某純電動(dòng)汽車直流充電異常分析及解決方案

張國(guó)斌， 季 申， 紀(jì)傳振， 顧桂榮

（1.長(zhǎng)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(dòng)汽車依靠純電力驅(qū)動(dòng)， 具有整車效率高、 輕量化、電動(dòng)化、 智能化、 網(wǎng)聯(lián)化等特點(diǎn)。 而充電系統(tǒng)是整個(gè)電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中相對(duì)重要的一環(huán)， 一旦充電系統(tǒng)出現(xiàn)異常，則會(huì)影響車輛正常使用并且可能會(huì)帶來(lái)安全隱患。 電動(dòng)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(duì)電流進(jìn)行交直流變換給車輛充電； 交流慢充則是由車載充電機(jī)實(shí)現(xiàn)電流的交直流變換后給車輛充電。 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)的相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jìn)行了規(guī)范。 本文結(jié)合某純電動(dòng)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(guò)程， 明確異常原因并給出解決方案， 為純電動(dòng)汽車的直流充電CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、 充電系統(tǒng)時(shí)序和上電邏輯設(shè)計(jì)及可能存在的充電異常提供一點(diǎn)解決思路。

1 異?，F(xiàn)象

某純電動(dòng)汽車在點(diǎn)火鎖處于OFF擋時(shí)， 無(wú)法使用品牌A的直流充電樁對(duì)車輛進(jìn)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(duì)車輛進(jìn)行直流充電。

2 異常排查

2.1 電氣線路排查

對(duì)車輛的直流充電系統(tǒng)的控制導(dǎo)引電路進(jìn)行排查， 對(duì)照 《GB/T 18487.1—2015 電動(dòng)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(jì)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(dòng)汽車傳導(dǎo)充電互操作性測(cè)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(jìn)一步測(cè)試直流樁A+、 A-接口的電源和通信數(shù)據(jù)報(bào)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(cè)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(jìn)行供電， 供電電壓12V， 并按照 《GB/T 27930—2015電動(dòng)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》周期發(fā)送握手報(bào)文CHM （擴(kuò)展幀， 報(bào)文ID為0x1826F456）。連接后， 充電樁低壓輔助電源向整車供電， 檢測(cè)點(diǎn)CC2電壓由12V跳轉(zhuǎn)為6V， 符合導(dǎo)引電路時(shí)序變化及信號(hào)跳轉(zhuǎn)要求。

通過(guò)上述排查與測(cè)試， 整車充電導(dǎo)引電路不存在相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題及硬件故障問(wèn)題。 結(jié)合只有在點(diǎn)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(diǎn)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(duì)充電網(wǎng)絡(luò)和通信啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)分析

該電動(dòng)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(guò)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(jì)中實(shí)現(xiàn)充電導(dǎo)引電路檢測(cè)、 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(cè)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(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線，VCU與MCU進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(diǎn)， 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(diǎn)， 通過(guò)該總線實(shí)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(diǎn)。

在通常設(shè)計(jì)中， BMS與DCCS之間的CAN通信線路獨(dú)立設(shè)計(jì)。 分析本設(shè)計(jì)， 如若按照獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該架構(gòu)， BMS將需要有4路CAN接口來(lái)分別實(shí)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(jì)在不增加通信線路的負(fù)載率的情況下， 根據(jù)D_CAN和C_CAN具有時(shí)分的特性， 即在直流充電時(shí)， 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(shí)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(hào)喚醒BMS， BMS與充電樁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互， 進(jìn)入充電流程。

車輛點(diǎn)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(duì)3款直流樁充電狀態(tài)進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)采集。 車輛與品牌A充電樁的充電過(guò)程中， VCU喚醒電源已存在， 但在V-CAN中無(wú)BMS使能指令報(bào)文輸出， BMS未喚醒， 無(wú)法響應(yīng)C_CAN上的充電樁CHM報(bào)文， 不發(fā)送BHM報(bào)文， 未在握手周期內(nèi)握手成功， 充電樁不能進(jìn)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(guò)程中， BMS接收到喚醒指令， 響應(yīng)CHM報(bào)文， 發(fā)送BHM報(bào)文， BMS與CDDS握手成功， 車輛正常充電。

對(duì)比分析各款充電樁的上電啟動(dòng)過(guò)程， 測(cè)試上電時(shí)不同的充電樁在充電接口完全連接后發(fā)出握手報(bào)文的時(shí)間，即充電樁啟動(dòng)后發(fā)送的第1幀報(bào)文的起始時(shí)間。 通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)， 品牌A充電樁首次握手報(bào)文的發(fā)出時(shí)間為160ms； 品牌B充電樁首次握手報(bào)文的發(fā)出時(shí)間為350ms， 品牌C充電樁首次握手報(bào)文的發(fā)出時(shí)間為250ms。

經(jīng)分析VCU程序運(yùn)行流程 （圖2）， VCU在200ms以內(nèi)接收到指定標(biāo)準(zhǔn)幀后進(jìn)入Bootloader模式， 否則進(jìn)入應(yīng)用程序運(yùn)行。 對(duì)照充電樁的啟動(dòng)過(guò)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(kuò)展幀的握手報(bào)文， VCU上電啟動(dòng)受到該報(bào)文影響未跳轉(zhuǎn)到應(yīng)用程序執(zhí)行， 無(wú)法正常工作，發(fā)送運(yùn)行及充電指令給BMS。

圖2 VCU程序運(yùn)行流程圖

查閱VCU的Bootloader設(shè)計(jì)文件， 文件要求通過(guò)識(shí)別特定的標(biāo)準(zhǔn)幀進(jìn)入Boot狀態(tài)， 若上電啟動(dòng)200ms以內(nèi)接收到該標(biāo)準(zhǔn)幀進(jìn)入Bootloader刷寫流程， 若為擴(kuò)展幀則不處理。 若上電啟動(dòng)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(jìn)一步查看VCU Bootloader源代碼， VCU接收到數(shù)據(jù)幀進(jìn)行判別， 若為擴(kuò)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(dòng)過(guò)程中， 品牌A充電樁在200ms以內(nèi)發(fā)出擴(kuò)展幀且該總線上未出現(xiàn)任何標(biāo)準(zhǔn)幀， VCU程序進(jìn)入等待狀態(tài)， 車輛無(wú)法充電。 品牌B充電樁在200ms以后發(fā)出擴(kuò)展幀報(bào)文， 此時(shí)VCU已跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序執(zhí)行，向BMS發(fā)送運(yùn)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(shí)充電報(bào)文無(wú)法到達(dá)D_CAN， 即不影響VCU程序運(yùn)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(bào)文不會(huì)影響VCU，經(jīng)驗(yàn)證VCU可進(jìn)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(wèn)題， 在整車實(shí)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(dá)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(jìn)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(guò)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(bào)文的時(shí)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(duì)幀格式進(jìn)行識(shí)別， 可以使VCU無(wú)論是接收的擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)還是標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)都可以進(jìn)入相應(yīng)模式正常工作。

修改VCU的Bootloader底層啟動(dòng)段程序， 不進(jìn)行幀格式判斷， 如下：

4 總結(jié)

本文針對(duì)該車型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)， 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(guó)標(biāo)要求的輸出輔助電源到發(fā)出握手報(bào)文時(shí)間未確定導(dǎo)致的充電異常， 提升車輛對(duì)直流充電樁的適應(yīng)性與兼容性， 可以為電動(dòng)汽車從業(yè)者提供一些分析思路。