淺談電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)

李新茹

淺談電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)

李新茹

（一汽海馬汽車有限公司，海南 ?？?570216）

文章主要介紹純電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)，包括交流充電系統(tǒng)和直流充電系統(tǒng)，簡(jiǎn)述兩種充電系統(tǒng)的組成部件、電氣原理和控制策略，作為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。

電動(dòng)汽車；充電系統(tǒng)；工作模式；車載充電機(jī)；充電接口

1 前言

隨著純電動(dòng)汽車的使用越來越廣，充電需求越來越多，市場(chǎng)對(duì)車輛的充電安全性和便利性提出越來越高的要求，便利、安全且快速的充電是市場(chǎng)對(duì)車輛的一致需求。

本文主要介紹純電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)的組成、電氣原理和控制策略。純電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)方式主要有兩種，一是交流充電方式，即為慢充，二是直流充電方式，即為快充，兩種充電方式的組成、電氣原理和控制方式各不相同。

2 交流充電系統(tǒng)

2.1 交流充電的組成

交流充電指電網(wǎng)輸入給車輛的電壓為交流電，可以是220V AC單向電或380V AC三相電。交流電通過標(biāo)準(zhǔn)充電插頭和充電插座，進(jìn)入車載充電機(jī)，車載充電機(jī)再把交流電轉(zhuǎn)化為直流電，給動(dòng)力電池充電，完成基本的交流充電。

交流充電的部件主要有車載充電機(jī)、交流充電插座（交流充電插座線束）、充電線、交流充電樁或220V交流電源和車輛控制器（VCU、BMS）等組成，如圖1為各部件示圖。

圖1 交流充電的組成

其中交流充電插座和車載充電機(jī)固定在車輛上，充電線隨車配送，交流充電樁固定在停車場(chǎng)，各部件的作用如下：

（1）車載充電機(jī)是交流充電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其根據(jù)控制指令把交流電轉(zhuǎn)化為直流電給電池充電。

（2）交流充電插座是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件，是車輛連接外部電網(wǎng)的接口，其接口有2個(gè)信號(hào)回路，1個(gè)接地回路，1個(gè)零線回路和3個(gè)火線回路，共7個(gè)接口，根據(jù)輸入的電壓是220V AC或380V AC，應(yīng)用相應(yīng)的火線接口。

（3）車輛控制器是實(shí)施監(jiān)控車輛的狀態(tài)，并發(fā)出控制指令給車載充電機(jī)，使其工作或停止工作，控制其工作電流和電壓等，是車輛充電的控制大腦。

（4）模式2充電線是連接外部電網(wǎng)和車輛的充電線，直接給車載充電機(jī)提供220V AC電源。其線纜上的功能盒可檢測(cè)車輛和電網(wǎng)狀態(tài)，連接或斷開給車輛的供電，具有一定的保護(hù)功能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求其輸入的充電電流限制在13A以內(nèi)，輸入電壓為220V AC，所以采用模式2的充電線充電時(shí)，車載充電機(jī)的輸入最大功率為2860W，即充電時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。

（5）交流充電樁也是車輛連接外部電網(wǎng)的部件，直接給車載充電機(jī)提供220V AC或380V AC電源。其也具有檢測(cè)車輛和電網(wǎng)狀態(tài)，連接或斷開給車輛供電的功能。充電樁的供電電壓有220V AC和380V AC，根據(jù)充電樁的輸出功率而定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，如交流充電樁的輸出電流大于32A時(shí)，供電電壓必須采用380V AC。因此采用交流充電樁充電時(shí)，充電功率較大，即充電時(shí)間會(huì)縮短。

2.2 交流充電的電氣原理

交流充電方式總共有三種充電模式，分別為模式1、模式2和模式3。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求和充電安全，其中模式1嚴(yán)禁使用，模式3一般采用連接方式C的模式，其模式2和模式3連接方式C的交流充電工作原理電氣圖如圖2和圖3所示。

圖2 模式2充電的電氣原理圖

交流充電是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的充電方式，其電氣原理圖、檢測(cè)和控制要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》的要求，如圖2和圖3所示。除了滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求外，不同汽車廠會(huì)根據(jù)項(xiàng)目需求，增加充電提示或顯示的功能，方便客戶的查看充電狀態(tài)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，CC信號(hào)是充電插頭和充電插座是否連接的判斷信號(hào)，同時(shí)車輛根據(jù)CC的信號(hào)值，判斷RC阻值，確定線束的容量。CP信號(hào)是判斷供電設(shè)備的供電能力，通過PWM值確定。電氣原理圖中的各電阻值和PWM值都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且控制器必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，以滿足車輛在市場(chǎng)上的充電需求。

圖3 模式3充電的電氣原理圖

2.3 交流充電的控制策略

根據(jù)圖2和圖3所示，無論是模式2還是模式3，原理圖基本相同，只是電網(wǎng)的交流供電方式不同。以某項(xiàng)目的為例，簡(jiǎn)述其控制策略，其電氣原理圖、檢測(cè)和控制即滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)為了便于客戶使用，交流充電的控制策略和順序如下：

①車載充電機(jī)檢測(cè)CC和CP信號(hào)，車載充電機(jī)可根據(jù)CC信號(hào)判斷充電線的容量，根據(jù)CP信號(hào)，判斷供電設(shè)備的供電能力。

②車輛處于休眠或停車狀態(tài)時(shí)，當(dāng)充電插頭插上充電插座時(shí)，車載充電機(jī)檢測(cè)到CC或CP，自身喚醒。

③車載充電機(jī)自喚醒后，喚醒VCU和BMS。

④VCU和BMS被喚醒后，開始進(jìn)入交流充電模式，并檢測(cè)車輛狀態(tài)，即車輛是否有故障，電池是否滿電。

⑤車載充電機(jī)反饋充電線束狀態(tài)和供電設(shè)備信息給BMS。

⑥BMS根據(jù)車載充電機(jī)反饋的信息和車輛的狀態(tài)，發(fā)送開始充電或停止充電指令給車載充電機(jī)。

⑦充電線或交流充電樁的供電控制裝置，通過CP信號(hào)判斷車輛狀態(tài)，連接或斷開K1和K2，即連接或斷開交流電的輸入。

⑧車載充電機(jī)根據(jù)接收到的指令，開始或停止工作，給車輛充電或停止充電進(jìn)入休眠。

以上是充電過程的控制簡(jiǎn)述，而在整個(gè)充電的伊始，車輛和交流充電樁（或充電線）都會(huì)先判斷充電接口是否連接完好，車輛才會(huì)判斷是否啟動(dòng)充電，所以客戶必須插搶到位，此也是為了保證充電安全。在使用上，客戶只需插搶，無需執(zhí)行其他操作，車輛隨即進(jìn)入充電模式，開始充電，提高了客戶使用的便利性。在實(shí)際使用中，如果車輛在充電過程，當(dāng)電網(wǎng)沒有電時(shí)，車輛會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠，減少自身的能耗；當(dāng)又來電時(shí)，車輛也會(huì)自動(dòng)喚醒，并檢測(cè)車輛狀態(tài)，如車輛未滿電時(shí)會(huì)繼續(xù)充電，如已滿電，會(huì)停止充電并進(jìn)入休眠，減少能量消耗。例如模式3充電方式，其充電過程的電壓變化如圖4所示。

圖4 交流充電過程視圖

3 直流充電系統(tǒng)

3.1 直流充電的組成

直流充電是指外部電網(wǎng)輸入給車輛的電壓為直流電，即直流充電樁把380V AC三相電轉(zhuǎn)化為直流電，通過標(biāo)準(zhǔn)直流充電插頭和充電插座輸送給車輛，直接給動(dòng)力電池充電，完成基本的直流充電。

直流充電的部件主要有直流充電插座（直流充電插座線束）、車輛控制器（VCU、BMS）和直流充電樁等，如圖5所示。

圖5 直流充電的組成

其中直流充電插座固定在車輛上，直接連接動(dòng)力電池，直流充電樁固定在停車場(chǎng)，各部件的作用如下：

（1）直流充電插座是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件，是車輛連接外部電網(wǎng)的接口，其有1路CAN通訊回路（2個(gè)接口），1路低壓輔助供電回路（2個(gè)接口），2個(gè)信號(hào)回路，1個(gè)接地回路和1正1負(fù)的2個(gè)高壓回路，共9個(gè)接口。

（2）車輛控制器是實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛狀態(tài)，并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930-2015《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》協(xié)議格式和內(nèi)容，發(fā)出控制指令給直流充電樁，使其工作或停止工作，控制其輸出電流和電壓等，是車輛充電的控制大腦。

（3）直流充電樁是一個(gè)大功率的非車載充電機(jī)，其把380V AC交流電轉(zhuǎn)化為直流電后，通過標(biāo)準(zhǔn)充電插頭和充電插座連接，直接給動(dòng)力電池充電。其工作功率一般都較大，因此大大縮短充電時(shí)間。

3.2 直流充電的電氣原理

直流充電方式只有一種模式，即為國(guó)標(biāo)所述的充電模式4，其電氣原理圖如圖6所示。

圖6 模式4直流充電的電氣原理圖

直流充電是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的充電方式，其電氣原理圖、檢測(cè)和控制要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》的要求，如圖6所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，CC1信號(hào)是直流充電樁判斷充電插頭和充電插座是否連接的信號(hào)；CC2是車輛判斷充電插頭和插座是否連接的信號(hào)；S+和S-是CAN信號(hào)通道；A+和A-是輔助電源，以乘用車為例是12V，以大巴車為例是24V。直流充電樁可通過A+和A-提供輔助電源，但在標(biāo)準(zhǔn)里并未強(qiáng)調(diào)一定要使用此輔助電源，車輛可根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)用。電氣原理圖中的各電阻值都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且控制器必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，以滿足車輛在市場(chǎng)上的充電需求。

3.3 直流充電的控制策略

直流充電的電氣原理圖不僅要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且與車輛的控制器的通訊協(xié)議也必須符合國(guó)標(biāo)格式和內(nèi)容，車輛才可實(shí)現(xiàn)在市場(chǎng)上充電。以某個(gè)項(xiàng)目為例，充電是給動(dòng)力電池充電，為了便于執(zhí)行控制，直接使用動(dòng)力電池的BMS與直流充電樁進(jìn)行信息交互和檢測(cè)，VCU只作為輔助判斷，其控制策略和順序如下：

①車輛未使用A+和A-輔助電源，因?yàn)榇穗娫礊檐囕v外部電壓，其可靠性不穩(wěn)定，因此未使用。

②BMS檢測(cè)CC2信號(hào)和通過S+和S-與直流充電樁進(jìn)行信息交互。

③車輛在休眠或停車狀態(tài)時(shí)，當(dāng)直流充電插頭和直流充電插座插合時(shí)，BMS檢測(cè)到CC2信號(hào)，自喚醒。

④BMS自喚醒后喚醒VCU，車輛進(jìn)入直流充電模式。

⑤直流充電樁通過檢測(cè)到CC1信號(hào)，判斷充電插座和插頭是否連接完全。

⑥BMS和直流充電樁進(jìn)行信息交互。

⑦BMS根據(jù)直流充電樁反饋的信息和車輛狀態(tài)進(jìn)行判斷，發(fā)送開始充電或停止充電給直流充電樁。

⑧直流充電樁根據(jù)CC1信號(hào)和BMS反饋信息，執(zhí)行充電或停止充電。

⑨當(dāng)充電完成或停止充電后，整車進(jìn)入休眠，減少能量的消耗。

以上是簡(jiǎn)單的控制過程，在使用和操作要求上與交流充電相似。但直流充電過程，當(dāng)停止充電后，需重新拔槍再插搶，才可進(jìn)行第二次充電，此方式區(qū)別于交流充電，也是為了保證充電安全。其充電過程的電壓變化如圖7所示。

圖7 直流充電過程視圖

4 總結(jié)

無論是純電動(dòng)汽車或可充電混合動(dòng)力汽車的充電系統(tǒng)，基本都按照標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，才能滿足車輛在市場(chǎng)上的充電需求。

交流充電電流相對(duì)較小，有利于電池的使用壽命，且不易過熱和發(fā)生故障。直流充電雖然能更快的完成充電，但對(duì)車輛的電池?fù)p傷較大，也易發(fā)生過熱，從而起火，因此建議車輛多采用交流充電模式，可有效延長(zhǎng)電池壽命和減少事故發(fā)生。

除了標(biāo)準(zhǔn)要求外，車輛控制器需實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的狀態(tài)，例如電池是否過熱、過壓、過充、過流、絕緣阻值是否下降等，是整車廠需要完善的控制策略，以保證充電安全。

[1] GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分:通用要求》.

[2] GB/T 20234.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第1部分:通用要求》.

[3] GB/T 20234.2-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分:交流充電接口》.

[4] GB/T 20234.3-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第3部分:直流充電接口》.

[5] GB/T 27930-2015《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》.

Discussion on Charging System of Electric Vehicles

Li Xinru

( Faw haima automobile co. LTD., Hainan Haikou 570216 )

This paper mainly introduces the charging system of pure electric vehicle, including AC charging system and DC charging system, and briefly describes the components, electrical principle strains and control strategies of the two charging systems, as a reference for the subsequent design.

Electric vehicles;Charging systems;Operating modes;On-board chargers;Charging coupler

U469.72

A

1671-7988(2019)18-15-04

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1671-7988(2019)18-15-04

李新茹（1988-），女，就職于一汽海馬汽車有限公司，從事新能源汽車充電系統(tǒng)和高壓集成系統(tǒng)等小三電設(shè)計(jì)開發(fā)工作，2018年開始從事氫燃料電池電動(dòng)汽車的氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，現(xiàn)任氫燃料電池電動(dòng)汽車項(xiàng)目氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工程師。主要研究純電動(dòng)汽車高壓電器集成和氫燃料電池電動(dòng)汽車的氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.005