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国标充电系统开发仿真与互操作性测试
2020-07-15 20:17:31· 来源：Vector维克多
中国很早开始布局新能源领域：制定相关法律法规，加速助力电动化转型，快速实现产业化和规模化的飞跃式发展。《新能源汽车发展规划（2021-2035年）》征求意见稿
中国很早开始布局新能源领域：制定相关法律法规，加速助力电动化转型，快速实现产业化和规模化的飞跃式发展。《新能源汽车发展规划（2021-2035年）》征求意见稿明确指出发展目标：到2025年新能源汽车销量占比达到25%。仅在2018年，中国消费者就购买了100多万辆电动汽车，预计到2020年，中国电动汽车保有量将超过500万。与此同时，充电设施也在迅速增加来保证充足的电力供应。
电动交通的成功与车辆和充电设施之间兼容性密切相关。不同厂商对于国标的理解和实现上可能存在偏差，使得不同品牌电动车辆在不同品牌的充电桩上可能存在无法充电的情况。因此中国在2017年发布了一系列充电互操作性测试规范，用于验证供电设备（EVSE）和车辆（EV）满足GB/T充电要求的程度，以及通信协议和时序的匹配度。
国标充电标准与测试规范
GB/T 充电标准
GB/T 互操作性测试规范
GB/T 18487.1 《电动汽车传导充电系统 - 通用要求》
GB/T 34657.1 《电动汽车传导充电互操作性测试规范 – 第一部分：供电设备》
GB/T 34657.2 《电动汽车传导充电互操作性测试规范 – 第二部分：车辆》
GB/T 20234.1《电动汽车传导充电用连接装置 – 第一部分：通用要求》
GB/T 20234.2《电动汽车传导充电用连接装置 – 第二部分：交流充电接口》
GB/T 20234.3《电动汽车传导充电用连接装置 – 第三部分：直流充电接口》
GB/T 27930 《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》
GB/T 34658 《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议一致性测试》
充电通信协议GB/T 27930
当前协议版本为GB/T 27930-2015，替代之前的GB/T 27930-2011。GB/T 27930基于SAE J1939协议，使用CAN总线作为电动汽车非车载传导式充电机（以下简称充电机）和电池管理系统（BMS）之间的点对点连接。默认通信传输速率为250kbit/s，同时可兼容因线路质量差或外部干扰严重的50kbit/s。报文ID遵循J1939的 CAN扩展帧规则，支持J1939-21中RTS（Request to Send）/CTS（Clear to Send）或CMDT（Connection Mode Data Transfer）进行定向数据传输的协议，也包含DM1～DM6这六个标准诊断报文。
GB/T 27930与J1939协议区别
GB/T 27930在J1939基础上进行裁减优化，例如删除J1939-81的地址仲裁，即未定义用于地址声明，命令地址和名称管理的参数组。这是因为整个通信过程中只涉及充电机和BMS，所以可以明确其地址：充电机86（56h）和BMS 244（F4h），这与J1939中预定义地址有所冲突。由于当前J1939-21的请求机制仅用于诊断，因此无论ACKN（PGN E800h）、Request2（PGN C900h）还是Transfer（PGN CA00h）参数组都不再适用。
GB/T 27930的诊断报文DM1～DM6会将通信过程中出现的问题信息封装到诊断故障码DTC中，但功能和参数组编号（PGN）的定义与J1939不同。DTC从第1个Byte开始，而非原来的第3个Byte，并且使用长度（DLC）小于8个Byte的报文。
充电通信流程
充电流程主要是充电机与BMS双方就车辆的能源需求，以及充电期间使用的电流和电压达成一致。在成功建立物理连接之后，BMS将所需的充电电流和电压通知（请求）充电机。如果充电机能够提供所需能量，则进入参数配置阶段；如果电网无法提供足够的电力（例如同一时刻充电的车辆过多），则充电机会减少电流传输，动态适配来保证充电过程的正常进行。
充电机开始发送数据，如CHM（charger handshake message，充电器握手报文），BMS接收CHM并执行相应的操作，如检查连接状态，若已成功执行，BMS开始向充电机反馈BHM（BMS handshake message，BMS握手报文）。收到BHM后充电机立即启动后续操作并检查兼容性。双方握手完成后，开始进入下一阶段的报文发送。
图1 充电通信报文和状态转移示意图
充电阶段报文说明
在Phase 4充电阶段中不涉及任何状态转换，BMS和充电机会周期性的独立发送报文。车辆基于BCL（battery charging demand，电池充电需求）报文将需求发送给充电机，并通过BCS（overall battery charging status，电池充电总状态）和BSM（power storage battery status information，动力存储电池状态信息）报文提供自身状态和额外信息。另一方面，充电机发送CCS（charger’s charging status，充电机充电状态）报文给车辆告知其状态，以及可提供的电流和最大电压。
此外，还有三种可选的车辆状态报文：BMV（单体动力蓄电池电压），BMT（动力蓄电池温度）和BSP（动力蓄电池预留报文）。充电过程一直持续到BMS或充电机满足充电结束条件为止，例如电池充满，达到指定充电时间，或者驾驶员在未充满电时需要继续行驶等手动中止情况。
图2 充电交互与结束阶段
充电故障分析
充电过程中的问题可分为通信故障和设备故障。前者如超时响应，在规定的时间内未发生状态转换或周期报文时间偏差大。后者可能包括继电器故障，元件过温，开/短路，目标电流/电压值异常等问题。系统已集成故障响应机制，故障端会取消连接或停止能量传输等方式中止充电过程。
高效的EV/EVSE仿真方案
无论对于OEM还是充电设施的制造商，在开发和验证阶段，都需要合适的EVSE/EV与之交互，同时监测分析通信数据是否符合标准定义，并且模拟不同性能的EVSE/EV，从而提高产品质量与兼容性。
智能充电模块CANoe Option Smart Charging在Option J1939的基础上满足EVSE/EV功能仿真，充电时序控制，通信数据解析和记录，故障注入与提示，同时提供图形用户界面便于工程师修改EVSE/EV的仿真参数，还提供相应的API函数用于自动化控制和测试状态反馈，例如模拟单体蓄电池元件的温度及波动范围，并估算充电时间。
图3 国标EVSE/EV仿真系统
仿真系统与真实EV/EVSE之间的硬件接口则由VT System中I/O板卡提供。VT6051A高性能实时硬件平台既可以保证系统的快速响应和低时延，也可以独立于PC运行，让整个系统成为一个即插即用的EV/EVSE；VT2004A和VT2816板卡模拟控制导引电路和检测点电压采集等功能；VT6104A提供CAN总线通信通道。工程师可以通过板卡自带的故障注入功能，模拟开路、短路、异常状态参数等多种验证场景，并且提供丰富的接口（模拟量、以太网、串口、总线等）控制第三方的电源和电子负载，来满足不同功率需求。
图4 国标EV仿真测试系统
图5 国标EVSE仿真测试系统
EV一致性自动化测试方案
直流DC充电交互能力测试主要包括：车辆插座的空间尺寸、车辆侧物理连接点的参数（检测点1和检测点2电气要求）、充电模式和行驶模式是否互锁、常规充电协议和时序测试、异常测试（如通信故障、绝缘故障、PE断针故障等）验证充电是否停止和边界测试（如检测点2低压时充电是否正常）。
一致性测试包CANoe Test Package EV可满足GB/T 34658中针对车端所有测试项。如图6所示，CANoe Test Package EV通过自动化脚本软件vTESTstudio生成测试用例（源码），并结合“Generator Tool”自动创建和导入测试用例的CANoe测试工程，在CANoe中执行脚本，控制VT System和外部硬件，并生成可追溯的测试报告。
图6 一致性测试包操作流程
测试系统与被测车辆连接简单方便。充电接口中S+/S-触头与VT6104A提供的CAN物理通道CAN_H/CAN_L对接，并映射到CANoe测试工程中“GBT_27930_Charger”网络。VT2004A和VT2816模块模拟GB/T 18487.1中控制导引电路的接口信号：提供CC1和CC2触头中的连接确认电阻R1/R2/R3和检测点1电压采集；激励和测量A+/A-触头的低压辅助电源；保护地PE连接；其中EVSE的U1电压可通过VT System背板电源（12V）提供，或者通过VT2816中Ch.12~Ch.14仿真激励。
图7一致性测试执行与分析
在电动化技术方面，Vector提供专业的仿真和测试工具，并拥有专职测试工程服务团队，承接一致性测试中所需功率设备的集成服务。
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