基于CANoe的商用车充电监控系统设计

黄爱军，李桉楠，季金强

(扬州亚星客车股份有限公司，江苏扬州225000)

目前，纯电动商用车普遍采用直流充电方式进行充电［1］。根据GB/T 27930—2015规定，直流充电过程中直流充电桩和BMS之间主要通过CAN总线进行数据通信［2］。整车厂对充电桩和BMS交互的信息一般通过充电桩自带的显示屏进行查看，由于其显示内容少、不可进行CAN总线状态分析等，造成故障分析方法局限，且不易查找出充电过程中存在的问题［3－5］。

另外，对于整车厂而言，电池能量测试需求也愈加凸显。一方面需要对供应电池的标称能量进行验证，以尽快发现电池厂商少装、错装电池的问题;另一方面需要通过能量测试结果与标称能量的对比得到衰减率，从而对电池寿命进行评价。电池的能量为电池电压和电池容量的乘积，而电池容量以电化学反应中的总电量来表示［6］。目前测量电池容量常用满充满放的方法，即给电池恒流恒压充电，然后恒流放电，放出的电量就是这个电池的容量。采用此方法测量虽然相对准确，但用时较长，且需要专业的充放电设备，不便于现场实施。

为此，本文设计一种基于CANoe的商用车充电监控系统，用以监控充电过程中的CAN总线交互数据，同时利用这些数据快速且较为准确地实现电池总能量估算功能。

1 充电监控功能设计

直流充电桩在充电过程中与BMS进行通信，两者通过CAN网络进行信息的实时交互，主要交互内容包括充电电压电流、SOC、剩余充电时间、充电模式、充电状态等。本部分主要实现将所有充电过程中交互的信号全部解析并显示在面板上。

1.1 建立DBC数据库

数据库的建立是通信分析及仿真的前提。Vector公司开发的CAN总线开发软件CANoe中的“CANdb++Editor”提供了一种可视化的DBC数据库(Data-Base CAN)编辑方式，可依据GB/T 27930—2015的内容创建DBC数据库［7］，定义协议中的报文、信号、数值及环境变量，同时根据对应关系进行关联。GB/T 27930—2015在数据链路层采用的帧格式为CAN扩展帧29位标识符，其中涉及到的节点仅包含充电桩和BMS，节点地址分别为0x56和0xF4。

对于BRM(BMS和车辆辨识报文)中存在的VIN信号，由于该信号通过ASCII码编码，而Panel面板无直接解析ASCII码的功能，所以本文采用的方法是将该信号定义为环境变量，同时将ASCII表通过数值表定义好，并与VIN信号的环境变量关联，以便Panel面板显示。

2 电池总能量估算功能设计

1.2 设计充电监控面板

CANoe中的“Panel Editor”可以根据需求创建面板，在面板上添加控件，设计可视化界面用来实现显示变量、模拟开关等功能。充电监控界面利用“Tab Control”控件实现分页显示，同时利用“Input/Output Box”控件将所有通信中涉及到的信号布置在每个分页中，并区分BMS和充电桩发送的信息，将数据库中的报文信号、系统变量与对应控件进行关联。图1为中止充电分页信息。

图1 中止充电分页信息

1.3 多包数据的解析

CANoe中的“CAPL Browser”可以用CAPL编程语言对网络中的节点进行编程，以实现对信号的控制。充电桩和BMS传输数据超过8字节时，GB/T 27930—2015标准中参考采用SAE J1939－21中TP．CM_RTS－TP．CM_CTS(请求－应答)方式［8－10］，通信过程中需要通过多包传输的报文主要有BRM(BMS和车辆辨识报文)、BCP(动力蓄电池充电参数)、BCS(电池充电总状态)。当接收到TP．CM_RTS报文时，解析出PGN(可疑参数组编号);当接收到TP．DT(分包数据)时，根据对应PGN进行解析。解析公式为:数字量×分辨率+偏移量=实际值，将实际值赋给对应系统变量。因系统变量和Panel面板对应控件已关联，实际值便可以直接显示。

2.1 电池总能量估算基本原理

目前BMS厂商普遍采用开路电压和安时积分法进行SOC估算，SOC在20%～90%的区域由于电压变化平缓(基本呈线性)，未到充放电截至电压，可以采用安时积分法;SOC较低或较高时用安时积分的同时使用开路电压法进行校正;为避免校正SOC跳变，利用安时积分法在SOC中间的连续性区域反推电池容量及能量。数据来源为充电交互的CAN总线信息，对充电时的电流I进行积分得到充电容量，充电容量和充电SOC变化量ΔSOC的比值(折算为SOC 100%状态)得到实测总容量C，总容量乘以标称电压U得到实测能量W。W为电池此时对应SOC 100%的可放电能量。主要参考公式为:

2.2 电池总能量估算

电池总能量估算主要利用充电过程中所监控到的数据作为安时积分的基础数据，如BCS(电池充电总状态报文)中当前荷电状态、CCS(充电机充电状态报文)中的电压电流输出值等。

电池总能量估算界面利用“Panel Editor”的“Switch/Indicator”控件设计测量按键。当此按键按下时，读取BCP报文中动力蓄电池标称总能量信号，并将当前SOC值记为SOC0，考虑到SOC数值的分辨率为1%，若直接用第一次采集到的SOC开始安时积分，可能会造成较大的误差，所以设计当SOC值达到SOC0+1%时开始进行安时积分算法，同时计时器开始不断计时，结合读取到的充电电流，计算充电容量。当SOC值再增大5%，即SOC=SOC0+6%时，估算实测电池能量及能量差值。

3 功能验证

3.1 充电监控功能验证

本系统在我司某纯电动客车上进行实车验证。用CANoe软件配套的VN1630A模块挂接在充电CAN线上，打开CANoe软件，运行监控系统，再通过直流充电桩对车辆进行充电，监控界面上显示充电各阶段的监测结果。充电监控如图2所示。

图2 充电监控

3.2 电池总能量估算功能验证

图3 电池总能量监控

此测试方案与常规满充满放测试容量方案相比，由于BMS本身SOC计算存在误差(商用车SOC误差率大约为7%)，故衰减率计算精度并不高，只能通过此种方法粗略地评估电池状态。但其在特定场景下还是具备推广意义，其优势如下:

打开开始测量按键，显示BMS通过报文发出的标称总能量151.8 kW·h，此值为电池出厂SOC 100%状态下的能量。记录开始充电的初始SOC值79%。当SOC变化到85%时停止测量，系统由前述式(1)估算出电池使用一段时间后SOC 100%状态下的实际总能量为147.3 kW·h。实际能量相比标称能量少4.5 kW·h，衰减率为2.96%。结合车辆使用情况，可大致判断电池衰减是否在正常范围内。电池总能量监控如图3所示。

1)测试设备需求低，只需在车辆正常充电的过程中即可进行，无需实验室专用大功率充放电器件。

2)测试时间短，无需先放完电、再充满、再放完才能得到测试结果。只需预先设定ΔSOC，观察ΔSOC变化时间内的能量变化即可推断出实际能量的衰减情况。

3)适用于下线检测、售后维修服务等。

4 结束语

为了便于现场工程师检测，保障商用车在直流充电过程中安全可靠运行，方便测试人员快速测试电池能量及衰减程度，本文设计了一种基于CANoe的商用车充电监控系统。该系统的设计参考了GB/T 27930—2015标准，使用了CANoe中的数据库、面板及CAPL编程等模块，实现了充电监控功能和电池总能量估算功能。