一、引言

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

二、電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)中采用的是CAN總線通信方式，由一個(gè)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(gè)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(jī)控制器、車載顯示系統(tǒng)等實(shí)時(shí)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(dòng)汽車燈光控制器、空調(diào)控制器、車門及車窗控制器等對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的設(shè)備。充電系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)是專門用于充電機(jī)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(kuò)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(kuò)展標(biāo)示符）。

電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)掛接的設(shè)備有電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)、電動(dòng)汽車車載充電機(jī)、電動(dòng)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(jī)屬于電動(dòng)汽車整車之外的設(shè)備，只有電動(dòng)汽車行駛到電動(dòng)汽車充電站的時(shí)候才將其通過(guò)專用充電電纜接入到充電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中來(lái)，而車載充電機(jī)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(duì)電動(dòng)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(shí)將此設(shè)備接入通訊網(wǎng)絡(luò)。

表1是對(duì)電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的地址分配。


表1中所列出的是各個(gè)設(shè)備在電動(dòng)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(shí)符的唯一性以及表明消息的來(lái)源。此表中各個(gè)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(jī)通信策略

目前國(guó)家已經(jīng)頒布電動(dòng)汽車與非車載充電機(jī)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(jī)通信協(xié)議作為參考，提出并設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)與車載充電機(jī)之間的通信協(xié)議。

在整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)中非車載充電機(jī)與車載充電機(jī)2個(gè)設(shè)備之間并不會(huì)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(lái)的是一對(duì)多的通訊特點(diǎn)。與已有非車載通信協(xié)議相同，車載充電機(jī)協(xié)議包括4個(gè)流程，其分為握手、參數(shù)配置、充電、充電結(jié)束4個(gè)階段。電池管理系統(tǒng)與車載充電機(jī)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(guò)程的安全監(jiān)控協(xié)議的內(nèi)容。下面本文將對(duì)3處不同點(diǎn)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(duì)充電設(shè)備的識(shí)別，此階段主要是確定所接入的充電設(shè)備是車載充電機(jī)還是非車載充電機(jī)，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(shí)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(jī)，且充電機(jī)不是初次使用，通信過(guò)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?yàn)檐囕d充電機(jī)安裝在電動(dòng)汽車上，所以對(duì)于電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)之間不必每次都將自己的設(shè)備信息發(fā)送給對(duì)方，只需要按初次使用電動(dòng)汽車或者電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)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(guò)程的快速建立。

（2）充電階段

因?yàn)殡妱?dòng)汽車充電系統(tǒng)中存在車載和非車載2個(gè)2類充電機(jī)，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(gè)主回路分別配置繼電器通/斷電路，當(dāng)其中一種充電機(jī)接入系統(tǒng)中時(shí)，電池管理系統(tǒng)控制相對(duì)應(yīng)的繼電器閉合以使主回路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電池組充電。圖3為充電階段流程圖。在動(dòng)力電池包充電完成時(shí)電池管理系統(tǒng)首先需要釋放相應(yīng)的繼電器來(lái)斷開充電機(jī)的主電路部分。


（3）安全監(jiān)控幀處理

在電動(dòng)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(jī)安裝在電動(dòng)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(dòng)汽車充電系統(tǒng)協(xié)議需要在整個(gè)充電過(guò)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(duì)充電階段中充電過(guò)程的安全管理程序流程圖。

圖4中，BMS與充電機(jī)之間信息傳遞都需要等待接收判斷，如果對(duì)方系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間沒有收到通信數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)超時(shí)，通信失敗，如果系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到對(duì)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(jī)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(guò)電流檢測(cè)、電池組漏流檢測(cè)、電池組過(guò)/欠電壓檢測(cè)、單體電池過(guò)/欠電壓檢測(cè)、電池包過(guò)高溫/過(guò)低溫檢測(cè)等。車載充電機(jī)的異常判斷主要有：輸入過(guò)/欠壓檢測(cè)、輸出過(guò)/欠壓檢測(cè)、輸出過(guò)流檢測(cè)、漏流檢測(cè)、短路保護(hù)檢測(cè)、充電機(jī)過(guò)溫檢測(cè)、主回路繼電器狀態(tài)檢測(cè)等。



電動(dòng)汽車在終止或者充電完成時(shí)，電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)會(huì)互相發(fā)送充電停止報(bào)文，報(bào)文內(nèi)容記錄了充電是因?yàn)楹畏N原因停止的。如果是正常充電完成，報(bào)文將會(huì)顯示當(dāng)前沒有設(shè)備報(bào)錯(cuò)，充電正常結(jié)束。

四、電池管理系統(tǒng)與車載充電機(jī)通信報(bào)文

電池管理系統(tǒng)與車載充電機(jī)充電過(guò)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(gè)A5-故障狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)充電異常時(shí)開始A5報(bào)文的發(fā)送。

因本文設(shè)計(jì)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(guò)程及安全監(jiān)控）。下面本文將對(duì)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(duì)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(shí)報(bào)文
報(bào)文目的：向充電機(jī)提供BMS辨識(shí)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(jī)。
表2為BMS辨識(shí)報(bào)文ID信息。表3為A1BMS辨識(shí)報(bào)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(hào)和整車蓄電池組信息）；
bit01-代表充電次數(shù)和電池ID號(hào)。

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


2.A3充電階段

（1）電池充電級(jí)別需求
報(bào)文目的：讓充電機(jī)能夠根據(jù)電池充電級(jí)別需求實(shí)時(shí)調(diào)整充電參數(shù)，確保充電過(guò)程正常進(jìn)行。如果充電機(jī)在100ms內(nèi)沒有收到該報(bào)文，即為超時(shí)錯(cuò)誤，充電機(jī)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(jī)。
表6為A3電池充電級(jí)別需求ID信息，表7為A3電池充電級(jí)別需求數(shù)據(jù)信息。


（2）電池充電狀態(tài)
報(bào)文目的：BMS將實(shí)際測(cè)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(jī)，充電機(jī)根據(jù)電池充電狀態(tài)監(jiān)控充電過(guò)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(jī)。
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(jī)充電狀態(tài)
報(bào)文目的：讓BMS監(jiān)測(cè)充電機(jī)
當(dāng)前控制輸出的充電電流、電壓值
是否與電池充電級(jí)別需求一致，以確保整個(gè)充電過(guò)程順利進(jìn)行。如
果BMS在100ms內(nèi)沒收到該報(bào)文，即為超時(shí)錯(cuò)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(jī)；接收者：BMS。
表10為A3充電機(jī)充電狀態(tài)ID信息，表11為A3充電機(jī)充電狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。


（4）BMS終止充電報(bào)文
報(bào)文目的：讓充電機(jī)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(jī)。
表12為A3BMS終止充電報(bào)文ID信息，表13為A3BMS終止充電報(bào)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(guò)溫故障
bit08-連接器過(guò)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(jī)終止充電報(bào)文
報(bào)文目的：讓BMS確認(rèn)充電機(jī)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(jī)；接收者：BMS。
表14為A3充電機(jī)終止充電報(bào)文ID信息，表15為A3充電機(jī)終止充電報(bào)文數(shù)據(jù)信息。

byte0：bit00-是否達(dá)到充電機(jī)設(shè)定的SOC值
bit01-是否達(dá)到充電機(jī)設(shè)定的電量值
bit02-是否達(dá)到充電時(shí)間的設(shè)定值。
byte1：bit10-充電機(jī)過(guò)溫故障
bit11-連接器過(guò)溫故障
bit12-連接線過(guò)溫故障
bit13-充電機(jī)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(cuò)誤報(bào)文

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

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

（2）充電機(jī)錯(cuò)誤報(bào)文
報(bào)文目的：顯示充電錯(cuò)誤原因。
發(fā)送區(qū)間：當(dāng)充電機(jī)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送該報(bào)文。
發(fā)送者：車載充電機(jī)；接收者：廣播。
表18為A5充電機(jī)錯(cuò)誤報(bào)文ID信息，表19為A5充電機(jī)錯(cuò)誤報(bào)文數(shù)據(jù)信息。

byte0：bit0-充電機(jī)接收BMS辨識(shí)報(bào)文是否超時(shí)
bit1-充電機(jī)接收車輛識(shí)別代碼報(bào)文是否超時(shí)
byte1：bit10-充電機(jī)接收BMS充電準(zhǔn)備報(bào)文是否超時(shí)
byte2：bit20-充電機(jī)接收電池充電級(jí)別需求報(bào)文是否超時(shí)
bit21-充電機(jī)接收電池充電狀態(tài)報(bào)文是否超時(shí)
byte3：bit30-充電機(jī)接收BMS充電統(tǒng)計(jì)報(bào)文是否超時(shí)

4.A2配置階段

（1）A2充電機(jī)最大輸出能力
報(bào)文目的：讓BMS根據(jù)充電機(jī)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(jī)；接收者：車載充電機(jī)。
表20為A2充電機(jī)最大輸出能力ID信息。


（2）A2BMS充電準(zhǔn)備報(bào)文
報(bào)文目的：讓充電機(jī)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(jī)。
表21為A2BMS充電準(zhǔn)備報(bào)文ID信息。


（3）A2充電機(jī)充電準(zhǔn)備報(bào)文
報(bào)文目的：讓BMS確定充電機(jī)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(jī)；接收者：BMS。
表22為A充電機(jī)充電準(zhǔn)備報(bào)文ID信息。


5.A4充電結(jié)束階段

（1）BMS充電統(tǒng)計(jì)
報(bào)文目的：讓充電機(jī)確認(rèn)BMS對(duì)于本次充電過(guò)程的充電統(tǒng)計(jì)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(jī)。
表23為A4BMS充電統(tǒng)計(jì)ID信息。


（2）充電機(jī)充電統(tǒng)計(jì)
報(bào)文目的：讓充電監(jiān)控系統(tǒng)確認(rèn)充電機(jī)對(duì)于本次充電過(guò)程的充電統(tǒng)計(jì)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(jī)；接收者：廣播。
表24為A4充電機(jī)充電統(tǒng)計(jì)ID信息。


五、總結(jié)

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