電動汽車充電協(xié)議測試系統(tǒng)的設計與問題分析

竇汝鵬，王白俠，李 川

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

電動汽車充電協(xié)議測試系統(tǒng)的設計與問題分析

竇汝鵬，王白俠，李 川

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

以直流充電為基礎的大功率快速充電是國家倡導的重要發(fā)展方向，GB/T 27930—2015和GB/T 18487.1—2015是整車和直流充電設施進行互聯(lián)互通的相關標準。作為汽車公告強檢項目，為驗證整車通信協(xié)議實現(xiàn)與標準的一致性，本文設計了對待測電動汽車進行通信協(xié)議檢測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但包括正常充電流程的檢測，而且能檢驗電動汽車對異常情況的處理?；诖罅康臋z測數(shù)據(jù)，歸納出幾種被測車輛容易出現(xiàn)的通信協(xié)議問題并給出分析。

電動汽車；直流充電；通信協(xié)議；測試系統(tǒng)

在新能源汽車高速發(fā)展和相關政策的扶持下，中國電動汽車充電設施產(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，要實現(xiàn)充電的互聯(lián)互通，關鍵是確保技術基礎。為保證充電過程的安全可控，2015年底，中國發(fā)布了《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議GB/T 27930—2015》（以下簡稱GB/T 27930—2015）［2］和《電動汽車傳導充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求 GB/T 18487.1—2015》（以下簡稱GB/T 18487.1—2015）［3］。目前，電動汽車充電方式主要有直流充電和交流充電兩大類。國家提出的發(fā)展方向：大功率充電以減少用戶的等待時間，而直流充電是實現(xiàn)這個目標的基礎。為了驗證待測電動汽車的直流充電協(xié)議是否符合標準，本文設計了相應的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)在進行有效性驗證后，測試了大量的電動汽車，并對測試中出現(xiàn)的常見問題進行了歸納總結，為中國實現(xiàn)充電互聯(lián)互通提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)設計

GB/T 18487.1—2015的附錄B給出了直流充電控制導引電路與控制原理的示意圖，描述了電動汽車與非車載充電機連接的線路圖和直流充電控制的時序圖［4］。本測試系統(tǒng)模擬的是非車載充電機端對電動汽車進行測試，對標準給出的原理圖進行完善和擴充。硬件平臺參照直流充電控制導引電路原理圖的充電機端，軟件平臺按照充電連接控制時序和狀態(tài)流程圖進行動作。

1.1 硬件平臺

根據(jù)測試需求，測試系統(tǒng)的硬件平臺由測試主機、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）測試主機：是裝有測試軟件的筆記本電腦，它可以模擬充電樁對電動汽車發(fā)出充電報文，分析電動汽車回復的報文，根據(jù)電動汽車的需求控制供電電源通過充電接口對電動汽車進行完整的充電動作。

2）供電電源：接收由測試主機根據(jù)與電動汽車的通信報文分析出的需求對電動汽車進行直流充電。

3）充電接口模擬模塊：模擬充電樁的充電接口進行動作，這個模塊里還裝配了1個車輛控制器所需的低壓輔助電源。

4）CAN協(xié)議收發(fā)模塊：測試主機通過這個模塊與電動車輛進行報文交互［5］。

這4部分的交互示意如圖1所示，實物如圖2所示。

圖1 測試平臺硬件示意圖

圖2 測試平臺硬件實物圖

1.2 軟件平臺

GB/T 27930—2015提供更完整的充電時序流程圖［6］，描述了具體的報文交互時序，包括正常充電時序和異常解決方案。由于流程圖兼顧了充電機和電動車輛，為了有針對性的測試，本系統(tǒng)提出的解決方案只針對電動車輛端，并將正常充電和各種異常處理分別進行測試，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、充電階段和充電結束階段。從握手階段開始，如果測試系統(tǒng)沒有在規(guī)定的時間內收到電動車輛回復的正確報文，則進入錯誤處理狀態(tài)，報文說明如表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沒有回應相應的報文，系統(tǒng)就進入錯誤處理，彈出對話框提示測試人員。該項測試能將被測電動汽車充電通信流程中的時序和報文進行檢驗，驗證該車輛是否能按照標準流程進行充電。

圖3 正常充電時序流程

1.2.2 異常處理

系統(tǒng)對異常處理的測試包括：充電機發(fā)生的各種故障、充電樁參數(shù)不合適、CHM延時、CRM延時、CCS延時、CSD延時、充電樁準備就緒延時等。測試系統(tǒng)通過模擬各種異常來測試電動車輛的處理結果，測試用例如表2所示。通過這些測試用例，系統(tǒng)覆蓋了標準中涉及的各種異常處理，并且能準確判斷被測電動車輛在處理這些異常時是否能按照標準給出的處理方式進行操作。

表1 報文代號與描述

表2 測試用例

2 系統(tǒng)驗證

本系統(tǒng)在投入使用前進行了自測，用來檢驗該系統(tǒng)是否嚴格按照標準中的充電時序流程圖進行動作。圖4抓取了一個完整充電流程的波形和報文。為了便于分析，圖4中只保留了充電時的實際電壓和電流、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。標準中規(guī)定充電時電流值是負的，所以圖4中電壓都是正值而電流都是負值。

圖4 完整充電流程的波形和報文

由于標準中規(guī)定了在物理連接后，充電機需要先進行絕緣檢測，然后投入泄放電路再發(fā)送報文進行充電流程。所以圖4中電壓會先有個峰值，接著電壓為0，然后再有一個電壓進行充電，最后結束充電，電壓電流歸0。絕緣檢測和正常充電在圖4中進行了標注，整體流程的電壓、電流波形遵循了標準，接著檢查具體點的值是否正確。圖4中右上方光標處的充電狀態(tài)和下半部分顯灰的報文是同一時間點的，此時，BCL的值是十六進制的F6 0E D8 0E 02。GB/T 27930—2015給出了BCL的報文含義，經(jīng)計算轉化后得到電壓值383 V，電流值-20 A，與實際電壓值375.3 V，實際電流值-19.7 A接近，這說明本系統(tǒng)及時地響應了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，說明測試系統(tǒng)回應的報文也能及時地吻合被測電動車輛的需求報文。

綜上所述，該測試系統(tǒng)能夠嚴格按照相關標準對待測電動車輛進行標準符合性檢查。

3 通信協(xié)議常見測試問題分析

本系統(tǒng)在測試了上百輛電動汽車后，對所測問題進行了歸納總結，常見問題主要包括：有的電動汽車發(fā)送的報文格式、周期存在問題；系統(tǒng)模擬充電機故障、參數(shù)不合適或充電機延時的報文時，電動汽車回饋錯誤。

3.1 報文格式、周期

系統(tǒng)測試的是充電機與BMS之間基于CAN的通信協(xié)議，所以只應該有這2點之間的報文，這2點的通信地址分別為56H（充電機）和F4H（BMS）。圖5是接收到了這2點地址以外的報文，此問題是由于車輛內部的通信與充電的通信共用1個通信通道，如果設計不合理，BMS可能會發(fā)給充電機與整車通信的報文。

圖5 報文地址不正確

有的報文沒有按照標準的格式發(fā)出，如圖6的BHM，規(guī)定是2個字節(jié)，這里是8個字節(jié)。

圖6 報文格式不正確

有的報文沒有按照標準的周期發(fā)出，如圖7的BHM，標準規(guī)定周期是250 ms，這里是349 ms。

圖7 報文周期不正確

由于目前市面上的充電樁為了能給更多的車輛進行充電，做到最大的兼容性，并不對報文格式和周期進行嚴格檢驗，導致報文格式和周期不符合標準也不影響充電，但是這樣卻增加了報文分析的難度，周期不檢測也增加了充電隱患。

3.2 模擬充電機故障

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

圖8 充電樁人工終止

3.3 模擬充電機參數(shù)不合適和報文延時

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置超出電動汽車的充電電壓范圍，圖9的最高輸出電壓100 V，低于電動車的最低充電電壓，但BRO給出了確認（aa）。這種情況可能導致充電樁給出一個超出電動汽車充電電壓范圍的值，電動汽車依然可能啟動充電，造成危險。

圖9 充電機參數(shù)不合適

圖10 模擬的是CCS超時，標準規(guī)定超時1s開始報錯并切斷充電，但是這里最后1次發(fā)CCS到報錯之間間隔超過5 s，如果當時電池處于充滿狀態(tài)，可能會造成危險。

在測試中，有些電動客車需要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，這樣就會導致如果遇到嚴格執(zhí)行標準的充電樁，車輛就會充不上電；有的充電樁為了兼容這種電動車，設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，可能導致12 V輔助電源的電動車部件損壞。

圖10 CCS超時

4 結論

1） 介紹了電動汽車直流通信協(xié)議測試系統(tǒng)的硬件部分，由測試主機、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，每個模塊功能獨立，性能穩(wěn)定。

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

3） 針對測試中出現(xiàn)的幾個常見問題進行了分析，進一步驗證了本系統(tǒng)的實用性。

4） 下一步可以利用該系統(tǒng)顯示的報文和實際充電電壓電流之間的差異來分析電動汽車充電的反應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］.中國電力報，2017-04-08（004）.

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

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

［4］ 王聰慧，喬海強，單棟梁，等.電動汽車非車載充電機控制導引電路驗證設計［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)的設計與實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2017，30（2）：14-15.

［6］ 李旭玲，董晨，馬彥華.電動汽車直流充電通信協(xié)議測試的研究［J］.電氣應用， 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，研究方向為新能源關鍵零部件檢測。

（編輯 凌 波）