某纯电动汽车直流充电异常分析及解决方案

张国斌， 季 申， 纪传振， 顾桂荣

（1.长三角新能源汽车研究院有限公司， 江苏盐城 224000；2.江苏艾鑫科能源科技有限公司， 江苏盐城 224000）

电动汽车依靠纯电力驱动， 具有整车效率高、 轻量化、电动化、 智能化、 网联化等特点。 而充电系统是整个电动汽车系统结构中相对重要的一环， 一旦充电系统出现异常，则会影响车辆正常使用并且可能会带来安全隐患。 电动汽车充电系统在充电方式上可分为直流快充和交流慢充两种类型， 直流快充是由直流充电桩对电流进行交直流变换给车辆充电； 交流慢充则是由车载充电机实现电流的交直流变换后给车辆充电。 电动汽车传导充电系统的相应国家标准对直流充电和交流充电的连接装置、 导引电路和通信协议等都进行了规范。 本文结合某纯电动汽车在不同的直流桩上充电异常分析、 异常诊断及排查的过程， 明确异常原因并给出解决方案， 为纯电动汽车的直流充电CAN网络设计、 充电系统时序和上电逻辑设计及可能存在的充电异常提供一点解决思路。

1 异常现象

某纯电动汽车在点火锁处于OFF挡时， 无法使用品牌A的直流充电桩对车辆进行直流充电， 使用品牌B及品牌C的直流充电桩可正常直流充电。 在ON挡状态下， 使用这3款的直流充电桩均可对车辆进行直流充电。

2 异常排查

2.1 电气线路排查

对车辆的直流充电系统的控制导引电路进行排查， 对照 《GB/T 18487.1—2015 电动汽车传导充电系统》 附录B.1控制导引电路， 检查车辆直流充电系统相关接口及控制和通信电路的设计规范及图纸， 均符合图纸和标准要求。查阅充电桩资料， 以上3 款直流充电桩均符合 《GB/T 34657.1—2017电动汽车传导充电互操作性测试规范 第1部分： 供电设备》 要求， 充电桩及车辆的充电接口中的R3、R4电阻均符合导引电路。

进一步测试直流桩A+、 A-接口的电源和通信数据报文输出。 在充电接口完好连接状态下， 3款直流充电桩均可检测到车辆连接并依据控制导引电路控制低压辅助电源导通进行供电， 供电电压12V， 并按照 《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》周期发送握手报文CHM （扩展帧， 报文ID为0x1826F456）。连接后， 充电桩低压辅助电源向整车供电， 检测点CC2电压由12V跳转为6V， 符合导引电路时序变化及信号跳转要求。

通过上述排查与测试， 整车充电导引电路不存在相关设计问题及硬件故障问题。 结合只有在点火锁OFF状态下，品牌A的充电桩存在异常， 其他充电桩正常充电， 且在点火锁ON状态下， 以上3款直流桩均可正常充电的现象， 对充电网络和通信启动过程进行分析。

2.2 通信网络分析

该电动汽车的充电控制相关CAN网络架构如图1所示。

图1 车辆充电控制相关CAN网络架构

由CAN网络架构可知， 车辆充电控制相关CAN网络由整车控制器 （VCU）、 电池管理系统 （BMS） 和直流充电桩（DCCS）， 通过V_CAN、 D_CAN和C_CAN连接， 构成了充电CAN网络。 VCU为整车控制核心部件， 在本设计中实现充电导引电路检测、 BMS控制指令发送和充电监控等功能。BMS为电池包系统的控制单元， 起着充电控制与测量、 与DCCS通信控制与交互等功能， BMS与DCCS之间的通信协议由GB/T 27930—2015规定。 P_CAN为动力CAN数据总线，VCU与MCU进行驱动信息交互的CAN通路。 在充电网络中，V_CAN是整车系统信息交互总线， 连接有VCU与BMS以及其他底盘零部件节点， 在VCU和BMS上配置了终端电阻；D_CAN 是系统诊断CAN 数据总线， 连接有VCU、 BMS、MCU 节点， 通过该总线实现统一诊断服务 （UDS） 以及Bootloader程序刷写功能； C_CAN是直流充电CAN总线， 连接有BMS和DCCS节点。

在通常设计中， BMS与DCCS之间的CAN通信线路独立设计。 分析本设计， 如若按照独立设计实现该架构， BMS将需要有4路CAN接口来分别实现与整车通信、 诊断连接、直流充电和内部子网通信。 本设计在不增加通信线路的负载率的情况下， 根据D_CAN和C_CAN具有时分的特性， 即在直流充电时， 通常不使用程序刷写功能和UDS功能， 在BMS内部将C_CAN以及D_CAN短接， BMS只采用3路CAN实现网络架构， 节省系统成本。 充电接口连接后， VCU接收到充电桩低压辅助电源唤醒后， 发送BMS 使能信号唤醒BMS， BMS与充电桩进行数据交互， 进入充电流程。

车辆点火锁处于OFF挡状态， 连接直流充电枪， 复现异常状态， 对3款直流桩充电状态进行CAN数据采集。 车辆与品牌A充电桩的充电过程中， VCU唤醒电源已存在， 但在V-CAN中无BMS使能指令报文输出， BMS未唤醒， 无法响应C_CAN上的充电桩CHM报文， 不发送BHM报文， 未在握手周期内握手成功， 充电桩不能进入直流充电后续流程。车辆与品牌B、 品牌C充电桩的充电过程中， BMS接收到唤醒指令， 响应CHM报文， 发送BHM报文， BMS与CDDS握手成功， 车辆正常充电。

对比分析各款充电桩的上电启动过程， 测试上电时不同的充电桩在充电接口完全连接后发出握手报文的时间，即充电桩启动后发送的第1帧报文的起始时间。 通过测试发现， 品牌A充电桩首次握手报文的发出时间为160ms； 品牌B充电桩首次握手报文的发出时间为350ms， 品牌C充电桩首次握手报文的发出时间为250ms。

经分析VCU程序运行流程 （图2）， VCU在200ms以内接收到指定标准帧后进入Bootloader模式， 否则进入应用程序运行。 对照充电桩的启动过程分析， 如果充电桩在上电后200ms内发出数据帧格式为扩展帧的握手报文， VCU上电启动受到该报文影响未跳转到应用程序执行， 无法正常工作，发送运行及充电指令给BMS。

图2 VCU程序运行流程图

查阅VCU的Bootloader设计文件， 文件要求通过识别特定的标准帧进入Boot状态， 若上电启动200ms以内接收到该标准帧进入Bootloader刷写流程， 若为扩展帧则不处理。 若上电启动200ms以后接收到任何数据帧， 则跳转到应用程序执行。 进一步查看VCU Bootloader源代码， VCU接收到数据帧进行判别， 若为扩展帧， 则程序原地等待直到接收到标准帧程序往下执行。 在充电启动过程中， 品牌A充电桩在200ms以内发出扩展帧且该总线上未出现任何标准帧， VCU程序进入等待状态， 车辆无法充电。 品牌B充电桩在200ms以后发出扩展帧报文， 此时VCU已跳转至应用程序执行，向BMS发送运行及充电指令， 车辆正常充电。

3 解决方案

3.1 更改网络架构

基于上述分析原因， 可将C_CAN和D_CAN物理层分开，直流充电时充电报文无法到达D_CAN， 即不影响VCU程序运行。 网络架构调整如图3所示。

图3 调整后车辆充电控制相关CAN网络架构图

新网络架构中， 直流充电桩充电报文不会影响VCU，经验证VCU可进入相应工作模式。

此整改方案可以解决直流充电的异常问题， 在整车实现上， 需修改电气原理， 并修改网络架构及线束， 但BMS需要增加一路CAN通信接口， 达到4路CAN总线， 影响开发周期， 且增加了BMS的硬件成本及整车成本。

进一步寻求在原有的电气原理和网络架构基础上， 通过修改VCU的Bootloader底层逻辑， 解决不同的充电桩在充电接口完全连接后发出握手报文的时间不一致的现象。

3.2 VCU底层软件修改

根据上述分析修改VCU底层程序， 使其不对帧格式进行识别， 可以使VCU无论是接收的扩展帧数据还是标准帧数据都可以进入相应模式正常工作。

修改VCU的Bootloader底层启动段程序， 不进行帧格式判断， 如下：

4 总结

本文针对该车型的网络架构设计， 在不增加BMS的开发周期和成本的情况下， 可适应不同的充电桩充电的兼容性， 解决各直流充电桩在执行国标要求的输出辅助电源到发出握手报文时间未确定导致的充电异常， 提升车辆对直流充电桩的适应性与兼容性， 可以为电动汽车从业者提供一些分析思路。