黃愛軍，李桉楠，季金強(qiáng)

(揚(yáng)州亞星客車股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225000)

目前，純電動商用車普遍采用直流充電方式進(jìn)行充電［1］。根據(jù)GB/T 27930—2015規(guī)定，直流充電過程中直流充電樁和BMS之間主要通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信［2］。整車廠對充電樁和BMS交互的信息一般通過充電樁自帶的顯示屏進(jìn)行查看，由于其顯示內(nèi)容少、不可進(jìn)行CAN總線狀態(tài)分析等，造成故障分析方法局限，且不易查找出充電過程中存在的問題［3－5］。

另外，對于整車廠而言，電池能量測試需求也愈加凸顯。一方面需要對供應(yīng)電池的標(biāo)稱能量進(jìn)行驗證，以盡快發(fā)現(xiàn)電池廠商少裝、錯裝電池的問題;另一方面需要通過能量測試結(jié)果與標(biāo)稱能量的對比得到衰減率，從而對電池壽命進(jìn)行評價。電池的能量為電池電壓和電池容量的乘積，而電池容量以電化學(xué)反應(yīng)中的總電量來表示［6］。目前測量電池容量常用滿充滿放的方法，即給電池恒流恒壓充電，然后恒流放電，放出的電量就是這個電池的容量。采用此方法測量雖然相對準(zhǔn)確，但用時較長，且需要專業(yè)的充放電設(shè)備，不便于現(xiàn)場實施。

為此，本文設(shè)計一種基于CANoe的商用車充電監(jiān)控系統(tǒng)，用以監(jiān)控充電過程中的CAN總線交互數(shù)據(jù)，同時利用這些數(shù)據(jù)快速且較為準(zhǔn)確地實現(xiàn)電池總能量估算功能。

1 充電監(jiān)控功能設(shè)計

直流充電樁在充電過程中與BMS進(jìn)行通信，兩者通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的實時交互，主要交互內(nèi)容包括充電電壓電流、SOC、剩余充電時間、充電模式、充電狀態(tài)等。本部分主要實現(xiàn)將所有充電過程中交互的信號全部解析并顯示在面板上。

1.1 建立DBC數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫的建立是通信分析及仿真的前提。Vector公司開發(fā)的CAN總線開發(fā)軟件CANoe中的“CANdb++Editor”提供了一種可視化的DBC數(shù)據(jù)庫(Data-Base CAN)編輯方式，可依據(jù)GB/T 27930—2015的內(nèi)容創(chuàng)建DBC數(shù)據(jù)庫［7］，定義協(xié)議中的報文、信號、數(shù)值及環(huán)境變量，同時根據(jù)對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。GB/T 27930—2015在數(shù)據(jù)鏈路層采用的幀格式為CAN擴(kuò)展幀29位標(biāo)識符，其中涉及到的節(jié)點僅包含充電樁和BMS，節(jié)點地址分別為0x56和0xF4。

對于BRM(BMS和車輛辨識報文)中存在的VIN信號，由于該信號通過ASCII碼編碼，而Panel面板無直接解析ASCII碼的功能，所以本文采用的方法是將該信號定義為環(huán)境變量，同時將ASCII表通過數(shù)值表定義好，并與VIN信號的環(huán)境變量關(guān)聯(lián)，以便Panel面板顯示。

2 電池總能量估算功能設(shè)計

1.2 設(shè)計充電監(jiān)控面板

CANoe中的“Panel Editor”可以根據(jù)需求創(chuàng)建面板，在面板上添加控件，設(shè)計可視化界面用來實現(xiàn)顯示變量、模擬開關(guān)等功能。充電監(jiān)控界面利用“Tab Control”控件實現(xiàn)分頁顯示，同時利用“Input/Output Box”控件將所有通信中涉及到的信號布置在每個分頁中，并區(qū)分BMS和充電樁發(fā)送的信息，將數(shù)據(jù)庫中的報文信號、系統(tǒng)變量與對應(yīng)控件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。圖1為中止充電分頁信息。

圖1 中止充電分頁信息

1.3 多包數(shù)據(jù)的解析

CANoe中的“CAPL Browser”可以用CAPL編程語言對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進(jìn)行編程，以實現(xiàn)對信號的控制。充電樁和BMS傳輸數(shù)據(jù)超過8字節(jié)時，GB/T 27930—2015標(biāo)準(zhǔn)中參考采用SAE J1939－21中TP．CM_RTS－TP．CM_CTS(請求－應(yīng)答)方式［8－10］，通信過程中需要通過多包傳輸?shù)膱笪闹饕蠦RM(BMS和車輛辨識報文)、BCP(動力蓄電池充電參數(shù))、BCS(電池充電總狀態(tài))。當(dāng)接收到TP．CM_RTS報文時，解析出PGN(可疑參數(shù)組編號);當(dāng)接收到TP．DT(分包數(shù)據(jù))時，根據(jù)對應(yīng)PGN進(jìn)行解析。解析公式為:數(shù)字量×分辨率+偏移量=實際值，將實際值賦給對應(yīng)系統(tǒng)變量。因系統(tǒng)變量和Panel面板對應(yīng)控件已關(guān)聯(lián)，實際值便可以直接顯示。

2.1 電池總能量估算基本原理

目前BMS廠商普遍采用開路電壓和安時積分法進(jìn)行SOC估算，SOC在20%～90%的區(qū)域由于電壓變化平緩(基本呈線性)，未到充放電截至電壓，可以采用安時積分法;SOC較低或較高時用安時積分的同時使用開路電壓法進(jìn)行校正;為避免校正SOC跳變，利用安時積分法在SOC中間的連續(xù)性區(qū)域反推電池容量及能量。數(shù)據(jù)來源為充電交互的CAN總線信息，對充電時的電流I進(jìn)行積分得到充電容量，充電容量和充電SOC變化量ΔSOC的比值(折算為SOC 100%狀態(tài))得到實測總?cè)萘緾，總?cè)萘砍艘詷?biāo)稱電壓U得到實測能量W。W為電池此時對應(yīng)SOC 100%的可放電能量。主要參考公式為:

2.2 電池總能量估算

電池總能量估算主要利用充電過程中所監(jiān)控到的數(shù)據(jù)作為安時積分的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如BCS(電池充電總狀態(tài)報文)中當(dāng)前荷電狀態(tài)、CCS(充電機(jī)充電狀態(tài)報文)中的電壓電流輸出值等。

電池總能量估算界面利用“Panel Editor”的“Switch/Indicator”控件設(shè)計測量按鍵。當(dāng)此按鍵按下時，讀取BCP報文中動力蓄電池標(biāo)稱總能量信號，并將當(dāng)前SOC值記為SOC0，考慮到SOC數(shù)值的分辨率為1%，若直接用第一次采集到的SOC開始安時積分，可能會造成較大的誤差，所以設(shè)計當(dāng)SOC值達(dá)到SOC0+1%時開始進(jìn)行安時積分算法，同時計時器開始不斷計時，結(jié)合讀取到的充電電流，計算充電容量。當(dāng)SOC值再增大5%，即SOC=SOC0+6%時，估算實測電池能量及能量差值。

3 功能驗證

3.1 充電監(jiān)控功能驗證

本系統(tǒng)在我司某純電動客車上進(jìn)行實車驗證。用CANoe軟件配套的VN1630A模塊掛接在充電CAN線上，打開CANoe軟件，運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，再通過直流充電樁對車輛進(jìn)行充電，監(jiān)控界面上顯示充電各階段的監(jiān)測結(jié)果。充電監(jiān)控如圖2所示。

圖2 充電監(jiān)控

3.2 電池總能量估算功能驗證

圖3 電池總能量監(jiān)控

此測試方案與常規(guī)滿充滿放測試容量方案相比，由于BMS本身SOC計算存在誤差(商用車SOC誤差率大約為7%)，故衰減率計算精度并不高，只能通過此種方法粗略地評估電池狀態(tài)。但其在特定場景下還是具備推廣意義，其優(yōu)勢如下:

打開開始測量按鍵，顯示BMS通過報文發(fā)出的標(biāo)稱總能量151.8 kW·h，此值為電池出廠SOC 100%狀態(tài)下的能量。記錄開始充電的初始SOC值79%。當(dāng)SOC變化到85%時停止測量，系統(tǒng)由前述式(1)估算出電池使用一段時間后SOC 100%狀態(tài)下的實際總能量為147.3 kW·h。實際能量相比標(biāo)稱能量少4.5 kW·h，衰減率為2.96%。結(jié)合車輛使用情況，可大致判斷電池衰減是否在正常范圍內(nèi)。電池總能量監(jiān)控如圖3所示。

1)測試設(shè)備需求低，只需在車輛正常充電的過程中即可進(jìn)行，無需實驗室專用大功率充放電器件。

2)測試時間短，無需先放完電、再充滿、再放完才能得到測試結(jié)果。只需預(yù)先設(shè)定ΔSOC，觀察ΔSOC變化時間內(nèi)的能量變化即可推斷出實際能量的衰減情況。

3)適用于下線檢測、售后維修服務(wù)等。

4 結(jié)束語

為了便于現(xiàn)場工程師檢測，保障商用車在直流充電過程中安全可靠運(yùn)行，方便測試人員快速測試電池能量及衰減程度，本文設(shè)計了一種基于CANoe的商用車充電監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計參考了GB/T 27930—2015標(biāo)準(zhǔn)，使用了CANoe中的數(shù)據(jù)庫、面板及CAPL編程等模塊，實現(xiàn)了充電監(jiān)控功能和電池總能量估算功能。