一、引言

本文深入研究車載充電系統(tǒng)策略，設(shè)計出一套基于電動汽車電池管理系統(tǒng)與車載充電機的CAN通信協(xié)議，可供電動汽車設(shè)計人員參考借鑒。

二、電動汽車充電系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

電動汽車整車控制系統(tǒng)中采用的是CAN總線通信方式，由一個整車內(nèi)部高速CAN網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)部低速CAN網(wǎng)絡(luò)和一個充電系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)組成。內(nèi)部高速CAN網(wǎng)絡(luò)掛接的設(shè)備主要有電池管理系統(tǒng)、電機控制器、車載顯示系統(tǒng)等實時性要求很高的設(shè)備。

內(nèi)部低速CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有電動汽車燈光控制器、空調(diào)控制器、車門及車窗控制器等對實時性要求相對較低的設(shè)備。充電系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)是專門用于充電機與電池管理系統(tǒng)通信的高速CAN網(wǎng)絡(luò)，此CAN網(wǎng)絡(luò)采用的是擴展數(shù)據(jù)幀格式，仲裁域有29位標(biāo)示符（11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)示符和18位擴展標(biāo)示符）。

電動汽車充電系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)掛接的設(shè)備有電動汽車非車載充電機、電動汽車車載充電機、電動汽車電池管理系統(tǒng)和監(jiān)控設(shè)備等。通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。



在充電系統(tǒng)中，非車載充電機屬于電動汽車整車之外的設(shè)備，只有電動汽車行駛到電動汽車充電站的時候才將其通過專用充電電纜接入到充電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中來，而車載充電機一直與充電通信網(wǎng)絡(luò)連接，屬于整車系統(tǒng)的一部分。監(jiān)控系統(tǒng)用于對電動汽車充電系統(tǒng)的調(diào)試或者維修，一般情況下不接入通信系統(tǒng)當(dāng)中，只有在系統(tǒng)需要調(diào)試或者維修時將此設(shè)備接入通訊網(wǎng)絡(luò)。

表1是對電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點的地址分配。


表1中所列出的是各個設(shè)備在電動汽車充電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的地址碼，其用于保證消息標(biāo)識符的唯一性以及表明消息的來源。此表中各個設(shè)備的地址為不可配置地址，其固化在ECU（Electronic Control Unit）的程序代碼中，包括服務(wù)工具在內(nèi)的任何手段都不能將其更改。

三、電池管理系統(tǒng)與車載充電機通信策略

目前國家已經(jīng)頒布電動汽車與非車載充電機通信協(xié)議，在此不再做詳細(xì)介紹。本文將以目前已有的非車載充電機通信協(xié)議作為參考，提出并設(shè)計電池管理系統(tǒng)與車載充電機之間的通信協(xié)議。

在整個通訊網(wǎng)絡(luò)中非車載充電機與車載充電機2個設(shè)備之間并不會進(jìn)行信息交換，其二者分別只與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊，所以電池管理系統(tǒng)表現(xiàn)出來的是一對多的通訊特點。與已有非車載通信協(xié)議相同，車載充電機協(xié)議包括4個流程，其分為握手、參數(shù)配置、充電、充電結(jié)束4個階段。電池管理系統(tǒng)與車載充電機通信協(xié)議與已有通信協(xié)議不同之處主要在握手階段、充電階段以及充電過程的安全監(jiān)控協(xié)議的內(nèi)容。下面本文將對3處不同點進(jìn)行詳細(xì)論述。

（1）充電握手階段

握手主要完成電池管理系統(tǒng)對充電設(shè)備的識別，此階段主要是確定所接入的充電設(shè)備是車載充電機還是非車載充電機，以便選擇相應(yīng)的通信協(xié)議，并為充電主回路的接通做好鋪墊。設(shè)備識別階段流程圖如圖2所示。



從圖2握手階段流程圖可知，當(dāng)電池管理系統(tǒng)接收到的應(yīng)答設(shè)備為車載充電機，且充電機不是初次使用，通信過程直接進(jìn)入下一階段（參數(shù)配置階段），而不再進(jìn)行信息互換。這是因為車載充電機安裝在電動汽車上，所以對于電池管理系統(tǒng)和充電機之間不必每次都將自己的設(shè)備信息發(fā)送給對方，只需要按初次使用電動汽車或者電池管理系統(tǒng)和充電機恢復(fù)出廠設(shè)置之后進(jìn)行一次信息的交換，這有助于充電過程的快速建立。

（2）充電階段

因為電動汽車充電系統(tǒng)中存在車載和非車載2個2類充電機，所以充電系統(tǒng)的主回路分為車載充電主電路和非車載充電主回路，硬件系統(tǒng)需要為2個主回路分別配置繼電器通/斷電路，當(dāng)其中一種充電機接入系統(tǒng)中時，電池管理系統(tǒng)控制相對應(yīng)的繼電器閉合以使主回路導(dǎo)通，實現(xiàn)電池組充電。圖3為充電階段流程圖。在動力電池包充電完成時電池管理系統(tǒng)首先需要釋放相應(yīng)的繼電器來斷開充電機的主電路部分。


（3）安全監(jiān)控幀處理

在電動汽車充電系統(tǒng)中，信息幀的完善與否直接關(guān)系到充電系統(tǒng)的安全性和可靠性。由于車載充電機安裝在電動汽車上，所以安全監(jiān)控更為重要。

在原有通信協(xié)議基礎(chǔ)上，電動汽車充電系統(tǒng)協(xié)議需要在整個充電過程增加更多的、更高要求的安全監(jiān)控幀，以確保人員及設(shè)備的安全。圖4是針對充電階段中充電過程的安全管理程序流程圖。

圖4中，BMS與充電機之間信息傳遞都需要等待接收判斷，如果對方系統(tǒng)長時間沒有收到通信數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)超時，通信失敗，如果系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)收到對方信息，則通信繼續(xù)進(jìn)行。

圖4中的BMS異常判斷和充電機異常判斷分別由各自的控制器完成。電池管理系統(tǒng)的異常判斷主要有：電池組過電流檢測、電池組漏流檢測、電池組過/欠電壓檢測、單體電池過/欠電壓檢測、電池包過高溫/過低溫檢測等。車載充電機的異常判斷主要有：輸入過/欠壓檢測、輸出過/欠壓檢測、輸出過流檢測、漏流檢測、短路保護檢測、充電機過溫檢測、主回路繼電器狀態(tài)檢測等。



電動汽車在終止或者充電完成時，電池管理系統(tǒng)和充電機會互相發(fā)送充電停止報文，報文內(nèi)容記錄了充電是因為何種原因停止的。如果是正常充電完成，報文將會顯示當(dāng)前沒有設(shè)備報錯，充電正常結(jié)束。

四、電池管理系統(tǒng)與車載充電機通信報文

電池管理系統(tǒng)與車載充電機充電過程分為A1-握手階段、A2-配置階段、A3-充電階段和A4-充電結(jié)束階段。另外還有一個A5-故障狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)充電異常時開始A5報文的發(fā)送。

因本文設(shè)計的車載充電策略及協(xié)議與非車載充電之間不同之處主要在A1-握手階段、A3-充電階段（充電過程及安全監(jiān)控）。下面本文將對A1-握手階段、A3-充電階段和A5-故障狀態(tài)進(jìn)行包括ID信息和數(shù)據(jù)信息的具體協(xié)議的定制，而對A2-配置階段、A4-充電結(jié)束階段的協(xié)議進(jìn)行ID信息的定制。

1.A1握手階段

（1）BMS辨識報文
報文目的：向充電機提供BMS辨識信息。
發(fā)送區(qū)間：握手階段。
發(fā)送者：BMS；接收者：車載充電機。
表2為BMS辨識報文ID信息。表3為A1BMS辨識報文數(shù)據(jù)信息。

byte7（協(xié)議選擇）：
bit11-代表電池的生產(chǎn)廠商，電池材料和生產(chǎn)日期；
bit10-代表通信協(xié)議版本號和整車蓄電池組信息）；
bit01-代表充電次數(shù)和電池ID號。

（2）充電機辨識報文
報文目的：向BMS提供充電機辨識信息。
發(fā)送區(qū)間：握手階段。
發(fā)送者：車載充電機；接收者：BMS。
表4為A1充電機辨識報文ID信息，表5為A1充電機辨識報文數(shù)據(jù)信息。


2.A3充電階段

（1）電池充電級別需求
報文目的：讓充電機能夠根據(jù)電池充電級別需求實時調(diào)整充電參數(shù)，確保充電過程正常進(jìn)行。如果充電機在100ms內(nèi)沒有收到該報文，即為超時錯誤，充電機應(yīng)立即結(jié)束充電。
發(fā)送區(qū)間：充電階段。
發(fā)送者：BMS；接收者：車載充電機。
表6為A3電池充電級別需求ID信息，表7為A3電池充電級別需求數(shù)據(jù)信息。


（2）電池充電狀態(tài)
報文目的：BMS將實際測量到的電池組充電電壓、充電電流、電池組最高溫度以及電池組最低溫度發(fā)送給充電機，充電機根據(jù)電池充電狀態(tài)監(jiān)控充電過程，除此之外，充電監(jiān)控系統(tǒng)也能夠顯示電池充電狀態(tài)。
發(fā)送區(qū)間：充電階段。
發(fā)送者：BMS；接收者：車載充電機。
表8為A3電池充電狀態(tài)ID信息，表9為A3電池充電狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。


（3）充電機充電狀態(tài)
報文目的：讓BMS監(jiān)測充電機
當(dāng)前控制輸出的充電電流、電壓值
是否與電池充電級別需求一致，以確保整個充電過程順利進(jìn)行。如
果BMS在100ms內(nèi)沒收到該報文，即為超時錯誤，BMS應(yīng)立即結(jié)束充電。
發(fā)送區(qū)間：充電階段。
發(fā)送者：車載充電機；接收者：BMS。
表10為A3充電機充電狀態(tài)ID信息，表11為A3充電機充電狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。


（4）BMS終止充電報文
報文目的：讓充電機確認(rèn)BMS即將結(jié)束充電以及結(jié)束充電的原因。
發(fā)送區(qū)間：充電階段。
發(fā)送者：BMS；接收者：車載充電機。
表12為A3BMS終止充電報文ID信息，表13為A3BMS終止充電報文數(shù)據(jù)信息。

byte0：bit00-是否達(dá)到總電壓設(shè)定值
bit01-是否達(dá)到單體電壓設(shè)定值
byte1：bit07-電池、電子元器件過溫故障
bit08-連接器過溫故障
bit09-BMS硬件故障
byte2：bit16-電流不匹配
bit17-電壓不匹配
byte3：bit24~25-是否正常結(jié)束充電
bit26~27-充電結(jié)束判定依據(jù)

（5）充電機終止充電報文
報文目的：讓BMS確認(rèn)充電機即將結(jié)束充電以及結(jié)束充電的原因。
發(fā)送區(qū)間：充電階段。
發(fā)送者：車載充電機；接收者：BMS。
表14為A3充電機終止充電報文ID信息，表15為A3充電機終止充電報文數(shù)據(jù)信息。

byte0：bit00-是否達(dá)到充電機設(shè)定的SOC值
bit01-是否達(dá)到充電機設(shè)定的電量值
bit02-是否達(dá)到充電時間的設(shè)定值。
byte1：bit10-充電機過溫故障
bit11-連接器過溫故障
bit12-連接線過溫故障
bit13-充電機硬件故障
bit14-所需電量不能傳送故障
byte2：bit20-電流不匹配
bit21-電壓不匹配
byte3：bit30~31-是否正常結(jié)束充電
bit32~33-充電結(jié)束判定依據(jù)

3．A5錯誤報文

（1）BMS錯誤報文
報文目的：顯示充電錯誤原因。
發(fā)送區(qū)間：當(dāng)BMS檢測到錯誤時，發(fā)送該報文。
發(fā)送者：BMS；接收者：廣播。
表16為A5BMS錯誤報文ID信息，表17為A5BMS錯誤報文數(shù)據(jù)
信息。

byte0：bit00-BMS接收充電機辨識報文是否超時
byte1：bit10-BMS接收充電機最大輸出能力報文是否超時
bit11-BMS接收充電機充電準(zhǔn)備報文是否超時
byte2：bit20-BMS接收充電機充電狀態(tài)報文是否超時
bit21-BMS接收充電機中止充電報文是否超時
byte3：bit30-低壓輔助電源是否正常

（2）充電機錯誤報文
報文目的：顯示充電錯誤原因。
發(fā)送區(qū)間：當(dāng)充電機檢測到錯誤時，發(fā)送該報文。
發(fā)送者：車載充電機；接收者：廣播。
表18為A5充電機錯誤報文ID信息，表19為A5充電機錯誤報文數(shù)據(jù)信息。

byte0：bit0-充電機接收BMS辨識報文是否超時
bit1-充電機接收車輛識別代碼報文是否超時
byte1：bit10-充電機接收BMS充電準(zhǔn)備報文是否超時
byte2：bit20-充電機接收電池充電級別需求報文是否超時
bit21-充電機接收電池充電狀態(tài)報文是否超時
byte3：bit30-充電機接收BMS充電統(tǒng)計報文是否超時

4.A2配置階段

（1）A2充電機最大輸出能力
報文目的：讓BMS根據(jù)充電機最大輸出能力判斷是否能夠進(jìn)行充電。
發(fā)送區(qū)間：配置階段。
發(fā)送者：充電機；接收者：車載充電機。
表20為A2充電機最大輸出能力ID信息。


（2）A2BMS充電準(zhǔn)備報文
報文目的：讓充電機確認(rèn)BMS充電準(zhǔn)備狀態(tài)。
發(fā)送區(qū)間：配置階段。
發(fā)送者：BMS；接收者：車載充電機。
表21為A2BMS充電準(zhǔn)備報文ID信息。


（3）A2充電機充電準(zhǔn)備報文
報文目的：讓BMS確定充電機充電準(zhǔn)備狀態(tài)。
發(fā)送區(qū)間：配置階段。
發(fā)送者：車載充電機；接收者：BMS。
表22為A充電機充電準(zhǔn)備報文ID信息。


5.A4充電結(jié)束階段

（1）BMS充電統(tǒng)計
報文目的：讓充電機確認(rèn)BMS對于本次充電過程的充電統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
發(fā)送區(qū)間：充電結(jié)束階段。
發(fā)送者：BMS；接收者：車載充電機。
表23為A4BMS充電統(tǒng)計ID信息。


（2）充電機充電統(tǒng)計
報文目的：讓充電監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)充電機對于本次充電過程的充電統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
發(fā)送區(qū)間：充電結(jié)束階段。
發(fā)送者：車載充電機；接收者：廣播。
表24為A4充電機充電統(tǒng)計ID信息。


五、總結(jié)

本文在研究了現(xiàn)有電動汽車車載充電策略基礎(chǔ)上，設(shè)計出一套電動汽車車載充系統(tǒng)的通信方案并制定了電動汽車電池管理系統(tǒng)與車載充電機之間的充電過程通信協(xié)議，對從事電動汽車車載充電系統(tǒng)的設(shè)計者有一定的指導(dǎo)作用。