纯电动汽车车载充电系统通信研究

一、引言

本文深入研究车载充电系统策略，设计出一套基于电动汽车电池管理系统与车载充电机的CAN通信协议，可供电动汽车设计人员参考借鉴。

二、电动汽车充电系统通讯网络

电动汽车整车控制系统中采用的是CAN总线通信方式，由一个整车内部高速CAN网络、内部低速CAN网络和一个充电系统CAN网络组成。内部高速CAN网络挂接的设备主要有电池管理系统、电机控制器、车载显示系统等实时性要求很高的设备。

内部低速CAN网络设备有电动汽车灯光控制器、空调控制器、车门及车窗控制器等对实时性要求相对较低的设备。充电系统CAN网络是专门用于充电机与电池管理系统通信的高速CAN网络，此CAN网络采用的是扩展数据帧格式，仲裁域有29位标示符（11位标准标示符和18位扩展标示符）。

电动汽车充电系统的通信网络挂接的设备有电动汽车非车载充电机、电动汽车车载充电机、电动汽车电池管理系统和监控设备等。通信系统结构如图1所示。



在充电系统中，非车载充电机属于电动汽车整车之外的设备，只有电动汽车行驶到电动汽车充电站的时候才将其通过专用充电电缆接入到充电网络当中来，而车载充电机一直与充电通信网络连接，属于整车系统的一部分。监控系统用于对电动汽车充电系统的调试或者维修，一般情况下不接入通信系统当中，只有在系统需要调试或者维修时将此设备接入通讯网络。

表1是对电动汽车充电网络设备节点的地址分配。


表1中所列出的是各个设备在电动汽车充电系统网络中的地址码，其用于保证消息标识符的唯一性以及表明消息的来源。此表中各个设备的地址为不可配置地址，其固化在ECU（Electronic Control Unit）的程序代码中，包括服务工具在内的任何手段都不能将其更改。

三、电池管理系统与车载充电机通信策略

目前国家已经颁布电动汽车与非车载充电机通信协议，在此不再做详细介绍。本文将以目前已有的非车载充电机通信协议作为参考，提出并设计电池管理系统与车载充电机之间的通信协议。

在整个通讯网络中非车载充电机与车载充电机2个设备之间并不会进行信息交换，其二者分别只与电池管理系统进行通讯，所以电池管理系统表现出来的是一对多的通讯特点。与已有非车载通信协议相同，车载充电机协议包括4个流程，其分为握手、参数配置、充电、充电结束4个阶段。电池管理系统与车载充电机通信协议与已有通信协议不同之处主要在握手阶段、充电阶段以及充电过程的安全监控协议的内容。下面本文将对3处不同点进行详细论述。

（1）充电握手阶段

握手主要完成电池管理系统对充电设备的识别，此阶段主要是确定所接入的充电设备是车载充电机还是非车载充电机，以便选择相应的通信协议，并为充电主回路的接通做好铺垫。设备识别阶段流程图如图2所示。



从图2握手阶段流程图可知，当电池管理系统接收到的应答设备为车载充电机，且充电机不是初次使用，通信过程直接进入下一阶段（参数配置阶段），而不再进行信息互换。这是因为车载充电机安装在电动汽车上，所以对于电池管理系统和充电机之间不必每次都将自己的设备信息发送给对方，只需要按初次使用电动汽车或者电池管理系统和充电机恢复出厂设置之后进行一次信息的交换，这有助于充电过程的快速建立。

（2）充电阶段

因为电动汽车充电系统中存在车载和非车载2个2类充电机，所以充电系统的主回路分为车载充电主电路和非车载充电主回路，硬件系统需要为2个主回路分别配置继电器通/断电路，当其中一种充电机接入系统中时，电池管理系统控制相对应的继电器闭合以使主回路导通，实现电池组充电。图3为充电阶段流程图。在动力电池包充电完成时电池管理系统首先需要释放相应的继电器来断开充电机的主电路部分。


（3）安全监控帧处理

在电动汽车充电系统中，信息帧的完善与否直接关系到充电系统的安全性和可靠性。由于车载充电机安装在电动汽车上，所以安全监控更为重要。

在原有通信协议基础上，电动汽车充电系统协议需要在整个充电过程增加更多的、更高要求的安全监控帧，以确保人员及设备的安全。图4是针对充电阶段中充电过程的安全管理程序流程图。

图4中，BMS与充电机之间信息传递都需要等待接收判断，如果对方系统长时间没有收到通信数据，则系统超时，通信失败，如果系统在规定时间内收到对方信息，则通信继续进行。

图4中的BMS异常判断和充电机异常判断分别由各自的控制器完成。电池管理系统的异常判断主要有：电池组过电流检测、电池组漏流检测、电池组过/欠电压检测、单体电池过/欠电压检测、电池包过高温/过低温检测等。车载充电机的异常判断主要有：输入过/欠压检测、输出过/欠压检测、输出过流检测、漏流检测、短路保护检测、充电机过温检测、主回路继电器状态检测等。



电动汽车在终止或者充电完成时，电池管理系统和充电机会互相发送充电停止报文，报文内容记录了充电是因为何种原因停止的。如果是正常充电完成，报文将会显示当前没有设备报错，充电正常结束。

四、电池管理系统与车载充电机通信报文

电池管理系统与车载充电机充电过程分为A1-握手阶段、A2-配置阶段、A3-充电阶段和A4-充电结束阶段。另外还有一个A5-故障状态，当出现充电异常时开始A5报文的发送。

因本文设计的车载充电策略及协议与非车载充电之间不同之处主要在A1-握手阶段、A3-充电阶段（充电过程及安全监控）。下面本文将对A1-握手阶段、A3-充电阶段和A5-故障状态进行包括ID信息和数据信息的具体协议的定制，而对A2-配置阶段、A4-充电结束阶段的协议进行ID信息的定制。

1.A1握手阶段

（1）BMS辨识报文
报文目的：向充电机提供BMS辨识信息。
发送区间：握手阶段。
发送者：BMS；接收者：车载充电机。
表2为BMS辨识报文ID信息。表3为A1BMS辨识报文数据信息。

byte7（协议选择）：
bit11-代表电池的生产厂商，电池材料和生产日期；
bit10-代表通信协议版本号和整车蓄电池组信息）；
bit01-代表充电次数和电池ID号。

（2）充电机辨识报文
报文目的：向BMS提供充电机辨识信息。
发送区间：握手阶段。
发送者：车载充电机；接收者：BMS。
表4为A1充电机辨识报文ID信息，表5为A1充电机辨识报文数据信息。


2.A3充电阶段

（1）电池充电级别需求
报文目的：让充电机能够根据电池充电级别需求实时调整充电参数，确保充电过程正常进行。如果充电机在100ms内没有收到该报文，即为超时错误，充电机应立即结束充电。
发送区间：充电阶段。
发送者：BMS；接收者：车载充电机。
表6为A3电池充电级别需求ID信息，表7为A3电池充电级别需求数据信息。


（2）电池充电状态
报文目的：BMS将实际测量到的电池组充电电压、充电电流、电池组最高温度以及电池组最低温度发送给充电机，充电机根据电池充电状态监控充电过程，除此之外，充电监控系统也能够显示电池充电状态。
发送区间：充电阶段。
发送者：BMS；接收者：车载充电机。
表8为A3电池充电状态ID信息，表9为A3电池充电状态数据信息。


（3）充电机充电状态
报文目的：让BMS监测充电机
当前控制输出的充电电流、电压值
是否与电池充电级别需求一致，以确保整个充电过程顺利进行。如
果BMS在100ms内没收到该报文，即为超时错误，BMS应立即结束充电。
发送区间：充电阶段。
发送者：车载充电机；接收者：BMS。
表10为A3充电机充电状态ID信息，表11为A3充电机充电状态数据信息。


（4）BMS终止充电报文
报文目的：让充电机确认BMS即将结束充电以及结束充电的原因。
发送区间：充电阶段。
发送者：BMS；接收者：车载充电机。
表12为A3BMS终止充电报文ID信息，表13为A3BMS终止充电报文数据信息。

byte0：bit00-是否达到总电压设定值
bit01-是否达到单体电压设定值
byte1：bit07-电池、电子元器件过温故障
bit08-连接器过温故障
bit09-BMS硬件故障
byte2：bit16-电流不匹配
bit17-电压不匹配
byte3：bit24~25-是否正常结束充电
bit26~27-充电结束判定依据

（5）充电机终止充电报文
报文目的：让BMS确认充电机即将结束充电以及结束充电的原因。
发送区间：充电阶段。
发送者：车载充电机；接收者：BMS。
表14为A3充电机终止充电报文ID信息，表15为A3充电机终止充电报文数据信息。

byte0：bit00-是否达到充电机设定的SOC值
bit01-是否达到充电机设定的电量值
bit02-是否达到充电时间的设定值。
byte1：bit10-充电机过温故障
bit11-连接器过温故障
bit12-连接线过温故障
bit13-充电机硬件故障
bit14-所需电量不能传送故障
byte2：bit20-电流不匹配
bit21-电压不匹配
byte3：bit30~31-是否正常结束充电
bit32~33-充电结束判定依据

3．A5错误报文

（1）BMS错误报文
报文目的：显示充电错误原因。
发送区间：当BMS检测到错误时，发送该报文。
发送者：BMS；接收者：广播。
表16为A5BMS错误报文ID信息，表17为A5BMS错误报文数据
信息。

byte0：bit00-BMS接收充电机辨识报文是否超时
byte1：bit10-BMS接收充电机最大输出能力报文是否超时
bit11-BMS接收充电机充电准备报文是否超时
byte2：bit20-BMS接收充电机充电状态报文是否超时
bit21-BMS接收充电机中止充电报文是否超时
byte3：bit30-低压辅助电源是否正常

（2）充电机错误报文
报文目的：显示充电错误原因。
发送区间：当充电机检测到错误时，发送该报文。
发送者：车载充电机；接收者：广播。
表18为A5充电机错误报文ID信息，表19为A5充电机错误报文数据信息。

byte0：bit0-充电机接收BMS辨识报文是否超时
bit1-充电机接收车辆识别代码报文是否超时
byte1：bit10-充电机接收BMS充电准备报文是否超时
byte2：bit20-充电机接收电池充电级别需求报文是否超时
bit21-充电机接收电池充电状态报文是否超时
byte3：bit30-充电机接收BMS充电统计报文是否超时

4.A2配置阶段

（1）A2充电机最大输出能力
报文目的：让BMS根据充电机最大输出能力判断是否能够进行充电。
发送区间：配置阶段。
发送者：充电机；接收者：车载充电机。
表20为A2充电机最大输出能力ID信息。


（2）A2BMS充电准备报文
报文目的：让充电机确认BMS充电准备状态。
发送区间：配置阶段。
发送者：BMS；接收者：车载充电机。
表21为A2BMS充电准备报文ID信息。


（3）A2充电机充电准备报文
报文目的：让BMS确定充电机充电准备状态。
发送区间：配置阶段。
发送者：车载充电机；接收者：BMS。
表22为A充电机充电准备报文ID信息。


5.A4充电结束阶段

（1）BMS充电统计
报文目的：让充电机确认BMS对于本次充电过程的充电统计数据。
发送区间：充电结束阶段。
发送者：BMS；接收者：车载充电机。
表23为A4BMS充电统计ID信息。


（2）充电机充电统计
报文目的：让充电监控系统确认充电机对于本次充电过程的充电统计数据。
发送区间：充电结束阶段。
发送者：车载充电机；接收者：广播。
表24为A4充电机充电统计ID信息。


五、总结

本文在研究了现有电动汽车车载充电策略基础上，设计出一套电动汽车车载充系统的通信方案并制定了电动汽车电池管理系统与车载充电机之间的充电过程通信协议，对从事电动汽车车载充电系统的设计者有一定的指导作用。