电动汽车充电协议测试系统的设计与问题分析

窦汝鹏，王白侠，李 川

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

电动汽车充电协议测试系统的设计与问题分析

窦汝鹏，王白侠，李 川

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

以直流充电为基础的大功率快速充电是国家倡导的重要发展方向，GB/T 27930—2015和GB/T 18487.1—2015是整车和直流充电设施进行互联互通的相关标准。作为汽车公告强检项目，为验证整车通信协议实现与标准的一致性，本文设计了对待测电动汽车进行通信协议检测的系统。该系统不但包括正常充电流程的检测，而且能检验电动汽车对异常情况的处理。基于大量的检测数据，归纳出几种被测车辆容易出现的通信协议问题并给出分析。

电动汽车；直流充电；通信协议；测试系统

在新能源汽车高速发展和相关政策的扶持下，中国电动汽车充电设施产业开始迅猛发展，充电便利性是新能源汽车用户主观感受的重要影响因素［1］。充电兼容性是充电便利性的核心问题，要实现充电的互联互通，关键是确保技术基础。为保证充电过程的安全可控，2015年底，中国发布了《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 27930—2015》（以下简称GB/T 27930—2015）［2］和《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求 GB/T 18487.1—2015》（以下简称GB/T 18487.1—2015）［3］。目前，电动汽车充电方式主要有直流充电和交流充电两大类。国家提出的发展方向：大功率充电以减少用户的等待时间，而直流充电是实现这个目标的基础。为了验证待测电动汽车的直流充电协议是否符合标准，本文设计了相应的测试系统。该系统在进行有效性验证后，测试了大量的电动汽车，并对测试中出现的常见问题进行了归纳总结，为中国实现充电互联互通提供了数据支撑。

1 系统设计

GB/T 18487.1—2015的附录B给出了直流充电控制导引电路与控制原理的示意图，描述了电动汽车与非车载充电机连接的线路图和直流充电控制的时序图［4］。本测试系统模拟的是非车载充电机端对电动汽车进行测试，对标准给出的原理图进行完善和扩充。硬件平台参照直流充电控制导引电路原理图的充电机端，软件平台按照充电连接控制时序和状态流程图进行动作。

1.1 硬件平台

根据测试需求，测试系统的硬件平台由测试主机、供电电源、充电接口模拟模块、CAN协议收发模块4部分组成。

1）测试主机：是装有测试软件的笔记本电脑，它可以模拟充电桩对电动汽车发出充电报文，分析电动汽车回复的报文，根据电动汽车的需求控制供电电源通过充电接口对电动汽车进行完整的充电动作。

2）供电电源：接收由测试主机根据与电动汽车的通信报文分析出的需求对电动汽车进行直流充电。

3）充电接口模拟模块：模拟充电桩的充电接口进行动作，这个模块里还装配了1个车辆控制器所需的低压辅助电源。

4）CAN协议收发模块：测试主机通过这个模块与电动车辆进行报文交互［5］。

这4部分的交互示意如图1所示，实物如图2所示。

图1 测试平台硬件示意图

图2 测试平台硬件实物图

1.2 软件平台

GB/T 27930—2015提供更完整的充电时序流程图［6］，描述了具体的报文交互时序，包括正常充电时序和异常解决方案。由于流程图兼顾了充电机和电动车辆，为了有针对性的测试，本系统提出的解决方案只针对电动车辆端，并将正常充电和各种异常处理分别进行测试，这样有利于问题的定位与分析。

1.2.1 正常充电流程

充电过程包括6个阶段：物理连接、低压辅助上电、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段和充电结束阶段。从握手阶段开始，如果测试系统没有在规定的时间内收到电动车辆回复的正确报文，则进入错误处理状态，报文说明如表1所示，正常充电流程如图3所示。

从图3可以看出，在正常充电流程中，BMS没有回应相应的报文，系统就进入错误处理，弹出对话框提示测试人员。该项测试能将被测电动汽车充电通信流程中的时序和报文进行检验，验证该车辆是否能按照标准流程进行充电。

图3 正常充电时序流程

1.2.2 异常处理

系统对异常处理的测试包括：充电机发生的各种故障、充电桩参数不合适、CHM延时、CRM延时、CCS延时、CSD延时、充电桩准备就绪延时等。测试系统通过模拟各种异常来测试电动车辆的处理结果，测试用例如表2所示。通过这些测试用例，系统覆盖了标准中涉及的各种异常处理，并且能准确判断被测电动车辆在处理这些异常时是否能按照标准给出的处理方式进行操作。

表1 报文代号与描述

表2 测试用例

2 系统验证

本系统在投入使用前进行了自测，用来检验该系统是否严格按照标准中的充电时序流程图进行动作。图4抓取了一个完整充电流程的波形和报文。为了便于分析，图4中只保留了充电时的实际电压和电流、CCS中的输出电压和电流，BCS中的充电电压和电流，BCL的需求电压和电流。标准中规定充电时电流值是负的，所以图4中电压都是正值而电流都是负值。

图4 完整充电流程的波形和报文

由于标准中规定了在物理连接后，充电机需要先进行绝缘检测，然后投入泄放电路再发送报文进行充电流程。所以图4中电压会先有个峰值，接着电压为0，然后再有一个电压进行充电，最后结束充电，电压电流归0。绝缘检测和正常充电在图4中进行了标注，整体流程的电压、电流波形遵循了标准，接着检查具体点的值是否正确。图4中右上方光标处的充电状态和下半部分显灰的报文是同一时间点的，此时，BCL的值是十六进制的F6 0E D8 0E 02。GB/T 27930—2015给出了BCL的报文含义，经计算转化后得到电压值383 V，电流值-20 A，与实际电压值375.3 V，实际电流值-19.7 A接近，这说明本系统及时地响应了BMS的充电需求。从图中还可以看出，BCS、CCS与BCL的波形几乎重合，说明测试系统回应的报文也能及时地吻合被测电动车辆的需求报文。

综上所述，该测试系统能够严格按照相关标准对待测电动车辆进行标准符合性检查。

3 通信协议常见测试问题分析

本系统在测试了上百辆电动汽车后，对所测问题进行了归纳总结，常见问题主要包括：有的电动汽车发送的报文格式、周期存在问题；系统模拟充电机故障、参数不合适或充电机延时的报文时，电动汽车回馈错误。

3.1 报文格式、周期

系统测试的是充电机与BMS之间基于CAN的通信协议，所以只应该有这2点之间的报文，这2点的通信地址分别为56H（充电机）和F4H（BMS）。图5是接收到了这2点地址以外的报文，此问题是由于车辆内部的通信与充电的通信共用1个通信通道，如果设计不合理，BMS可能会发给充电机与整车通信的报文。

图5 报文地址不正确

有的报文没有按照标准的格式发出，如图6的BHM，规定是2个字节，这里是8个字节。

图6 报文格式不正确

有的报文没有按照标准的周期发出，如图7的BHM，标准规定周期是250 ms，这里是349 ms。

图7 报文周期不正确

由于目前市面上的充电桩为了能给更多的车辆进行充电，做到最大的兼容性，并不对报文格式和周期进行严格检验，导致报文格式和周期不符合标准也不影响充电，但是这样却增加了报文分析的难度，周期不检测也增加了充电隐患。

3.2 模拟充电机故障

图8模拟的是充电桩人工终止（CST的值为04 00 00 00），但是BMS没有回应相应的BST，而是继续发送BCL，虽然不会造成安全问题，但是在逻辑上是错误的。

图8 充电桩人工终止

3.3 模拟充电机参数不合适和报文延时

充电桩参数不合适是将CML的最高输出电压和最低输出电压设置超出电动汽车的充电电压范围，图9的最高输出电压100 V，低于电动车的最低充电电压，但BRO给出了确认（aa）。这种情况可能导致充电桩给出一个超出电动汽车充电电压范围的值，电动汽车依然可能启动充电，造成危险。

图9 充电机参数不合适

图10 模拟的是CCS超时，标准规定超时1s开始报错并切断充电，但是这里最后1次发CCS到报错之间间隔超过5 s，如果当时电池处于充满状态，可能会造成危险。

在测试中，有些电动客车需要24 V的辅助电源，GB/T 18487.1—2015中明确规定辅助电源是12 V，这样就会导致如果遇到严格执行标准的充电桩，车辆就会充不上电；有的充电桩为了兼容这种电动车，设置的可选辅助电源为12 V和24 V，但如果选到24 V的辅助电源而忘了切换，可能导致12 V辅助电源的电动车部件损坏。

图10 CCS超时

4 结论

1） 介绍了电动汽车直流通信协议测试系统的硬件部分，由测试主机、供电电源、充电接口模拟模块、CAN协议收发模块4部分组成，每个模块功能独立，性能稳定。

2） 搭建了电动汽车直流通信协议测试系统的软件部分，将标准中相对复杂的测试流程拆分为正常充电和各种异常处理的流程，可以自动化测试电动汽车的通信协议是否符合标准，不但软件可读性强，而且有益于问题的定位与分析。

3） 针对测试中出现的几个常见问题进行了分析，进一步验证了本系统的实用性。

4） 下一步可以利用该系统显示的报文和实际充电电压电流之间的差异来分析电动汽车充电的反应速度与充电效率的影响因素。

［1］ 曲艺.大功率充电渐成行业新宠［N］.中国电力报，2017-04-08（004）.

［2］ GB/T 27930—2015，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［S］.

［3］ GB/T 18487.1—2015，电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求［S］.

［4］ 王聪慧，乔海强，单栋梁，等.电动汽车非车载充电机控制导引电路验证设计［J］.电源世界，2016（12）：24-27.

［5］ 王堃，奚煜，季睿.基于LabVIEW的CAN总线通信系统的设计与实现［J］.工业控制计算机，2017，30（2）：14-15.

［6］ 李旭玲，董晨，马彦华.电动汽车直流充电通信协议测试的研究［J］.电气应用， 2015，34（20）：90-92.

Design and Problem Analysis For EV Charging Protocol Testing System

DOU Ru-peng， WANG Bai-xia， LI Chuan
（China Automotive Technology & Research Center， Tianjin 300300， China）

Rapid charging based on the DC charging is an important development directions advocated by the state， the GB/T 27930-2015 and the GB/T 18487.1-2015 are the interoperability standards between EV and DC charging facilities. As mandatory inspection items， in order to verify the consistency between EV’s communication protocol and the standard， This article designs a system to testing EV communication protocols. The system includes not only the normal charging process test，but also the abnormal communication condition. Based on a large number of test data， This article sums up several common problems of EV communication protocol and conducts analysis.

EV； DC charging； communication protocol； testing system

U469.7

A

1003-8639（2017）12-0005-04

2017-09-19；

2017-11-15

窦汝鹏（1986-），男，天津人，工程师，硕士，研究方向为新能源关键零部件检测。

（编辑 凌 波）