀進入Boot狀態(tài)， 若上電啟動200ms以內(nèi)接收到該標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)幀， 則跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序執(zhí)行。 進一步查看VCU Bootloader源代碼， VCU接收到數(shù)據(jù)幀進行判別， 若為擴展幀， 則程序原地等待直到接收到標(biāo)準(zhǔn)幀程序往下執(zhí)行。 在充電啟動過程中， 品牌A充電樁在200ms以內(nèi)發(fā)出擴展幀且該總線上未出現(xiàn)任何標(biāo)準(zhǔn)幀， VCU程序進入等待狀態(tài)， 車輛無法充電。 品牌B充電樁在200ms以后發(fā)出擴展幀報文， 此時VCU已跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序執(zhí)行，向BMS發(fā)送運行及充電指令， 車輛正常充電。

3 解決方案

3.1 更改網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)整如圖3所示。

圖3 調(diào)整后車輛充電控制相關(guān)CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中， 直流充電樁充電報文不會影響VCU，經(jīng)驗證VCU可進入相應(yīng)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(xiàn)上， 需修改電氣原理， 并修改網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(fā)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)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(fā)出握手報文的時間不一致的現(xiàn)象。

3.2 VCU底層軟件修改

根據(jù)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(shù)據(jù)還是標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)都可以進入相應(yīng)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(jié)

本文針對該車型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計， 在不增加BMS的開發(fā)周期和成本的情況下， 可適應(yīng)不同的充電樁充電的兼容性， 解決各直流充電樁在執(zhí)行國標(biāo)要求的輸出輔助電源到發(fā)出握手報文時間未確定導(dǎo)致的充電異常， 提升車輛對直流充電樁的適應(yīng)性與兼容性， 可以為電動汽車從業(yè)者提供一些分析思路。