国标直流充电桩的接口分析及模拟实现(电动汽车侧)开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

自18世纪60年代第一次工业革命以来，人们就不断对地球上的各种能源进行开发与利用。其主要以煤和石油为主，但这两种能源是不可再生的，有限的，且容易造成环境污染。为了应对石油资源的短缺和全球气温升高的情况。近几年，“低碳”、”环保“已经不为大家所陌生，世界各国都在提倡节能环保。现在汽车的碳排放量很大，而我国的汽车销量也在逐年增加，汽车的碳排放量也就越来越高，为了减少污染，保护环境，汽车需要找到新的能源或者改变其动力系统，而电动汽车正是其中一个发展方向。

电动汽车的充电装置作为为电动汽车充电的装置，也要随着电动汽车一同研发，不然电动汽车就是没有燃料传统汽车。充电桩是给电动汽车充电的基础设施，它占地面积相对较少，可以停车场建设，小区建设。目前我国建设充电站和充电桩处于第三阶段，到2020年电动汽车充电站达到10000座，同步全面开展充电桩配套建设，建成完整的电动汽车充电网络。为了保证充电桩的正常运行，保护充电电池以及人的生命安全，充电桩的接口技术也就显的十分重要了，它保证充电桩与电动汽车的蓄电池可以交流信息，把汽车的蓄电池的当前状态传送到充电桩的控制器，让充电桩这边的控制器对信息进行识别处理，来调整充电桩这边的输出状态。可以说接口不仅仅是连接电动汽车与充电桩为传输电能的物理连接，也包含了充电桩和电动汽车侧的信息采集各模块，以及电动汽车与充电桩的信息交流模块。是安全保护系统，保证充电能安全、有效进行。因此电动汽车的充电装置的接口技术研究与设计是十分重要的。

直流充电桩和交流充电桩相比较，它的充电速度更快，它输入电压三相四线制，输入交流电压为380v,偏移量在正负15%以内，频率为50hz；输出电流可以高达100a以上，是可以调节的电流。直流充电桩基本构成包括：功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等。功率单元是指直流充电模块，控制单元是指充电桩控制器，这两个模块是直流充电桩的核心模块。连接接口结构设计也是直流充电桩可以安全可靠运行的关键技术之一。

2. 研究的基本内容与方案

我们先对电动汽车传导充电连接装置经行了解。充电连接装置主要有供电接口、车辆接口、连接线缆以及线缆上的控制保护装置。直流充电车辆接口适用于在充电模式4及连接方式C，这种方式可以直接连接到交流电网或者直流电网中。车辆接口包含了车辆插头和车辆插座，它们包含9对触头：触头编号1(DC )和触头编号K2(DC-)是充电机的直流电源和电动汽车电池相连的接口，触头编号3是保护接地线的触头，触头编号4和触头编号5是充电通信CAN,触头编号6（CC1）和触头编号7(CC2)是充电连接确认的连接触头，触头编号8（A ）和触头编号9(A-)是低压辅助电源连接线。车辆接口在连接时，各个触头是有触碰顺序的，首先是保护接地即触头3先连接，然后是充电确认（触头7），直流电源的正负极触头，低压辅助电源的正负极，接着是充电通信即CAN通信线，最后是充电连接确认（触头6）。在脱开的过程中顺序则相反。直流充电的接口额定电压是750V或者1000V；电流一般优选：80A、125A、200A、250A。直流充电的电压和电流很大，应在插座端装设温度监控装置；同时充电桩和电动汽车应具有过温保护功能。在直流充电时，在车辆插头应该安装机械锁，保证在充电时不会意外断开，充电桩能识别机械锁是否可靠锁止；车辆插头还要安装电子锁，电子锁由供电设备控制，电子锁在锁止状态时机械锁是不能动作的，防止车辆接口带负载时断开；当电子锁没有可靠连接时不能充电保证充电安全。注意供电插头、供电插座、车辆插头、车辆插座应有防护装置，保证在连接时的安全，这里就不一一叙述，详细规定可见GB/T 18487.1。

直流充电桩的充电回路是：从电网接入三相交流电，经过输入断路器和整流电路把交流电转换为电池可以接受的直流电，变成直流电输入电压供给给IGBT桥。控制器通过驱动电路作用于IGBT,再次将变成直流的电压转换成交流电压，交流电压流经高频变压器再次流过整流电路再把交流变直流，再经过断路器连接到充电插头给电动汽车充电。控制器会根据测得的电压大小调整输出电压和充电电流大小。但要完成对电动汽车安全可靠地充电，只凭充电回路是远远不行的，这时还需要直流充电桩控制导引电路，它由直流充电机、车辆插头、车辆插座以及电动汽车组成，其原理图如图一所示。

图一

充电控制过程主要是：（1）车辆接口连接，并且确认。（2）充电桩自检。（3）充电准备就绪。（4）开始充电。（5） 正常条件下结束充电。注意非正常条件时要立即停止充电。

直流充电桩的充电控制过程中，直流充电桩在给电动汽车充电时，它们之间一直在进行信息交流，使得直流充电桩可以一直知道电动汽车电池的状态，并根据电池状态来调整自己的输出状态。本段主要是了解直流充电桩与电池管理系统之间的通信协议，它是保证充电控制能正常运行的关键之一，。充电桩与BMS之间的通信采用CAN2.0B通信协议，充电时BMS和充电机一起监测电压、电流和温度，但BMS还要管理整个充电过程。充电桩和BMS通信是独立的CAN接口。直流充电桩给电动汽车充电的充电过程主要有：物理连接、低压辅助上电、充电握手、充电参数配置、充电阶段、充电结束阶段六个阶段。其中二者主要在充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段进行CAN报文交互，双方通过报文确定对方的充电状态，实现对充电过程的控制。充电过程中充电转和电动汽车双方都要在规定的时间内收到对方完整的报文，超时时限一般规定为5秒，如果超出了时限即判断为超时。直流充电的报文如表1所示。

充电阶段	报文代号	报文描述	数据长度byte	优先权	报文周期ms	源地址-目的地址
握手阶段	CRM	充电机辨识	8	6	250	充电机-BMS
BRM	BMS和车辆辨识报文	41	7	250	BMS-充电机
CHM	充电机握手	3	6	250	充电机-BMS
BHM	车辆握手	2	6	250	BMS-充电机
充电配置阶段	BCP	动力蓄电池充电参数	13	7	250	BMS-充电机
CTS	充电机发送时间同步消息	7	6	250	充电机-BMS
CML	充电机最大输出能力	8	6	250	充电机-BMS
BRO	电池充电准备就绪状态	1	4	250	BMS-充电机
CRO	充电机输出准备就绪状态	1	4	250	充电机-BMS
充电阶段	BCL	电池充电需求	5	6	50	BMS-充电机
BCS	电池充电总状态	9	7	250	BMS-充电机
CCS	充电机充电状态	8	6	50	充电机-BMS
BSM	动力蓄电池状态信息	7	6	250	BMS-充电机
BMV	单体动力蓄电池电压	不定	7	10000	BMS-充电机
BMT	动力蓄电池温度	不定	7	10000	BMS-充电机
BSP	动力蓄电池预留报文	不定	7	10000	BMS-充电机
BST	BMS中止充电	4	4	10	BMS-充电机
CST	充电机中止充电	4	4	10	充电机-BMS
充电结束阶段	BSD	BSM统计数据	7	6	250	BMS-充电机
CSD	充电机统计数据	8	6	250	充电机-BMS
错误报文	BEM	BMS错误报文	4	2	250	BMS-充电机
CEM	充电机错误报文	4	2	250	充电机-BMS

表1 直流充电通信报文

电动汽车侧的控制系统主要是BMS。BMS是电动汽车电池管理系统，是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。BMS实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息，与外部设备交换信息，监控电池的状态，保证电动汽车电池组能够安全充电，同时提高电池利用率，延长电池的使用寿命。BMS的主要任务有电池状态检测，电池状态分析，电池安全管理，电池信息管理，电池的安全保护与充电机的信息交流等。BMS应有基础功能（1）充电电压、充电电流、温度采样。（2）继电器的驱动能力。（3）电池状态信息收集，电池的电压、电流、温度。（4）CAN通信，但这也是充电接口的关键之一，它要能按照国家标准中的通信标准协议与充电桩进行报文通信。BMS的核心功能包含：（1）电芯均衡（2）荷电计算（3）能量计算（4）功率计算（5）健康程度。BMS控制芯片外部还要连接安全检测电路、总电压采集电路、温度检测电路、均衡充电电路等。检测电路主要是帮助BMS实时收集电压、电流、温度等物理量，并将这些物理量转换成BMS可以识别的电信号。还有部分驱动电路则是接收来自BMS的信号，放大这些信号来关闭或者打开开关K5和K6，控制电池电压均衡电路等。如图2是一个BMS系统构架。

图2

本次毕设我要完成的内容是电动汽车侧的国标直流充电桩的接口分析及模拟实现。当直流充电桩与电动汽车完成物理连接以后，它们之间要完成报文通信，完成直流充电。图3是电动汽车直流充电通信模拟平台的原理图，该原理图主要有直流充电桩、车辆接口部分、直流负载和动力电池电压模拟器、辅助电源负载、车辆BMS模拟器和LED显示模块。直流负载与动力电池电压模拟器组合实现对汽车电池的模拟，充电时动力电池电压模拟电池电压传送给BMS系统，充电完成后，则切换成直流负载。BMS模拟器则可以和充电桩经行CAN报文通信，完成整个充电过程；同时收集来自电池电压模拟模块，充电桩和辅助电源的信息，并能够对这些信息进行相应的解析，然后再将指令发送到各个模块。接口部分则实现和前面所述电动汽车接口的功能。LED显示模块则是接收BMS的信息，显示当前充电状态等信息功能，让人可以接收这些信息。

图3

本次直流充电桩接口技术的设计与模拟，主要是基于单片机系统来完成。本次设计中我们需要用到STM32F103单片机系统并基于STM32F103做BMS模块；CAN收发芯片TJA1050用来做数据采集模块。本毕设的接口是基于充电桩和电动汽车侧的其他功率回路是已经完成的情况下（如电池的状态信息检测回路）来实现通信，并对接口的开关进行控制；可以用独立按键输入来作为接口是否完全连接，是否绝缘等的模拟模块。对于电池电压模拟模块则主要是通过程序模拟实现。

通过前面的了解，模拟电动汽车侧的控制器应该具有以下功能：（1）能够与充电桩进行CAN通讯 ；（2）能够正确接收和解析充电桩报文，并可以点亮LED灯来表示是否握手成功，及其他报文通信是否成功，以及汽车电池是否充满电；（3）能够进行协议超时测试。（4）能够向电池模拟模块进行信息交流，保证可以收到电池信息，同时对电池组进行管理。同时可以接收电动汽车侧的其他的信息模拟模块的信息，如充电电压、绝缘检测、温度等。

要完成本毕设，需要我们熟悉单片机系统，可以在keil中用stm32单片机来对整个接口技术进行模拟。STM32的芯片中具有bxCAN控制器，它支持CAN协议2.0A和2.0B。bxCAN控制器可以自动地接收和发送CAN报文，支持使用标准ID和扩展ID的报文；具有2个3级深度的接收FIFO，可使用过滤功能只接收或不接收某些ID号的报文。当模拟器开始运行时，通过编写好的程序让bxCAN进入初始化模式，等待程序完成接口连接的确定工作，再由程序控制让bxCAN控制器退出初始化，然后程序再控制让bxCAN控制器进入正常模式，这时就可以正常的发送和接收报文了。程序判断当前收的动力电池电压模拟信息，开始发送和接收报文信息。根据CAN2.0协议，基于32固件库实现CAN通信框架。对照国标要求，用轮询 中断的方式实现机械验证紧锁、电气连接确认、直流充电桩的状态信息互换、突发情况向直流充电桩发送报文等。同时我们要编写模拟程序，它包含了系统参数设置模块、BMS 模拟测试控制模块、报文定制模块，电池电压模拟模块。最后再与直流充电桩侧同学一起做整体测试。

正常充电模拟过程的流程首先要进行上电初始化，接着判断接口是否机械连接，没有连接继续等待机械连接的信号；机械连接完成之后，开始判断电子锁是否紧缩，电子锁紧缩之后充电桩闭合K3和K4,使低压辅助供电回路导通。之后充电机发握手报文，同时完成初始数据交互，充电桩获取最高允许充电电压。车辆控制器检测接口是否完全连接，完全连接后则汽车侧控制器等待充电机报文，接收到握手报文后周期发送握手报文；握手不成功继续等待握手。握手成功，充电桩控制器启动绝缘检测电路，闭合K1和K2,充电桩进行自检。自检结束，注意充电桩控制器要断开K1和K2,充电桩控制器开始周期发送通信辨识报文，车辆控制器则等待充电桩发送的通信辨识报文，接收到通信辨识报文后再开始发送通信辨识报文。车辆控制器闭合接触器K5和K6，电动汽车侧开始进行绝缘检测，并持续检测绝缘，如果有绝缘故障应立即停止充电。充电桩控制器检测到车辆电池电压正常，输出预定电压后闭合接触器K1和K2。开始进入充电阶段，充电桩和电动汽车开始互发充阶段的电报文，交换状态信息，充电机根据电动汽车发送的信息，调整输出电压和电流，并判断是否充满电，没有充满继续充电，充满之后BMS发送中止充电报文，充电机控制器发送充电机中止充电报文，并控制充电机停止充电。车辆控制器打开K5和K6同时停止绝缘检测，充电桩控制器打开K1和K2。充电桩侧的泄放电路开启，对电压进行泄放，保证安全。当电压低于60V时，关闭泄放电路，充电桩打开K3和K4,充电桩和电动汽车停止通信。电子锁反馈解锁信号，电子锁解锁。按下车辆插头开关S,让S打开，将车辆插头与车辆插座分离，松开开关S。充电到此结束。在充电这个过程中，程序要时刻分析CAN，检查报文是否满足发送和结束发送的要求，对于报文 CHM、CRM、CCS、CST 报文 周期应严格符合规定时间。这时正常情况下的充电大致流程。当BMS检测到错误时，要给充电桩发送错误报文，直到BMS收到由充电桩发送过来的的报文或拔掉充电插头停止充电为止。注意：当遇到一些非正常条件时，要停止充电；如在充电时，如果充电桩出现故障，则向车辆控制器周期发送充电机中止充电报文，并控制充电机停止充电，还应在100ms内断开K1、K2、K3和K4。图4是正常充电流程图。

模拟其他注意事项：1.机械验证部分采用外部中断，将某上拉引脚电平长时间置低，即判定有机械连接。2.通讯协议采用CAN2.0，判定有机械连接时，在CAN总线上循环发送测试数据。当得到直流充电桩侧对应的消息时，判定通讯连接正常。3.电池状态模拟模块模拟需要注意，它要根据充电桩的输入调整自己的输出状态。 4. 用LCD显示当前状态：待连接、已连接、连接对象的信息、异常状态等。

3. 研究计划与安排

2020.3.6 前：调研、查阅资料、结合毕业设计任务书，了解直流充电桩的基本知识，确定总体方案，完成开题报告；翻译英文资料。

2020.3.6~2020.3.20：深入理解直流充电桩的接口和通信协议，掌握建模方法并建立相关模型；提交开题报告。

2020.3.20~2020.4.24：与充电桩侧的模型对接，相互验证通信协议的正确性，并完成充电过程的模拟。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]韦浩睿,胡小东,李鑫,靳绍许,吴昊.直流充电桩与电动汽车bms协议测试工具的设计[j].信息与电脑(理论版),2019,31(22):47-48.

[2]郭昊,李小鹏,徐征,李艺超,王春晖.直流充电桩通信一致性测试系统设计[j].汽车实用技术,2019(21):41-43.

[3]杨涛,娄柯.电动汽车直流充电桩的硬件系统设计[j].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2019,35(06):30-34.