BMS與直流充電機(jī)CAN通信網(wǎng)絡(luò)通信品質(zhì)的分析與評價(jià)

于紅秀，王嬌嬌，李 曉，陳 赫

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

2015～2016年中國新能源汽車呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，產(chǎn)量37.9萬輛，同比增長3.5倍，2017年的持續(xù)增長使得中國成為全球最大的新能源汽車的增量市場。在未來5年全國新能源汽車將達(dá)500萬輛保有量的政策目標(biāo)的預(yù)期之下，預(yù)計(jì)到2020年前新能源汽車產(chǎn)量將會保持大約40%的年復(fù)合增速，未來5年繼續(xù)高增長勢頭。

發(fā)展新能源汽車的關(guān)鍵問題之一就是解決其在使用過程中的充電問題。新能源汽車之所以無法與傳統(tǒng)汽車競爭的主要原因在于其電池充電速度慢、續(xù)航里程短。目前電動(dòng)汽車的充電方式主要分為直流充電和交流充電兩種，一般交流充電的充電功率不超過100kW，而且充電速度較為緩慢，為提高新能源汽車在發(fā)展中的競爭力，發(fā)展大功率直流充電技術(shù)成為一種趨勢。為保證直流充電的規(guī)范性，國家在2015年底出臺了GB／T 27930－2015，對充電過程中BMS與非車載充電機(jī)CAN通信網(wǎng)絡(luò)的通信過程做了詳細(xì)的規(guī)定與要求，其目的在于最大程度上統(tǒng)一BMS與非車載充電機(jī)的充電過程，減少差異，提高兼容性。

新能源汽車是中國汽車發(fā)展的重要方向，作為其關(guān)鍵性技術(shù)之一的電動(dòng)汽車整車通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)電動(dòng)汽車研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。在電動(dòng)汽車實(shí)際使用過程中，實(shí)現(xiàn)車輛與非車載充電機(jī)的充電互聯(lián)互通是整個(gè)行業(yè)最為關(guān)心的問題。通過對一些車輛及非車載充電機(jī)的檢測發(fā)現(xiàn)，測試合格的車輛及非車載充電機(jī)進(jìn)行充電匹配測試時(shí)會出現(xiàn)無法充電的現(xiàn)象，對其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析發(fā)現(xiàn)：在充電過程中，BMS與非車載充電機(jī)CAN通信網(wǎng)絡(luò)的通信品質(zhì)不穩(wěn)定導(dǎo)致了均符合國標(biāo)的車輛與非車載充電機(jī)無法匹配充電；除此之外，還有在不改變BMS及非車載充電機(jī)程序時(shí)，在不同時(shí)間對相同測項(xiàng)進(jìn)行測試，一次測試通過，另一次不通過的現(xiàn)象產(chǎn)生，在對該問題進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)主要是由數(shù)據(jù)通信過程中的不穩(wěn)定導(dǎo)致。因此，BMS與非車載充電機(jī)之間CAN通信網(wǎng)絡(luò)在充電過程中的穩(wěn)定性，直接關(guān)系到電動(dòng)汽車使用性能。目前，國內(nèi)外整車企業(yè)及儀器設(shè)備企業(yè)對BMS與非車載充電機(jī)之間CAN通信網(wǎng)絡(luò)在充電過程中的穩(wěn)定性都有極大的關(guān)注，都在積極探索BMS與非車載充電機(jī)之間CAN通信網(wǎng)絡(luò)在充電過程中的穩(wěn)定性試驗(yàn)評價(jià)技術(shù)。

對于上述問題，在國家新出臺的幾項(xiàng)充電國標(biāo)中有關(guān)的條款略顯不足。GB／T 27930－2015只是規(guī)定了BMS與非車載充電機(jī)之間CAN通信網(wǎng)絡(luò)在充電過程中的數(shù)據(jù)交互流程，并未對該交互過程的穩(wěn)定性提出具體要求。目前已有相關(guān)企業(yè)開始著手該方面的測試分析研究。

綜上所述，BMS與非車載充電機(jī)之間CAN通信網(wǎng)絡(luò)在充電過程中的穩(wěn)定性評價(jià)將是解決充電互聯(lián)互通的關(guān)鍵所在。

2 測試平臺系統(tǒng)硬件開發(fā)

測試平臺主要由直流充電機(jī)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、BMS通信系統(tǒng)等3部分組成。由于測試平臺集成的各設(shè)備分別采用CAN總線、485總線或232總線等不同的通信方式，為實(shí)現(xiàn)測試平臺數(shù)據(jù)的集中采集及對測試平臺各設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，需要開發(fā)以單片機(jī)為核心、并且基于CAN總線的信息采集及通信方式轉(zhuǎn)換信息單元，將各設(shè)備通信方式統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為CAN總線通信方式，構(gòu)建測試平臺CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)硬件平臺。測試系統(tǒng)的主要部分如下。

1）直流充電機(jī)通信系統(tǒng)，包括電源模塊、直流充電機(jī)通信模塊。其中，電源模塊為車輛充電時(shí)提供動(dòng)力，通信模塊在充電過程中與車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2）BMS通信系統(tǒng)，包括負(fù)載和通信系統(tǒng)，用于充電過程中的電能消耗和數(shù)據(jù)通信，從而測試評價(jià)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的通信特性。

3）數(shù)據(jù)采集、控制系統(tǒng)部分，包括通信控制器、數(shù)據(jù)采集器、示波器等，主要采用CAN總線進(jìn)行各設(shè)備間輸入輸出數(shù)據(jù)交互，從而進(jìn)行各類相關(guān)控制參數(shù)的采集和控制。

在測試過程中，通過數(shù)據(jù)采集及控制單元將車輛和充電樁的連接通過中間轉(zhuǎn)接設(shè)備引出，利用轉(zhuǎn)接設(shè)備采集充電過程中的通信數(shù)據(jù)；由于連接信號已經(jīng)引出，可通過延長通信線施加相應(yīng)的干擾，本研究主要在通信線之間施加干擾，對干擾期間相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，得出影響通信品質(zhì)的主要因素。

2.1 測試平臺系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

BMS與直流充電機(jī)CAN通信網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)的測試系統(tǒng)除了需要進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，還需要采集CAN網(wǎng)絡(luò)中CAN－、CAN+電壓以及響應(yīng)時(shí)間等信息。試驗(yàn)臺集成的各設(shè)備均采用了周立功CAN的通信方式，為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)的集中采集以及對試驗(yàn)臺各設(shè)備的控制，構(gòu)建試驗(yàn)臺CAN通信網(wǎng)絡(luò)信息單元作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，在完成所指定的信號采集任務(wù)的同時(shí)，還接收工控機(jī)發(fā)送的CAN報(bào)文信息，對報(bào)文進(jìn)行解析，然后按照目標(biāo)設(shè)備的通信協(xié)議將控制命令信息重新打包傳遞給相應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于CAN總線的通信控制。

2.2 測試平臺系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的評價(jià)參數(shù)

2.2.1 通信數(shù)據(jù)的完整性

此參數(shù)是指在充電過程中，整車和充電樁之間的通信數(shù)據(jù)無漏幀丟幀的現(xiàn)象出現(xiàn)，數(shù)據(jù)保持完整。電動(dòng)汽車充電過程中如何保證通信數(shù)據(jù)完整無損的進(jìn)行傳輸是保證充電順利進(jìn)行的重要前提。

如圖1所示，測試過程中采集車輛與直流充電機(jī)之間通信的數(shù)據(jù)，并通過測試軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 數(shù)據(jù)采集圖

為實(shí)現(xiàn)上述功能，在對測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，將符合GB／T 27930－2015的通信數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入軟件系統(tǒng)中，包括數(shù)據(jù)的字節(jié)長度、發(fā)送周期、數(shù)值范圍等信息，通過編程實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的可識別功能，對測試過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)丟失等情況及時(shí)響應(yīng)。

2.2.2 通信過程的靈敏度

CAN通信數(shù)據(jù)的靈敏性是指整車或者充電樁在接收完對方的數(shù)據(jù)之后做出正確響應(yīng)的時(shí)間。本研究將通信過程的靈敏性分為兩個(gè)部分：一個(gè)方面是在正常通信過程中車輛和直流充電機(jī)之間數(shù)據(jù)的響應(yīng)情況；另一方面是指在異常條件下車輛和直流充電機(jī)的響應(yīng)能力。

本課題在軟件部分中加入實(shí)時(shí)顯示波形圖的功能，測試過程中可以通過波形反映數(shù)據(jù)的靈敏度。除此之外，波形圖中增加故障信號，便于查找故障發(fā)生的時(shí)刻，進(jìn)而反映測試樣品響應(yīng)故障的靈敏度。測試數(shù)據(jù)響應(yīng)圖如圖2所示。

2.2.3 CAN通信數(shù)據(jù)的抗擾性

本研究中的干擾主要是指硬件的干擾，對整車和充電樁之間的通信施加干擾，將干擾中的數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，未出現(xiàn)異常的情況下，抗干擾性為1，異常情況出現(xiàn)超過20次，抗干擾性定義為0，0～20次之間的抗干擾性數(shù)值線性變化。同通信過程靈敏度的實(shí)現(xiàn)方式類似，測試系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測通信信號 （CAN+、CAN－）的電壓波動(dòng)情況，從而對通信信號的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。

3 測試方案設(shè)計(jì)

3.1 CAN通信數(shù)據(jù)的完整性測試系統(tǒng)

此項(xiàng)目針對車輛和充電機(jī)在充電過程中的通信數(shù)據(jù)的完整性，通過測試臺架，分別讀取車輛和充電樁的通信數(shù)據(jù)，檢查其數(shù)據(jù)的完整性。測試臺架如圖3所示。

圖2 測試數(shù)據(jù)響應(yīng)圖

在對車輛進(jìn)行測試時(shí)，用到的是圖3中的左半部分和中間部分，右半部分連接的是電動(dòng)車，在對充電樁進(jìn)行測試時(shí)，左側(cè)連接的充電樁。整個(gè)測試過程通過控制器對其中的時(shí)序和通信情況進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，并模擬充電中的各種問題來判斷車輛與充電樁的性能。

3.2 試驗(yàn)方案

電動(dòng)汽車與非車載充電機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性測試采用的是控制變量的方法對不同工況分別進(jìn)行設(shè)定，即每次只考察一個(gè)參數(shù)，維持其他參數(shù)不變。本研究中主要考慮3個(gè)參數(shù)來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分別是數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)靈敏性和數(shù)據(jù)的抗擾性。試驗(yàn)工況如表1所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先測試被測車輛和充電樁的數(shù)據(jù)完整性，對通信數(shù)據(jù)完整的樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)靈敏性測試，對完整性符合且靈敏性較好的樣品進(jìn)行抗擾性測試。對同一樣品的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，得出本文的試驗(yàn)結(jié)論。

圖3 測試系統(tǒng)示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)

4 測試數(shù)據(jù)及分析

4.1 通信數(shù)據(jù)的完整性

本研究對5個(gè)車型的數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行了測試。由于測試過程中數(shù)據(jù)量大，本研究對測試過程中數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，將關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)整理如表2～表6所示。

表2 樣品1測試數(shù)據(jù)

表3 樣品2測試數(shù)據(jù)

表4 樣品3測試數(shù)據(jù)

表5 樣品4測試數(shù)據(jù)

表6 樣品5測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過程中，對每個(gè)樣品的測試電流均控制在5A，在無干擾情況下，測試所選所有樣品的通信數(shù)據(jù)均是完整的。GB／T 27930－2015自發(fā)布以來，各個(gè)車企、充電設(shè)施企業(yè)以及BMS等相關(guān)企業(yè)對充電過程中的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)整，由于標(biāo)準(zhǔn)對充電過程進(jìn)行了規(guī)定，需要每一個(gè)過程的數(shù)據(jù)都要完整發(fā)送，所以車輛在未加干擾情況下充電成功的通信數(shù)據(jù)均是完整的，未見異常。

4.2 通信數(shù)據(jù)的靈敏性

本研究對上述5個(gè)樣品的通信數(shù)據(jù)靈敏度進(jìn)行了測試與分析，如圖4～圖8所示，圖中橫坐標(biāo)分別表示如下階段：握手階段、辨識階段、參數(shù)配置階段、準(zhǔn)備就緒階段、充電階段、充電結(jié)束階段、充電統(tǒng)計(jì)階段。

圖4 樣品1響應(yīng)時(shí)間

圖5 樣品2響應(yīng)時(shí)間

圖6 樣品3響應(yīng)時(shí)間

圖7 樣品4響應(yīng)時(shí)間

比較上述5個(gè)樣品的響應(yīng)精度可以發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)時(shí)間的峰值集中在數(shù)值4（即準(zhǔn)備就緒階段）。車輛和充電樁在準(zhǔn)備就緒階段，除了發(fā)送數(shù)據(jù)與對方進(jìn)行通信外，識別對方數(shù)據(jù)中的信息進(jìn)行判定，還需要傳輸數(shù)據(jù)控制充電繼電器的吸合，此階段的通信靈敏度最差。

圖8 樣品5響應(yīng)時(shí)間

比較5個(gè)樣品的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，樣品1在充電準(zhǔn)備就緒階段的響應(yīng)時(shí)間約為800ms，樣品4在此階段的響應(yīng)時(shí)間約為300ms，樣品2在此階段的響應(yīng)時(shí)間約為200ms，樣品3和樣品5此階段的響應(yīng)時(shí)間約為120ms。在充電準(zhǔn)備就緒過程中每幀數(shù)據(jù)的發(fā)送周期有50ms／250ms等，穩(wěn)定精度較好的樣品與穩(wěn)定精度差的樣品在時(shí)間上相差約680ms，相差約13／2個(gè)數(shù)據(jù)周期，可見市面上的產(chǎn)品在通信系統(tǒng)的響應(yīng)精度還是存在明顯差別的。

此項(xiàng)測試也說明，當(dāng)車輛或者充電樁在通信的同時(shí)需要處理其他流程時(shí)，通信靈敏性會變差。GB／T 27930－2015中規(guī)定車輛與非車載充電機(jī)之間的節(jié)點(diǎn)應(yīng)由BMS與充電機(jī)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，若是車輛或者充電樁內(nèi)部某個(gè)部件共用此節(jié)點(diǎn)，會導(dǎo)致除了充電的國標(biāo)報(bào)文外有其他報(bào)文進(jìn)入對方的識別系統(tǒng)，干擾充電樁和車輛的識別速率，影響充電過程。但是車輛和充電樁的數(shù)據(jù)負(fù)載率究竟有多大，有待進(jìn)一步研究。

4.3 通信數(shù)據(jù)的抗干擾性

由于樣品情況及時(shí)間等原因，此項(xiàng)目僅針對其中1個(gè)車型和1個(gè)充電樁進(jìn)行。

本研究中采用的測試干擾為浪涌沖擊和傳導(dǎo)抗擾兩種，施加原則與整車EMC測試時(shí)的干擾等級一致，分別施加浪涌沖擊1～4級以及傳導(dǎo)抗擾1～4級干擾，將未施加干擾時(shí)的數(shù)據(jù)和施加不同等級干擾時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，隨著干擾等級的增加，CAN通信數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障的次數(shù)逐漸增加?，F(xiàn)場測試如圖9所示，測試數(shù)據(jù)如圖10～圖14所示。

圖9 現(xiàn)場測試圖

圖10 正常充電數(shù)據(jù)

圖11 施加1級和2級干擾的數(shù)據(jù)

圖12 施加3級干擾時(shí)數(shù)據(jù)

圖13 樣品1施加4級干擾時(shí)數(shù)據(jù)

圖14 樣品2施加4級干擾時(shí)數(shù)據(jù)

由上述數(shù)據(jù)，對通信系統(tǒng)未施加干擾以及施加等級較低的干擾時(shí)，通信系統(tǒng)不受干擾影響，通信數(shù)據(jù)完整準(zhǔn)確，隨著干擾等級的逐漸增大，通信數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)異常，并且異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率隨著干擾等級的增加在不斷增加，當(dāng)干擾增加到4級時(shí)，異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)頻率已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較高值，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)即使在4級的干擾情況下也未影響車輛和充電樁之間正常充電的進(jìn)行。但在干擾施加和撤離的瞬間，充電的電流和電壓都有一個(gè)明顯的突變，影響充電體驗(yàn)。

5 總結(jié)

本研究對充電過程中車輛與非車載充電機(jī)之間的CAN通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，研究對象是通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，并通過3個(gè)參數(shù)對通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)，分別是通信數(shù)據(jù)的完整性、靈敏性以及抗擾性。通過設(shè)計(jì)不同的測試方案，對CAN通信網(wǎng)絡(luò)的整體情況得出如下結(jié)論。

1）所選測試樣品在未加干擾時(shí)均可保證通信數(shù)據(jù)的完整性。

2）所選測試樣品在未加干擾時(shí)均可在指定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)對方的通信數(shù)據(jù)并回復(fù)；通信數(shù)據(jù)的靈敏性會隨著車輛或者充電樁控制充電系統(tǒng)其他部件的增加而變?nèi)酢?/p>

3）所選測試樣品可承受一定程度的浪涌沖擊和傳導(dǎo)抗擾，但隨著干擾等級的增加，通信品質(zhì)變差，通信中出現(xiàn)的錯(cuò)誤也會增加。

6 展望

針對本研究得出的結(jié)論，建議后面的工作圍繞以下幾個(gè)方面開展。

1）增加軟件干擾測試部分，即在正常充電過程中，發(fā)送幀ID、幀內(nèi)容等不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)對通信過程進(jìn)行干擾，并變換干擾數(shù)據(jù)的發(fā)送周期，找出被測系統(tǒng)的CAN容錯(cuò)率，為標(biāo)準(zhǔn)的條款提供數(shù)據(jù)支撐。

2）增加干擾等級及干擾存在時(shí)間，在本研究的基礎(chǔ)上，增加干擾等級及干擾施加時(shí)間，直至充電失敗，找出被測充電系統(tǒng)的抗干擾程度。

3）設(shè)計(jì)一些針對CAN通信的測試方案，例如CAN+、CAN-電壓異常、阻值異常等情況，從硬件和軟件兩個(gè)角度分析影響CAN通信品質(zhì)的因素。