国网快充桩与BMS通信步骤详解及快充过流分析与优化

2021-08-24王元林刘小华

汽车电器 2021年8期

王元林，马敬，刘小华

（湖南猎豹汽车股份有限公司，湖南长沙410100）

1 概述

随着经济发展，人们生活水平日益提高，私家车也随之迅猛增长，伴随而来的是环境污染、交通安全、能源缺乏等问题，衍生了对新能源的开发与利用。能源是经济社会发展的重要资源，是经济健康发展的重要保证，发展经济，降低能源消耗，减少温室气体排放，保护环境，大力发展可再生能源和寻找替代能源已经成为国际社会普遍关注的重大课题。

目前国家大力发展新能源汽车，一直以来给予了相当大的政策支持，各大整车企业也在往新能源方向发力，尤其是造车新势力。新能源汽车在满足用户用车出行便利的情况下，充电便利以及充电效率显得尤为重要。

本文从整车厂的角度，以国网快充新国标为依据，结合某纯电动汽车，研究快充充电流程以及分析快充过流故障，并提出相应的优化方案。

2 快充流程解析

整个快充充电过程总共包括6个步骤：①线路的物理连接完成；②低压辅助电路上电；③快充充电握手阶段；④快充充电各种参数配置阶段；⑤充电过程；⑥充电完成阶段。在各个步骤中，当快充桩和BMS如果在约定的时间内未收到对方报文或未收到正确报文，即断定为通信超时，超时时间除非有特殊规定，否则均默认为5s。如果出现通信超时，BMS或快充桩就会发送错误的报文，且进入错误处理流程。在对故障处理的时候，各自会根据故障的类型，分别进行各自相应的处理。若在正常充电阶段，如果出现了任何故障，系统直接结束正常充电流程并退出。

2.1 握手阶段

1）快充桩发送出CRM报文，其报文为（ID：0x1801F456），其中第一个字节为0x00（表示快充桩主动发送识别，申请握手）。

2）当BMS接收到快充桩发出的CRM报文后，BMS会自动启动数据传输协议TCPM（因为数据长度大于8，一共有41字节）传输当前电池组的身份编码信息BRM。

首先BMS发送出RTS报文（ID：0x1CEC56F4），以此通知快充桩，BMS准备发送的数据包数量。

当快充桩接收到BMS发送的RTS报文之后，就会做出应答信号，并回复CTS给BMS（ID：0x1CECF456）。

当BMS接收来自快充桩的应答报文CTS之后，就开始建立连接并开始发送数据DT（数据长度为41字节，一共分为6包，ID：0x1CEB56F4）。

当快充桩接收到并且接收完BMS发送的数据报文DT之后，就回复CM信号给BMS，以此来结束应答（ID：0x1CECF456）。

3）当快充桩接收到了来自BMS发送的电池身份编码信息BRM之后，便开始回复辨识报文CRM至BMS（ID：0x1801F456第一个Byte为0xAA）。

4）若上述3个步骤中任意1个步骤出现异常，此时通信将不能往下进行，直接等待超时复位。

握手阶段CAN卡接收到数据解析如图1所示。

图1 握手阶段CAN卡接收到数据解析

2.2 参数配置阶段

1）BMS发出蓄电池快充桩的参数BCP至快充桩，开始启动数据传输协议即TCPM协议（由于数据长度大于8个字节，一共13个字节）。

首先BMS发出RTS报文（ID：0x1CEC56F4），以此通知快充桩，BMS要准备发送多少包数据。

当快充桩接收到来自BMS发送的RTS报文后，立即做出应答信号，并回复CTS报文给BMS（ID：0x1CECF456）。

当BMS接收到来自快充桩的应答报文CTS之后，开始建立连接并发送数据DT（数据长度为13个字节，共分为2包，ID：0x1CEB56F4）。

当快充桩接收到并且接收完BMS发出的数据报文DT之后，立即回复CM信号给BMS，以此作为消息结束应答（ID：0x1CECF456）。

2）快充桩发出时间同步CTS信息给BMS（ID：0x1807F456）。

3）快充桩发送最大输出级别CML信息给BMS（ID：0x1 808F456）。

4）BMS发出电池充电准备就绪信息BR0给快充桩（ID：0x100956F4）。

5）快充桩接收到BMS发出的信息，且收到BR0信息之后，快充桩发送准备就绪状态CR0（ID：0x100AF456）。

6）若以上5个步骤中任何一个步骤出现异常，那么通信将不能往下进行，直接等待超时复位。

参数配置阶段CAN总线接收到数据帧解析如图2所示。

图2 参数配置阶段CAN总线接收到数据帧解析

2.3 充电阶段

1）BMS发送电池的充电级别BCL信息给快充桩（ID：0x181056F4），Byte1和Byte2是电压信息，Byte3和Byte4是电流信息。

2）BMS发出电池充电的总状态BCS信息给快充桩，开始启动数据传输链路协议TCPM（由于数据长度大于8，共9字节）。

首先BMS发出RTS报文（ID：0x1CEC56F4），以此通知快充桩BMS准备要发送多少包数据。

当快充桩接收到来自BMS发送的RTS信息报文后，便做出应答信号，并回复CTS给BMS（ID：0x1CECF456）。

当BMS接收到来自快充桩发出的应答报文CTS之后，开始建立通信连接并发送数据DT（数据长度有9个字节，共分为2包，ID：0x1CEB56F4）。

当快充桩接收到并且接收完BMS发出的数据报文DT之后，便回复CM信号给BMS以此来作为消息结束应答（ID：0x1CECF456）。

3）快充桩发出充电状态CCS信号给BMS（ID：0x1812F456）。

4）BMS通过当前数据传输协议并发送单体电压BMV信息给快充桩（具体的步骤和握手时阶段数据传输协议基本一样）可选。

5）BMS发出蓄电池组温度BMT信号给快充桩（具体的步骤和握手阶段时数据传输协议基本一样）可选。

上述所有的充电参数，包括在充电过程中严格按照协议要求发送的报文周期固定发送，且当在充电过程中出现任何异常或者充电即将满时，将停止充电，同时开始发送充电停止的报文如6）和7）。

6）BMS发出终止充电报文BST信息给快充桩，以告知其结束充电和充电结束的原因（ID：0x101956F4）。

7）快充桩发出终止充电报文CST信息给BMS，以告知其充电结束和充电结束的原因（ID：0x101AF456）。

上述任何一个步骤出现异常，都将会导致快充桩终止充电。充电阶段CAN卡接收到的数据帧解析如图3所示。

2.4 充电结束阶段

1）BMS发出统计的数据BSD信号（ID：0x181C56F4）。

图3 充电阶段CAN卡接收到的数据帧解析

2）快充桩发出统计的数据CSD信号（ID：0x181DF456）。

3）若上述两个步骤均正常发送，则快充桩恢复到最初始的状态，并开始重新请求握手。

3 快充过程中过流分析及优化

3.1 问题描述

快充过程中，BMS上报充电过流故障，停止充电。分析充电过程中BMS与充电桩之间的通信报文，BMS发送动力蓄电池状态信息报文（BSM）—0x181356F4中，BMS上报动力蓄电池充电过流。图4为充电过程中BSM故障报文，图5为国标BSM报文定义。

3.2 问题分析

3.2.1 BMS请求充电电流

BMS请求电流由58A降低至53A。图6为BMS请求电流解析。

3.2.2 充电桩反馈输出电流

充电桩报文显示充电状态的输出电流一直恒定在60A。图7为充电桩输出电流报文解析。

3.2.3 BMS实际采集充电电流

分析BMS实际采集电流、BMS请求充电流和充电桩报文反馈输出电流，发现充电桩的实际输出电流高于BMS的请求电流和充电桩自身的报文反馈电流。如图8所示。

3.2.4 分析结果

在充电过程中，充电桩的输出电流未严格按照BMS请求电流输出，超过BMS的充电过流报警阈值，导致BMS判断充电过流报警，停止充电。

图4 充电过程中BSM故障报文

图5 国标BSM报文定义

图6 BMS请求电流解析

图7 充电桩输出电流报文解析

图8 BMS请求电流和快充桩输出电流

3.3 优化方案及验证

通过对该过流问题的原始数据分析，得出结论是因为快充桩的输出超出了BMS的请求电流值所致。这种现象属于快充桩个体差异问题，该车辆在其他快充桩上都可以很好地正常快充。解决这个问题，实际就是提升车辆快充的冗余性以及兼容性问题。采取的优化方案为：BMS在调整充电请求时，将调整的请求电流步长调小，以便给快充桩足够的响应时间，从而达到整个充电过程的匹配。

通过该方案的优化，在实车验证时未再出现该问题。同时，将BMS烧录优化前的程序版本，故障重现，充分说明了该优化方案的有效性。