國網(wǎng)快充樁與BMS通信步驟詳解及快充過流分析與優(yōu)化

王元林，馬 敬，劉小華

（湖南獵豹汽車股份有限公司，湖南 長沙410100）

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們生活水平日益提高，私家車也隨之迅猛增長，伴隨而來的是環(huán)境污染、交通安全、能源缺乏等問題，衍生了對新能源的開發(fā)與利用。能源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要資源，是經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的重要保證，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，降低能源消耗，減少溫室氣體排放，保護(hù)環(huán)境，大力發(fā)展可再生能源和尋找替代能源已經(jīng)成為國際社會(huì)普遍關(guān)注的重大課題。

目前國家大力發(fā)展新能源汽車，一直以來給予了相當(dāng)大的政策支持，各大整車企業(yè)也在往新能源方向發(fā)力，尤其是造車新勢力。新能源汽車在滿足用戶用車出行便利的情況下，充電便利以及充電效率顯得尤為重要。

本文從整車廠的角度，以國網(wǎng)快充新國標(biāo)為依據(jù)，結(jié)合某純電動(dòng)汽車，研究快充充電流程以及分析快充過流故障，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

2 快充流程解析

整個(gè)快充充電過程總共包括6個(gè)步驟：①線路的物理連接完成；②低壓輔助電路上電；③快充充電握手階段；④快充充電各種參數(shù)配置階段；⑤充電過程；⑥充電完成階段。在各個(gè)步驟中，當(dāng)快充樁和BMS如果在約定的時(shí)間內(nèi)未收到對方報(bào)文或未收到正確報(bào)文，即斷定為通信超時(shí)，超時(shí)時(shí)間除非有特殊規(guī)定，否則均默認(rèn)為5s。如果出現(xiàn)通信超時(shí)，BMS或快充樁就會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤的報(bào)文，且進(jìn)入錯(cuò)誤處理流程。在對故障處理的時(shí)候，各自會(huì)根據(jù)故障的類型，分別進(jìn)行各自相應(yīng)的處理。若在正常充電階段，如果出現(xiàn)了任何故障，系統(tǒng)直接結(jié)束正常充電流程并退出。

2.1 握手階段

1）快 充 樁 發(fā) 送 出CRM報(bào) 文，其 報(bào) 文 為 （ID：0x1801F456），其中第一個(gè)字節(jié)為0x00（表示快充樁主動(dòng)發(fā)送識別，申請握手）。

2）當(dāng)BMS接收到快充樁發(fā)出的CRM報(bào)文后，BMS會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCPM（因?yàn)閿?shù)據(jù)長度大于8，一共有41字節(jié)）傳輸當(dāng)前電池組的身份編碼信息BRM。

首先BMS發(fā)送出RTS報(bào)文（ID：0x1CEC56F4），以此通知快充樁，BMS準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量。

當(dāng)快充樁接收到BMS發(fā)送的RTS報(bào)文之后，就會(huì)做出應(yīng)答信號，并回復(fù)CTS給BMS（ID：0x1CECF456）。

當(dāng)BMS接收來自快充樁的應(yīng)答報(bào)文CTS之后，就開始建立連接并開始發(fā)送數(shù)據(jù)DT（數(shù)據(jù)長度為41字節(jié)，一共分為6包，ID：0x1CEB56F4）。

當(dāng)快充樁接收到并且接收完BMS發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文DT之后，就回復(fù)CM信號給BMS，以此來結(jié)束應(yīng)答（ID：0x1CECF456）。

3）當(dāng)快充樁接收到了來自BMS發(fā)送的電池身份編碼信息BRM之后，便開始回復(fù)辨識報(bào)文CRM至BMS（ID：0x1801F456第一個(gè)Byte為0xAA）。

4）若上述3個(gè)步驟中任意1個(gè)步驟出現(xiàn)異常，此時(shí)通信將不能往下進(jìn)行，直接等待超時(shí)復(fù)位。

握手階段CAN卡接收到數(shù)據(jù)解析如圖1所示。

圖1 握手階段CAN卡接收到數(shù)據(jù)解析

2.2 參數(shù)配置階段

1）BMS發(fā)出蓄電池快充樁的參數(shù)BCP至快充樁，開始啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議即TCPM協(xié)議（由于數(shù)據(jù)長度大于8個(gè)字節(jié)，一共13個(gè)字節(jié)）。

首先BMS發(fā)出RTS報(bào)文（ID：0x1CEC56F4），以此通知快充樁，BMS要準(zhǔn)備發(fā)送多少包數(shù)據(jù)。

當(dāng)快充樁接收到來自BMS發(fā)送的RTS報(bào)文后，立即做出應(yīng)答信號，并回復(fù)CTS報(bào)文給BMS（ID：0x1CECF456）。

當(dāng)BMS接收到來自快充樁的應(yīng)答報(bào)文CTS之后，開始建立連接并發(fā)送數(shù)據(jù)DT（數(shù)據(jù)長度為13個(gè)字節(jié)，共分為2包，ID：0x1CEB56F4）。

當(dāng)快充樁接收到并且接收完BMS發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)文DT之后，立即回復(fù)CM信號給BMS，以此作為消息結(jié)束應(yīng)答（ID：0x1CECF456）。

2）快充樁發(fā)出時(shí)間同步CTS信息給BMS（ID：0x1807F456）。

3）快充樁發(fā)送最大輸出級別CML信息給BMS（ID：0x1 808F456）。

4）BMS發(fā)出電池充電準(zhǔn)備就緒信息BR0給快充樁（ID：0x100956F4）。

5）快充樁接收到BMS發(fā)出的信息，且收到BR0信息之后，快充樁發(fā)送準(zhǔn)備就緒狀態(tài)CR0（ID：0x100AF456）。

6）若以上5個(gè)步驟中任何一個(gè)步驟出現(xiàn)異常，那么通信將不能往下進(jìn)行，直接等待超時(shí)復(fù)位。

參數(shù)配置階段CAN總線接收到數(shù)據(jù)幀解析如圖2所示。

圖2 參數(shù)配置階段CAN總線接收到數(shù)據(jù)幀解析

2.3 充電階段

1）BMS發(fā)送電池的充電級別BCL信息給快充樁（ID：0x181056F4），Byte1和Byte2是電壓信息，Byte3和Byte4是電流信息。

2）BMS發(fā)出電池充電的總狀態(tài)BCS信息給快充樁，開始啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路協(xié)議TCPM（由于數(shù)據(jù)長度大于8，共9字節(jié)）。

首先BMS發(fā)出RTS報(bào)文（ID：0x1CEC56F4），以此通知快充樁BMS準(zhǔn)備要發(fā)送多少包數(shù)據(jù)。

當(dāng)快充樁接收到來自BMS發(fā)送的RTS信息報(bào)文后，便做出應(yīng)答信號，并回復(fù)CTS給BMS（ID：0x1CECF456）。

當(dāng)BMS接收到來自快充樁發(fā)出的應(yīng)答報(bào)文CTS之后，開始建立通信連接并發(fā)送數(shù)據(jù)DT（數(shù)據(jù)長度有9個(gè)字節(jié)，共分為2包，ID：0x1CEB56F4）。

當(dāng)快充樁接收到并且接收完BMS發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)文DT之后，便回復(fù)CM信號給BMS以此來作為消息結(jié)束應(yīng)答（ID：0x1CECF456）。

3）快充樁發(fā)出充電狀態(tài)CCS信號給BMS（ID：0x1812F456）。

4）BMS通過當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議并發(fā)送單體電壓BMV信息給快充樁（具體的步驟和握手時(shí)階段數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議基本一樣）可選。

5）BMS發(fā)出蓄電池組溫度BMT信號給快充樁（具體的步驟和握手階段時(shí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議基本一樣）可選。

上述所有的充電參數(shù)，包括在充電過程中嚴(yán)格按照協(xié)議要求發(fā)送的報(bào)文周期固定發(fā)送，且當(dāng)在充電過程中出現(xiàn)任何異?；蛘叱潆娂磳M時(shí)，將停止充電，同時(shí)開始發(fā)送充電停止的報(bào)文如6）和7）。

6）BMS發(fā)出終止充電報(bào)文BST信息給快充樁，以告知其結(jié)束充電和充電結(jié)束的原因（ID：0x101956F4）。

7）快充樁發(fā)出終止充電報(bào)文CST信息給BMS，以告知其充電結(jié)束和充電結(jié)束的原因（ID：0x101AF456）。

上述任何一個(gè)步驟出現(xiàn)異常，都將會(huì)導(dǎo)致快充樁終止充電。充電階段CAN卡接收到的數(shù)據(jù)幀解析如圖3所示。

2.4 充電結(jié)束階段

1）BMS發(fā)出統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)BSD信號（ID：0x181C56F4）。

圖3 充電階段CAN卡接收到的數(shù)據(jù)幀解析

2）快充樁發(fā)出統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)CSD信號（ID：0x181DF456）。

3）若上述兩個(gè)步驟均正常發(fā)送，則快充樁恢復(fù)到最初始的狀態(tài)，并開始重新請求握手。

3 快充過程中過流分析及優(yōu)化

3.1 問題描述

快充過程中，BMS上報(bào)充電過流故障，停止充電。分析充電過程中BMS與充電樁之間的通信報(bào)文，BMS發(fā)送動(dòng)力蓄電池狀態(tài)信息報(bào)文（BSM）—0x181356F4中，BMS上報(bào)動(dòng)力蓄電池充電過流。圖4為充電過程中BSM故障報(bào)文，圖5為國標(biāo)BSM報(bào)文定義。

3.2 問題分析

3.2.1 BMS請求充電電流

BMS請求電流由58A降低至53A。圖6為BMS請求電流解析。

3.2.2 充電樁反饋輸出電流

充電樁報(bào)文顯示充電狀態(tài)的輸出電流一直恒定在60A。圖7為充電樁輸出電流報(bào)文解析。

3.2.3 BMS實(shí)際采集充電電流

分析BMS實(shí)際采集電流、BMS請求充電流和充電樁報(bào)文反饋輸出電流，發(fā)現(xiàn)充電樁的實(shí)際輸出電流高于BMS的請求電流和充電樁自身的報(bào)文反饋電流。如圖8所示。

3.2.4 分析結(jié)果

在充電過程中，充電樁的輸出電流未嚴(yán)格按照BMS請求電流輸出，超過BMS的充電過流報(bào)警閾值，導(dǎo)致BMS判斷充電過流報(bào)警，停止充電。

圖4 充電過程中BSM故障報(bào)文

圖5 國標(biāo)BSM報(bào)文定義

圖6 BMS請求電流解析

圖7 充電樁輸出電流報(bào)文解析

圖8 BMS請求電流和快充樁輸出電流

3.3 優(yōu)化方案及驗(yàn)證

通過對該過流問題的原始數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論是因?yàn)榭斐錁兜妮敵龀隽薆MS的請求電流值所致。這種現(xiàn)象屬于快充樁個(gè)體差異問題，該車輛在其他快充樁上都可以很好地正?？斐洹＝鉀Q這個(gè)問題，實(shí)際就是提升車輛快充的冗余性以及兼容性問題。采取的優(yōu)化方案為：BMS在調(diào)整充電請求時(shí)，將調(diào)整的請求電流步長調(diào)小，以便給快充樁足夠的響應(yīng)時(shí)間，從而達(dá)到整個(gè)充電過程的匹配。

通過該方案的優(yōu)化，在實(shí)車驗(yàn)證時(shí)未再出現(xiàn)該問題。同時(shí)，將BMS燒錄優(yōu)化前的程序版本，故障重現(xiàn)，充分說明了該優(yōu)化方案的有效性。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)解析了新國標(biāo)快充過程中，非車載快充樁與BMS之間的通信流程，以及從實(shí)車的角度，分析了在快充過程中車輛兼容快充樁的案例，為后期開發(fā)人員提供了一定的參考。