電動汽車交流充電過程解析

何鵬林，蔡志濤，李文帥，石昊天，王伏雨，薛 剛

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

電動汽車交流充電過程解析

何鵬林，蔡志濤，李文帥，石昊天，王伏雨，薛 剛

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

隨著電動汽車推廣及規(guī)模化發(fā)展，充電問題日益受到研究者及消費(fèi)者的廣泛關(guān)注。交流充電被認(rèn)為是電動汽車電能補(bǔ)充的重要方式之一。本文介紹電動汽車交流充電典型系統(tǒng)構(gòu)成，分析研究整個充電過程，為進(jìn)一步研究交流充電的適應(yīng)性兼容性等問題提供參考。

電動汽車；交流充電；過程解析

目前，對于PHEV及EV而言，其電能補(bǔ)充的方式有交流充電（俗稱“慢充”）、直流充電（俗稱“快充”）以及機(jī)械換電等方式，在面向個人用戶的私家車中，交流充電的方式尤為普遍。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止目前，中國電動汽車的存量已超過100萬輛，而根據(jù)國務(wù)院《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》的規(guī)劃，到2020年，中國電動汽車的累計產(chǎn)銷量將超過500萬輛；充電設(shè)施方面，中國目前在運(yùn)營的充電設(shè)施數(shù)量已超過15萬個，而根據(jù)《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020年）》，到2020年，中國僅分散式充電樁數(shù)量將超過480萬個。由此可見，電動汽車的規(guī)?；l(fā)展趨勢已然顯現(xiàn)。然而，近年來屢屢發(fā)生電動汽車和充電設(shè)施無法充電，甚至出現(xiàn)充電過程中起火等安全事故，頻頻引發(fā)社會關(guān)注，造成消費(fèi)者的“充電焦慮”，極大地影響了用戶體驗(yàn)以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對電動汽車交流充電的研究尤為必要。本文以電動汽車交流充電為研究對象，選取典型的交流充電系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行分析說明，并對整個充電過程進(jìn)行詳細(xì)解析，為后續(xù)對交流充電的適應(yīng)性兼容性等問題的進(jìn)一步研究提供參考。

1 電動汽車交流充電系統(tǒng)

電動汽車交流充電是指通過傳導(dǎo)的方式，按照一定的充電模式，將交流電源調(diào)整為校準(zhǔn)的電壓或電流，為電動汽車動力電池等儲能裝置提供電能。其中，充電模式有模式1、模式2、模式3三種。圖1為電動汽車交流充電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)成主要包括了交流充電設(shè)施、充電連接裝置以及車載充電機(jī)3部分。

交流充電設(shè)施是為電動汽車提供交流電源的裝置，一般由繼電器/接觸器、控制導(dǎo)引電路、漏電保護(hù)電路、過流過壓保護(hù)電路、計量模塊、防雷模塊、通信模塊、人機(jī)交互界面等組成，有便攜式、落地式、壁掛式等多種安裝方式，其額定容量有2.2 kW（220 VAC，10 A）、3.3 kW（220 VAC，16 A）、6.6 kW（220 VAC，32 A）及22.4 kW（380 VAC，63 A）等幾類。充電連接裝置是充電裝置與電動汽車之間的物理傳輸媒介。

交流充電時，將工頻50 Hz單相或三相交流電經(jīng)充電設(shè)施及充電連接裝置傳輸至車載充電機(jī)，經(jīng)車載充電機(jī)整流、濾波等處理后轉(zhuǎn)換為直流電，為車載儲能裝置充電。充電設(shè)施通過PWM告知電動汽車允許最大可用電流，該電流不應(yīng)超過其額定電流、連接點(diǎn)額定電流、電源額定電流中的最小值。

充電所使用的充電連接裝置的物理尺寸、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣特性等應(yīng)符合GB/T 20234.1—2015 《電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第1部分：通用要求》、GB/T 201234.2—2015 《電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第2部分：交流充電接口》的相關(guān)要求，以保證充電連接物理適應(yīng)性。連接裝置的連接方式有A、B、C3種。按照目前最新實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1—2015 《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》規(guī)定，只有充電模式2、模式3適用于交流充電，表1為2種充電模式使用條件。不符合條件的充電將導(dǎo)致電動汽車無法充電，嚴(yán)重者或引起安全事故。

表1 電動汽車交流充電模式使用條件

2 電動汽車交流充電過程解析

物理接口耦合是電動汽車開始充電的先決條件。耦合時，接口保護(hù)地端子（PE）最先接通，控制導(dǎo)引端子（CP）與充電連接確認(rèn)端子（CC）最后接通；與之對應(yīng)，在充電結(jié)束物理接口解耦脫開時，CP端子與CC端子最先斷開，PE端子最后斷開。電動汽車交流充電系統(tǒng)應(yīng)具有控制導(dǎo)引電路，以實(shí)現(xiàn)以下功能：對保護(hù)地導(dǎo)體連續(xù)性的持續(xù)監(jiān)測、電動汽車與充電設(shè)施正確連接的確認(rèn)、供電控制功能、斷電控制功能以及充電電流的持續(xù)監(jiān)測等。圖2所示為充電模式2、3與不同連接方式的充電系統(tǒng)控制導(dǎo)引原理圖。

圖3為電動汽車交流充電整體流程。當(dāng)充電物理接口連接后，車輛控制裝置將通過測量檢測點(diǎn)3與PE之間的電阻值來判斷車輛接口是否完全連接，確認(rèn)完全連接后，車輛接口內(nèi)的電子鎖將在主供電開關(guān)K1、K2閉合前將車輛接口鎖定。充電設(shè)施內(nèi)的供電控制裝置將測量檢測點(diǎn)1或4的電壓值來判斷供電接口是否完全連接，確認(rèn)完全連接后，供電接口內(nèi)的電子鎖亦將在主供電開關(guān)K1、K2閉合前將供電接口鎖定。如鎖定失敗或不能鎖定，充電過程將被終止。此時，車載充電機(jī)啟動自檢，確認(rèn)系統(tǒng)無故障且儲能裝置處于可充電狀態(tài)時，車輛控制裝置閉合開關(guān)S2，車輛充電準(zhǔn)備就緒。充電設(shè)施通過判斷檢測點(diǎn)1的峰值電壓為6 V時，充電設(shè)施準(zhǔn)備就緒，供電控制裝置閉合主供電開關(guān)K1、K2，交流供電回路導(dǎo)通。至此，電動汽車與充電設(shè)施間電氣連接已經(jīng)建立。

圖2 充電模式2、3與不同連接方式的充電系統(tǒng)控制導(dǎo)引原理圖

圖3 電動汽車交流充電流程圖

為了使電動汽車與充電設(shè)施間在確保安全的前提下能以最佳充電能力進(jìn)行充電，需要使二者進(jìn)行能力匹配。匹配時電動汽車控制裝置基于圖2中檢測點(diǎn)2的PWM信號占空比D來判斷當(dāng)前充電設(shè)施可提供的最大充電電流IEVSE，同時基于檢測點(diǎn)3與保護(hù)地端子之間的電阻值（僅適用于連接方式B、C）來判斷當(dāng)前充電接口是否已完全連接以及連接裝置的額定電流ICABLE，而后對IEVSE、ICABLE以及IOBC（車載充電機(jī)自身額定輸入電流）進(jìn)行比較，并選取三者中最小值設(shè)置為車載充電機(jī)當(dāng)前允許的最大充電輸入電流，充電過程中的最大充電電流不得超過該電流值。匹配成功后即啟動充電，匹配失敗應(yīng)提示操作人員結(jié)束充電或檢查后重新進(jìn)行充電流程。充電過程中如車輛或充電設(shè)施監(jiān)測到有異常發(fā)生，比如車輛接口或供電接口連接斷開、PWM信號中斷、檢測點(diǎn)1電壓出現(xiàn)非6 V狀態(tài)、剩余電流保護(hù)器動作等，即結(jié)束充電。同時，充電過程中，電動汽車周期性地對充電設(shè)施的供電能力進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)供電能力變化時，電動汽車應(yīng)監(jiān)測到檢測點(diǎn)2的PWM信號占空比發(fā)生變化，車輛控制裝置即根據(jù)PWM信號占空比動態(tài)調(diào)整電動汽車的實(shí)際充電電流。如出現(xiàn)能力無法匹配，亦應(yīng)停止充電。

在充電過程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定的充電終止條件（如達(dá)到設(shè)定充電時間或到達(dá)設(shè)定SOC值等）或者操作人員主動對電動汽車發(fā)出了停止充電操作時，車輛控制裝置斷開內(nèi)部開關(guān)S2，使車載充電機(jī)充電電流降為0停止充電；充電設(shè)施停止充電時，供電控制裝置將控制開關(guān)S1切換至12 V連接狀態(tài)，開關(guān)K1、K2斷開切斷主供電回路，車輛及充電設(shè)施接口鎖定解鎖，拔出充電接口后充電過程結(jié)束。

3 結(jié)束語

本文闡述了電動汽車交流充電系統(tǒng)典型構(gòu)成，并基于此詳細(xì)梳理和解析了整個充電過程。不難發(fā)現(xiàn)，電動汽車交流充電是一個復(fù)雜的協(xié)同過程，車輛、連接裝置以及充電設(shè)施間任何時序錯誤或?qū)?dǎo)致無法充電甚至引發(fā)安全事故。

［1］ GB/T 20234.1—2015，電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第1部分:通用要求［S］.

［2］ GB/T 20234.2—2015，電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分:交流充電接口［S］.

［3］ GB/T18487.1—2015，電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求［S］.

［4］ 張建偉，楊芳，秦儉，等.電動汽車交流充電控制導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計［J］.電測與儀表，2014，51（5）：78-82.

［5］ 孫煥新. 電動汽車充電系統(tǒng)充電模式分析［J］.時代汽車，2017（6）：12-14.

（編輯 楊 景）

Analysis of AC Charging Process For Electric Vehicles

HE Peng-lin，CAI Zhi-tao，LI Wen-shuai，SHI Hao-tian，WANG Fu-yu，XUE Gang
（China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300300，China）

With the popularization and large-scale development of electric vehicles（EV），charging problem has attracted broad attention from both consumers and researchers. AC charging is considered one of the most important patterns of power supplement for EVs. This article introduces the typical structure of AC charging system for EVs，and analyzes the entire charging process，which can supply some references for further research such as adaptability and compatibility during charging.

electric vehicles；AC charging；process analysis

U467.19

A

1003-8639（2017）10-0001-03

2017-07-24

何鵬林（1988-），男，甘肅武威人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；蔡志濤（1985-），男，天津人，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；李文帥（1992-），男，河北保定人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；石昊天（1989-），男，內(nèi)蒙古人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；王伏雨（1988-），男，天津人，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；薛剛（1988-），男，天津人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)。