基于心跳機(jī)制的電動汽車充電CAN報文研究

周長鵬，王智東，李志鋒，馮瑞玨，楊樹豐，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。電動汽車憑借能源利用率高、綠色環(huán)保、高度智能等優(yōu)勢已被納入國家戰(zhàn)略規(guī)劃當(dāng)中，電動汽車產(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，我國新能源汽車保有量551萬輛，其中純電動汽車占比81.53 %。在如此龐大的電動汽車保有量下，電動汽車的核心儲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。電動汽車在充電過程中充電樁與車載電池管理系統(tǒng)之間會進(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)生格式錯誤或者傳輸鏈路中斷，輕則導(dǎo)致電動汽車儲能系統(tǒng)損壞，重則整車報廢甚至危及人身安全[2,3]。2015年4月，深圳灣口岸一輛電動汽車在充電時發(fā)生自燃，周圍充電樁以及整車均燒毀報廢，事件的調(diào)查結(jié)果為電動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)致充電樁沒有及時停止充電，車載電池過充1.2 h并發(fā)生自燃[4]。因此，2015年12月發(fā)布的電動汽車非車載傳導(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]，在各個階段，充電機(jī)和BMS（電池管理系統(tǒng)）如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到對方報文或沒有收到正確報文，即判定為超時，以此來對充電通信鏈路進(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。但對于如何實(shí)現(xiàn)高效的鏈路中斷檢測，并沒有具體的方法。適用于電動汽車的充電鏈路檢測方法應(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)，鏈路中斷時能及時發(fā)現(xiàn)。

本文針對如何高效實(shí)時監(jiān)測電動汽車充電鏈路的問題，提出一種基于心跳機(jī)制的電動汽車充電CAN報文，通過心跳報文的辦法實(shí)現(xiàn)對充電通信鏈路的監(jiān)管，有效防止車載電池由于充電通信鏈路異常導(dǎo)致過充問題的發(fā)生。

1 充電通信架構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)國家標(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兩個節(jié)點(diǎn)組成；②在充電過程中，充電機(jī)和BMS檢測電壓、電流和溫度等參數(shù)，同時BMS管理整個充電過程；③充電機(jī)和BMS在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到對方報文或沒有收到正確報文，即判定為超時，一般規(guī)定超時時間為5 s。當(dāng)超時出現(xiàn)后，BMS或充電機(jī)發(fā)送規(guī)定故障報文，并進(jìn)入故障處理狀態(tài)。針對以上要求設(shè)計(jì)充電樁通信結(jié)構(gòu)如圖1所示，車載電池與電動汽車BMS是電動汽車內(nèi)部系統(tǒng)，當(dāng)電動汽車進(jìn)行充電工作時，配電設(shè)備通過充電樁將電能轉(zhuǎn)換成符合電動汽車充電標(biāo)準(zhǔn)的電氣量供車載電池充電使用，充電過程中充電樁與電動汽車BMS通過CAN總線進(jìn)行信息交互，交互內(nèi)容包括充電過程中的電壓、電流、溫度等信息，BMS向充電樁發(fā)送充電開始和結(jié)束等控制信息，整個充電過程由BMS做主，當(dāng)充電完成或充電鏈路中斷等問題出現(xiàn)時，由BMS控制結(jié)束充電或其他應(yīng)急措施，充電樁后臺主機(jī)系統(tǒng)實(shí)時獲取站內(nèi)每臺充電樁的充電信息，保證整個充電站的安全穩(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)上對電動汽車充電通信邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖2所示，充電通信過程主要分為物理連接準(zhǔn)備和CAN通信兩個部分，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，通信過程中充電樁與電池管理系統(tǒng)首先利用充電握手動作進(jìn)行身份識別，然后對充電參數(shù)進(jìn)行配置，配置完成后充電樁開始對車載電池進(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)制的電動汽車充電CAN通信邏輯，在傳遞充電信息的CAN報文過程中加入心跳報文，心跳報文由定時器控制發(fā)送，充電樁控制到達(dá)規(guī)定時間后主動發(fā)送固定格式的心跳報文，當(dāng)BMS沒有收到心跳報文或心跳報文格式錯誤時，即判斷通信故障并及時采取通信重連或結(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)致車載電池過充的問題發(fā)生[6]。

圖2 充電通信流程圖

2 CAN總線報文研究

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)主要用來記錄信息包的基礎(chǔ)信息，信息包中1字節(jié)用來保存目標(biāo)地址等接收信息，2字節(jié)包括高三位的標(biāo)識符，一位RTR和4位DLC，DLC用來表示數(shù)據(jù)長度；后8字節(jié)為數(shù)據(jù)位，用來發(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，用來標(biāo)志數(shù)據(jù)幀開始；仲裁段32位，用來在總線產(chǎn)生競爭時通過此幀所規(guī)定的優(yōu)先級來判定通信順序；IDE（擴(kuò)展幀）1位；R0、R1是預(yù)留位，DLC（BCD編碼的數(shù)據(jù)長度代碼）4位；數(shù)據(jù)段0~64位，基于心跳機(jī)制的電動汽車充電CAN報文的心跳信息位存放在數(shù)據(jù)段中，用來記錄充電過程中的通信心跳信息；CRC（數(shù)據(jù)校驗(yàn)位）15位；ACK（錯誤信息位）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)測通信鏈路的實(shí)時狀況，一種是用于保持發(fā)端與收端的長連接。本文主要研究心跳機(jī)制在通信鏈路的實(shí)時監(jiān)測作用。本文采用推送模式（Push）心跳機(jī)制，該模式工作時，被監(jiān)測端定時向監(jiān)測端發(fā)送心跳報文，當(dāng)監(jiān)測端在規(guī)定的時間內(nèi)收到正確心跳報文，則認(rèn)為通信正常，若監(jiān)測端在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到報文或報文格式不正確，則認(rèn)為通信鏈路異常，本文應(yīng)用時BMS屬于監(jiān)測端，充電樁屬于被監(jiān)測端，充電樁定時向BMS發(fā)送心跳報文，Push模式心跳機(jī)制如圖4所示。

圖4 Push模式心跳機(jī)制

CAN報文主要用于傳輸電動汽車充電過程中的控制命令和電氣參數(shù)等直接影響整個充電系統(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)時性與穩(wěn)定性顯得及其重要。本文采用心跳報文的方式對充電樁和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報文的數(shù)據(jù)段中，每當(dāng)重發(fā)一次心跳報文時，CAN報文的SqNum位就會進(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。對于同一系列的CAN心跳報文，僅有心跳信息位不同，幀的其他位均無變化[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，充電過程開始，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化確認(rèn)需要通信的電動汽車，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)時傳輸充電過程中包含配置信息和各種電氣參數(shù)的報文；通信過程中實(shí)時檢測是否有新充電信息產(chǎn)生，當(dāng)有新充電信息產(chǎn)生時，傳輸包含當(dāng)前充電狀況的報文信息，并將心跳信息位SqNum進(jìn)行自增運(yùn)算，當(dāng)無新信息產(chǎn)生時，定時器進(jìn)行計(jì)時操作，直至心跳報文間隔時間到達(dá)后發(fā)送心跳報文，并進(jìn)行報文心跳信息位SqNum自增運(yùn)算；監(jiān)測充電是否完成，如果沒有完成，則返回新充電信息檢測環(huán)節(jié)循環(huán)執(zhí)行，如果充電完成，則結(jié)束充電[7-9]。此通信邏輯可及時傳輸新產(chǎn)生的充電信息，并利用心跳報文的SqNum實(shí)時監(jiān)測通信鏈路狀態(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

本文針對電動汽車充電過程中BMS與充電樁之間通信異常導(dǎo)致車載電池過充的問題，提出了一種基于心跳機(jī)制的電動汽車充電CAN報文。該報文在傳統(tǒng)車載CAN通信基礎(chǔ)上與心跳機(jī)制相結(jié)合，通過心跳報文的方法實(shí)時對通信數(shù)據(jù)以及通信鏈路監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)通信過程中的問題，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)致的車載電池過充問題的發(fā)生。