电动汽车车桩相容性的发展

电动汽车车桩相容性的发展

0电动汽车充电桩的特性纯电动汽车是新能源汽车发展的主流方向，这为纯电动汽车的快速发展带来了两个主要困难。1）长期焦虑；2）充电问题。充电速率和充电安全又对客户的选择起着重要的作用，目前主要的充电方式包括直流快充和交流慢充，控制电动汽车充电的主要部件是电池管理系统（BatteryManagementSystem,BMS),BMS通过实时采集电池包内电芯的电压、温度、SOC等生成此时需要的充电电压、充电电流。目前市场上电动汽车品牌和充电桩品牌越来越多，不同车辆对于充电桩的适配性和兼容性就十分重要。虽然有国家标准和行业标准对于直流充电协议、交直流充电方式进行规定，但对于充电设施行业未形成强制约束，对于不同的充电桩品牌，各自的理解存在偏差，因此需要电动汽车厂家根据自身车辆选择不同的品牌充电桩进行适应性和兼容性的测试。1直接充电和交换充电流程1.1直接充电介绍直流充电1.2车载充电机的组成交流充电交流充电系统主要有供电设备（电缆保护盒、充电桩、充电线等）、慢充接口、车载充电机、高压控制盒、动力电池、整车控制器、高压线束盒、低压控制线束等组成。交流充电原理图及充电流程图见图3、4。2测试用例和测试方法进行充电适应性和充电兼容性的目的主要是模拟客户在不同的环境条件、使用条件下进行车辆的充电过程，可以很好的反馈出客户在使用过程中可能遇到的问题，主要的测试用例见表1。以上是典型的部分充电测试案例，基本可以覆盖客户在使用过程中的充电方式。测试方法主要根据测试用例的具体情况进行细分，例如在休眠情况下，判断休眠的条件要正确；对于连续插拔枪测试，要参考GB/T20234.1-2015、GB/T20234.2-2015、GB/T20234.3-20153异常现象的充电桩测试选用一款典型的、市场占有率较高的纯电动汽车在不同品牌的充电桩上进行测试，在测试过程中主要遇到问题如表2所示。在以往的测试过程中，出现异常现象的充电桩及问题见表3。针对以上问题，选取部分问题现象，结合测试数据进行分析如下。3.1充电过程中电压跳变的问题问题1来源：在某款充电桩（充电桩B）上进行充电测试，模拟用户充满车辆动力电池的测试用例，在测试过程中确认车辆SOC未达到100%、预充金额充足、车辆无故障、充电桩无故障。在上述情况无异常的状态下，充电过程中出现充电异常中止，充电桩页面显示：服务暂停，停机原因022C，故障代码10，无法得知具体原因。根据国家电网的充电桩故障代码和停机原因释义，022C代表的是充电桩判断BMS其他异常中止，故障代码10代表的是BMS通讯异常。可以初步判断此问题的原因是BMS的异常导致了充电停止，但是具体的停机原因需要进一步分析。针对问题数据报文进行分析，在充电停机前电池充电状态（BCS）中的一帧报文（最高单体动力蓄电池电压）发送值超出了该电池包满充单体电池的最高电压（BCS发送的SPN3077BCS＿BatteryVolMax=4.21V,此电池的满充截至电压为4.17V）。通过车辆总线报文查看，此时的最高单体电压显示为4.145V，未达到满充截至时的最高单体电压。BCS＿BatteryVolMax和车辆总线上的最高单体电压值均是由BMS进行控制发送和记录，两者相不一致的地方在于是否存在均衡滤波。在均衡开启过程是指将电压进行滤波处理，而在均衡开启时采集到的电压值存在一定的误差，是不可信的状态。车辆总线上的单体电压值是以均衡前的数值为参考，均衡结束200ms后再使用采集到的单体电压值，此时再选择最大的电压值进行填充发送，而此时的BCS＿BatteryVolMax没有进行时间上的滤波处理，是将直接采集到的最高单体电压值进行了填充发送。针对问题数据进行再次分析，在充电初始阶段“充电参数配置”报文BCP中，收到了一帧BCP＿BatteryChargeVoltageMAX=4.20V的报文，但是在充电阶段中BCS＿BatteryVolMax则是发送的4.21V。在GB/T27930-2015中没有明确定义BCS的值取值内容与哪个信号一致，只是限定了报文发送的周期和格式。怀疑是不同充电桩的制造厂家对于标准的理解存在偏差，因此进行了交叉验证，选择市面上主流的两款直流充电桩进行验证，未出现上述的BCS＿BatteryVolMax大于BCP和总线上的最高单体电压数据。问题2来源：在冬季低温条件下进行充电时，模拟北方用户在室外进行停放车辆12h后进行充电的案例。在测试时，环境温度为-15℃，最高、平均、最低电芯温度分别为-2℃、-4℃、-7℃，充电过程无异常，在回看数据时，发现在充电过程中，当最低电芯温度达到10℃时，出现了最高单体电压和最低单体电压上下跳变的现象，即最高单体电压向上跳、最低单体电压向下跳，且此时的压差超过200mV。针对测试数据进行分析，在充电时，充电电流正常（BMS请求电流131.1A，充电桩输出电流129.6A），在充电进行至最低单体电芯温度为10℃，此时的单体电压出现跳变，持续发送4帧数据后，最低单体电压由3786mV跳变为3645mV,最高单体电压由3822mV跳变为3882mV，此时的压差为237mV，且后续持续出现跳变，最大压差达到了265mV，直至最低电芯温度达到15℃后未再次出现电压跳变现象。对数据进行再次回放，调出均衡标志位信号，发现在最低电芯温度到达10℃时，均衡标志位开启，且持续处于开启和关闭状态，但是此时单体电压跳变的异常现象是由于BMS在均衡过程时间开启和关闭时间过短导致（此时是开800ms，关500ms），无法完全完成滤波，造成主观感受单体电压跳变异常，见图5。问题原因已经找到，需要针对BMS的被动均衡时间进行调整，将均衡滤波的时间改为（开800ms，关800ms，且在关闭指令发出400ms后，提取电压值进行更新），在更改均衡时间后，再次验证充电，未再次出现明显的单体电压跳变的现象，见图6。以上问题可以定义为BMS均衡滤波数据采集异常原因，因此需要对均衡相关逻辑进行了解分析。均衡的核心作用是保持电芯的一致性，让整包中的各个电芯保持在统一电压水平线上，不至于在某个电芯电压一直偏低的情况下长时间工作，电芯均衡按照均衡方式分为主动均衡和被动均衡两种方式。1）被动均衡依据均衡电阻在充电过程中将高电压、高荷电量电芯的能量进行消耗，以达到较小不同电芯之间差距的目的，是一种能量消耗的方式。被动均衡的方式通常适用于充电阶段被动均衡的方式均衡电路简单，成本低廉、方式简单。从图7、图8中可以看到，各个电芯根据电压情况，控制均衡电阻开关闭合，单体电压高的电芯通过发热消耗电量，属于“取长不补短”，该均衡方式对于电能的使用效率低，且对于电芯内部散热降温的要求较高。2）主动均衡运用储能器件，将荷载较多能量的电芯部分能量转移到能量较少的电芯上，属于能量转移；主动均衡的方法适用于充电阶段、放电阶段、静置阶段，大致可以分为以下几种情况：a）充电末尾均衡，在最高单体电压已经接近满充要求的单体电压值时，系统会主动开启均衡功能，让高电量电芯给最低电量电芯进行充电，最理想状态是整包中的所有电芯均达到充电截止电压。b）放电末尾阶段，在最低单体电压已经触及最低截至电压后，系统主动启动均衡功能，让高电量电芯给最低电量电芯进行充电，以达到更优的放电情况，从而增加放电量。主动均衡的优点是效率高、能量转移性高、损耗较小、均衡电流可以设计、均衡效果快。但是主动均衡的复杂程度也是显而易见的，成本高、均衡过程故障率高等。电芯均衡的方式还包括了集中式/分布式、耗散式/非耗散式、电压法/电流法等。但是应用最广的还是主动均衡和被动均衡的方法，每种方法都是各有利弊。随着电芯制造水平的提升，各个电芯的一致性会越来越好，后续主机厂的策略也可以使得电芯在使用寿命期间一致性差异扩大有限，再考虑成本因素，被动均衡的方式将会是一种主流，均衡充电控制系统如图10所示。3.2充电桩输出电压值为200v问题来源：在充电桩A进行充电适应性测试，模拟客户正常锁车下电后，插枪进行刷卡充电的CASE，准备工作完成后，无法进入充电流程，发送充电错误报文数据。车辆休眠后，插枪进行充电，此时无法进行充电，充电桩屏幕上显示无法充电，但未表明具体原因。从数据采集报文进行分析，在充电握手阶段，充电机握手报文和车辆握手报文发送存在异常现象，车辆握手报文（BHM）在收到充电机握手报文（CHM）后，回应的最高允许充电电压为0V，而此时的发出的充电机最低输出电压值为200V，怀疑是此时BHM的最高允许充电电压值与充电机的最低电压值存在差异导致的无法充电，因此针对此现象进行了问题追溯和分析。对于此问题，查看了GB/T27930-2015《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》，其中只是对BHM和CHM的握手报文发送周期进行了定义和超时判断条件进行说明，但是未明确对于CHM和BHM的值取值范围是否发送合理进行定义。同时可以确定的是，此款充电桩对于BHM的取值范围与充电机的输出能力值进行了比对校验，因此出现了不发送充电机辨识报文，无法进入充电流程和停止绝缘检测。查找相关资料，在NB/T33001-2018《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》针对此问题现象在市场占有率比较高的三款主流充电桩上进行了交叉验证，在开始充电时，握手过程BHM发送的最高允许充电电压为0V，此时发出的充电机最低输出电压值为200V。但是并未停止充电，后续正常进入参数配置、充电阶段和充电结束，在收到BHM最高允许电压为0V时，充电桩端发出的最低输出电压值为200V，并未对此次的充电流程发出警告，是不符合NB/T33001-2018《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》的规定的。充电桩A对此进行了确认校验，是参考了更多的依据，是比较合理的。因此在充电过程中，BMS要做到取值合理规范，契合国标的要求，才能与各种不同品牌的充电桩进行匹配和兼容。3.3异常停机原因分析问题来源：在充电桩F上进行充电适应性测试，在充电过程中，在测试过程中确认车辆SOC未达到100%、预充金额充足、车辆无故障、充电桩无故障的条件下，出现了充电中止的现象。车辆正常充电进行，累计进行168s后，充电停止，充电桩屏幕上显示“很抱歉，服务暂停，待机原因021A，故障代码25”，查看充电桩故障代码释义，其中021A代表充电机模块故障，故障代码25代表充电控制器上发送的充电模块故障，具体的问题原因不得而知。但是根据停机原因可以大致确定为充电机的原因导致充电过程出现了异常停机。回看问题数据，在充电进行过程中，BMS的充电请求电流为105A，充电桩端的输出电流为115.6A，以这两种充电请求和输出电流的方式持续进行60s后，出现了上述的停机问题。为什么会出现充电桩输出电流大于BMS请求电流的情况呢？其他品牌的充电桩是否存在此种异常停机的现象，需要对此进行交叉验证和分析。根据停机原因和故障代码，并结合测试过程数据，怀疑是此时充电桩端对两个电流值增加了某种判断条件。此款充电桩的最大输出能力为单枪160A，问题数据出现时的BMS请求电流和充电桩输出电流均未超出最大输出能力，只是存在CCS-BCL>10A且维持60s以上。为了验证其他品牌的充电桩是否存在此问题，选取了市场占有率较高的3款其他品牌的充电桩进行验证，在起始SOC和单体电压相一致的情况下，BMS请求电流（BCL）和充电桩输出电流（CCS）相等或相差较小（≤1A），且未出现充电桩输出大于BMS请求的情况，充电过程也是正常进行，未出现异常停止的现象，因此又一次怀疑是由于充电桩F在充电过程中增加了一种对于请求电流、输出电流的判断条件，是对于车辆和充电机的一种保护机制？再次分析数据，BMS请求电流值是根据电芯能力和水平进行的一个计算值，往往代表着电芯的能力并与BMS的控制策略至关重要，因此需要对不同的电芯、不同的BMS控制策略进行对比分析，选择了市面上主流的几款电动车辆和电池包在出现问题的充电桩F上进行分别验证测试，结果见表4。经过验证发现，车型E和车型A也出现了同样的异常中止充电现象，充电终止的原因同样如图13所示，根据数据分析，在充电停止时也是出现了CCS-BCL>10A且维持时间大于60s。相对应的充电电流区间在100A-140A之间，但是此款充电桩的最大输出电流为160A，因此又增加了一种怀疑：在请求电流值为100A-140A区间时，是否均存在异常中止的情况。再次对上述的几款电池包充电数据进行分析，车型C未出现在100-140A的请求电流值，跳过了此区间，无异常中止，车型D出现了此电流区间，但是CCS和BCL的差值未达到10A以上，车型B出现了此电流区间，但是CCS和BCL的差值未达到10A以上。结合以上数据分析，最主要的影响因素还是CCS和BCL的差值影响了充电过程，因此再次对于充电桩F的自身判断条件进行了怀疑。查找市场上不同品牌的充电桩，有20多种，对于此问题描述的充电桩，可以在充电桩主机上看到软件发布日期为2019年2月28日，时间较早，而同品牌的其他充电桩软件发布日期为2019年11月28日。针对此现象联系了充电桩供应商，得知充电桩F未进行及时维护，软件