純電動(dòng)汽車交流無法充電故障診斷分析

陳元浪 駱海燕

摘要：隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車使用量越來越大，但全球的石油能源面臨著開采嚴(yán)重并供不應(yīng)求的危機(jī)，而且汽車尾氣產(chǎn)生的二氧化碳是造成全球變暖的主要原因。而純電動(dòng)的出現(xiàn)節(jié)約石油能源同時(shí)保護(hù)了環(huán)境，所以純電動(dòng)汽車是未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。但是電動(dòng)汽車從充電開始到充電結(jié)束整個(gè)過程相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，結(jié)合了許多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)才得以完成電動(dòng)車的充電系統(tǒng)。目前使用最廣泛的充電系統(tǒng)就是交流充電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;交流;充電

引言：純電動(dòng)汽車相較于內(nèi)燃機(jī)汽車有許多優(yōu)點(diǎn)而被越來越多的人認(rèn)可，電動(dòng)汽車采用電驅(qū)動(dòng)，在行駛的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)出廢氣污染環(huán)境，它產(chǎn)生的噪音極低，使用電源的成本要比使用石油的成本低得多，不用像燃動(dòng)汽車一樣需要定期保養(yǎng)。但是純電動(dòng)汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)燃機(jī)汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很多不同的地方，也就造成了電動(dòng)汽車在故障診斷方面出現(xiàn)了很大的困難，特別是電動(dòng)汽車交流充電出現(xiàn)故障時(shí)，需要遵循由簡單到復(fù)雜的排除診斷，做好故障分析。

1純電動(dòng)汽車交流充電和直流充電的區(qū)別

所有的電動(dòng)車都面臨著充電的問題，交流充電的最大功率只有7千瓦，造成交流電充電速度就會(huì)較慢，而直流充電的最大功率可以達(dá)到44千瓦，所以直流充電相較于交流充電的充電速度快得多，快充和慢充在充電系統(tǒng)中都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，所以交流電充和直流電充誰都代替不了誰的位置，根據(jù)各自的特點(diǎn)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)中。

1.1交流充電的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：在充電的過程中可以確保所有的電芯都能夠充滿電，因?yàn)槭窃诜骞葧r(shí)間段充電所有充電使用的成本也相對(duì)較低。而且使用慢充的充電過程中將電池的損傷程度降至最小 ，相較于快充可以大大的延長電動(dòng)汽車的使用壽命。

缺點(diǎn)：充電時(shí)間較長，充電完成大約時(shí)間為8個(gè)小時(shí)

1.2直流充電的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：直流充電的速度非?？?，可以利用40分鐘的時(shí)間就能充滿電，相較于交流充電，這樣就極大地縮短了充電過程中需要等待的時(shí)間，在出遠(yuǎn)門或急需用車時(shí)，使用直流充電方便了人們的生活。

缺點(diǎn)：由于鋰電池的耐高溫性能較差，如果使用電流大且不恒壓的快充時(shí)，會(huì)使電池組的電池溫度過高，如果長期進(jìn)行直流快速充電，會(huì)使電池致熱失效，而且當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)使鋰電池中的鋰離子逐漸減少，電池的使用壽命就會(huì)隨著電池容量的不斷減小而逐漸縮短。

2交流充電系統(tǒng)的基本組成

2.1. 交流充電樁

充電樁的作用是為新能源電動(dòng)車提供交流電力來源的專用供電設(shè)備。充電樁包括單相充交流電樁和三相直流充電樁，單相交流充電樁主要適用于小型的純電動(dòng)車或可插電混合動(dòng)力電動(dòng)汽車充電需求，由于它的最大額定功率只有7千瓦造成汽車充滿電的時(shí)間需要4-9個(gè)小時(shí)。

交流充電樁相較于直流充電樁雖然充電較慢，但是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)相較于直流充電樁簡單得多， 所以成本也會(huì)更少性價(jià)比較高，這就使得交流充電樁更受到人們的追捧。交流充電樁對(duì)變壓器的負(fù)荷量不會(huì)影響正常供電，施工起來也不困難，大多數(shù)的小區(qū)只需要簡單的改造就能完成電動(dòng)汽車的充電需求，所以一些老舊的小區(qū)也可以安裝交流充電樁。

2.2.車輛的充電接口

由于每個(gè)國家的電網(wǎng)系統(tǒng)不同，所以每個(gè)國家或地區(qū)會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)情況而制定相應(yīng)的充電連接器和電流的要求。在中國地區(qū)全部采用7芯結(jié)構(gòu)交流充電器的接口，以單相交流充電為主三相交流充電為輔的充電方式。

2.3.交流充電機(jī)

車載充電機(jī)在是由交流充電樁供電，主要采用高頻開關(guān)電源技術(shù)獎(jiǎng)公共電網(wǎng)，輸入220伏的交流電能轉(zhuǎn)換為車載儲(chǔ)能裝置。主要包括主電路、控制電路、線束和標(biāo)準(zhǔn)件，主電路的前端主要由全橋電路和PFC電路構(gòu)成，將220伏的交流電通過整流濾波轉(zhuǎn)換為電壓恒定的直流電能，實(shí)現(xiàn)AC-DC變換，主電路后端主要由LLC電路組成。通過功率變換器將前端輸出的高壓直流電能變換成適當(dāng)?shù)碾妷杭半娏鞴┙o動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)DC-DC變換，控制電路主要控制MOS管的開關(guān)，與BMS之間通訊，監(jiān)測(cè)充電機(jī)狀態(tài)、與充電樁握手等功能，結(jié)束及標(biāo)準(zhǔn)件用于電路及控制電路的連接，固定元器件及電路板，車載充電機(jī)采用風(fēng)冷方式，防護(hù)等級(jí)IP66。

3交流充電的基本工作原理

當(dāng)充電槍與電動(dòng)的汽車充電接口連接后，12伏的低壓可以激活使整個(gè)電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)和電池的管理系統(tǒng)等低壓部件。電池的管理系統(tǒng)會(huì)先檢測(cè)到電池的電量狀態(tài) 然后將檢測(cè)到的信息車載充電機(jī)，車載充電器接收到電池電量的信號(hào)后，會(huì)閉合電池的相關(guān)繼電器，電動(dòng)汽車開始正常充電。車載充電器內(nèi)有變壓裝置，可以將交流充電樁的220伏電壓變?yōu)殡姵厮枰慕涣麟?，在先后?jīng)過整流器和濾波電路進(jìn)行整流整形后，再到達(dá)穩(wěn)壓二極管形成平穩(wěn)的直流波形，再進(jìn)行輸出。當(dāng)車載充電機(jī)檢測(cè)到電池管理系統(tǒng)發(fā)出的充電已滿的信號(hào)時(shí)，就會(huì)斷開電池的繼電器。

4交流充電的過程

在電動(dòng)汽車充電的過程中電池的質(zhì)量有很高的要求，否則在電壓過高的情況會(huì)出現(xiàn)電池爆炸的現(xiàn)象。所以在剛開始充電時(shí)要求引入電流值不能太大，逐漸通過小電流刺激電池內(nèi)的化學(xué)成分，當(dāng)蓄電池的化學(xué)物品化學(xué)反應(yīng)完成將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能時(shí)，就可以加大充電的電流值來進(jìn)行的充電，當(dāng)電流達(dá)到18安培的恒定電流時(shí)，如果電壓充電達(dá)到400伏，充電器會(huì)接收到信號(hào)自動(dòng)將恒定電流值調(diào)節(jié)至18安培以下，這樣電壓就不能進(jìn)入穩(wěn)定的階段。然后繼續(xù)充電，當(dāng)電壓又一次到達(dá)400伏時(shí)，充電器會(huì)再一次自動(dòng)將恒定電流值低于18安培，這樣反復(fù)的充電，到最后電流值很小，電池充滿后，充電器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

5交流不能充電的故障表現(xiàn)

車輛充電出現(xiàn)問題的表現(xiàn)主要是電動(dòng)汽車READY出現(xiàn)問題，儀表有充電連接信號(hào)但無法充電，電動(dòng)汽車車儀表盤沒有顯示車輛充電口和充電槍連接，電動(dòng)汽車儀表盤可以顯示車輛已經(jīng)開始充電但是充電流入的電流數(shù)值特別小。造成電動(dòng)汽車沒有正常充電的原因有很多，其中主要包括電動(dòng)汽車的充電設(shè)備出現(xiàn)問題、電動(dòng)汽車的VCU出現(xiàn)問題、電動(dòng)汽車內(nèi)的電池?fù)p壞不能充電和通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障

5.1車輛的充電裝備出現(xiàn)問題：電動(dòng)汽車需要不斷的利用外部充電設(shè)備與汽車連接來進(jìn)行充電，而用來充電的設(shè)備主要有專門用于電動(dòng)汽車充電的充電樁，其次如果小區(qū)附近沒有充電樁也可以利用家用插座來給電動(dòng)汽車充電，若是當(dāng)使用充電樁來給電動(dòng)汽車充電時(shí)發(fā)現(xiàn)不能電動(dòng)汽車無法正常充電，那么可能是充電樁本身出現(xiàn)問題、充電樁與充電槍的連接線出現(xiàn)損毀或者是充電槍不能進(jìn)行充電。如果電動(dòng)汽車充電時(shí)連接的是220伏的家用插座出現(xiàn)了電動(dòng)汽車不能正常充電的現(xiàn)象，那么可能出現(xiàn)的問題包括家用插座本身已經(jīng)故障、家用插座與充電槍之間的連接線出現(xiàn)了破損等問題和充電槍本事就已經(jīng)損壞而不能充電。

5.2電動(dòng)汽車的VCU出現(xiàn)問題：當(dāng)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)，VCU會(huì)接收到電動(dòng)汽車的充電接口和充電槍連接準(zhǔn)備開始充電的信號(hào)和確認(rèn)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電的信號(hào)，在VCU確認(rèn)連接后才能繼續(xù)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，所以如果VCU出現(xiàn)問題，充電信息將會(huì)中斷無法傳輸信號(hào)，會(huì)造成電動(dòng)汽車在充電過程中因信號(hào)傳輸中斷而不能進(jìn)行正常的充電。使電動(dòng)汽車VCU不能正常工作的原因主要有VCU沒有上電、VCU的通訊系統(tǒng)出現(xiàn)損壞和VCU本身已經(jīng)損壞。

5.3電動(dòng)汽車內(nèi)的電池出現(xiàn)問題：電池作為電能的儲(chǔ)存設(shè)備，為電動(dòng)汽車的行駛提供源動(dòng)力，是充電系統(tǒng)中非常重要的一部分，在電動(dòng)汽車充電的過程中將接收的電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)蓄起來。所以如果電動(dòng)汽車的電池出現(xiàn)問題同樣會(huì)造成電動(dòng)汽車的充電故障，造成電池不能正常工作的原因有很多，主要的原因有BMS系統(tǒng)某部位出現(xiàn)了問題、電池的交口處出現(xiàn)故障、電池內(nèi)部的傳感器出現(xiàn)損壞或者是電池本身的硬件出現(xiàn)損壞造成電池不能充電。

5.4電動(dòng)汽車的通訊系統(tǒng)出現(xiàn)問題：電動(dòng)汽車是通過總線進(jìn)行通訊的，所以當(dāng)電動(dòng)汽車的通訊系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)沒有識(shí)別到充電信號(hào)，就不會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。

6交流不能充電的故障分析

以儀表沒有充電連接的信號(hào)和儀表有充電顯示但是無法充電兩個(gè)例子來分析交流不能充電的現(xiàn)象

6.1儀表沒有充電連接的信號(hào)

當(dāng)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電時(shí)儀表沒有充電的連接信號(hào)，先要排出電動(dòng)汽車的絕緣故障引起的，如果沒有問題，再檢查是否是電動(dòng)汽車的充電裝備出現(xiàn)了問題。例如，如果是用220伏的家用插座進(jìn)行供電，可以使用修車燈來測(cè)試是否是插座出現(xiàn)問題，若修車燈可以正常開啟，證明插座是正常的，如果不能正常打開修車燈，則是插座出現(xiàn)了問題，及時(shí)更換插座即可。

在確定家用插座沒有問題后，就需要檢測(cè)交流充電槍是否正常。在我國交流充電槍是采用7芯的充電系統(tǒng)，7芯分別對(duì)應(yīng)著CC信號(hào)端子、充電控制確認(rèn)信號(hào)端子、火線端子、零線端子、接地端子和兩個(gè)備用端子。它的工作原理：當(dāng)交流充電槍正常接入到220伏的電壓后，CC信號(hào)端子的電壓會(huì)達(dá)到12伏，充電槍的外部有一個(gè)藍(lán)色的按鈕，這時(shí)候如果按下這個(gè)按鈕，CC信號(hào)端子的電壓就會(huì)同時(shí)變?yōu)?伏。在交流充電槍正常接入220伏的電壓后，充電控制確認(rèn)信號(hào)端子的電壓值在正常情況下不會(huì)超過2伏，當(dāng)交流充電槍再連接到電動(dòng)汽車的充電接口后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)充電控制確認(rèn)信號(hào)端子的壓力會(huì)立刻上漲，正常情況下壓力值要達(dá)到8伏以上。交流充電槍在和電動(dòng)汽車上的充電接口連接以前，火線端子和零線端子電壓都是處于0伏的狀態(tài)。接地端子在電壓接入的前后都是處于無壓的狀態(tài)。根據(jù)端子的電壓情況，可以檢測(cè)出充電槍是否能正常工作。若是充電槍出現(xiàn)的問題，及時(shí)更換即可。

如果充電槍也是正常的狀態(tài)，就需要再檢測(cè)是不是車載充電機(jī)出現(xiàn)問題導(dǎo)致電動(dòng)汽車無法正常充電，先要檢查車載充電機(jī)的power燈和run燈是否都亮起，在正常情況下燈都是顯示為綠色。如果車載充電機(jī)的燈顯示異常就是車載充電機(jī)的出現(xiàn)故障。在確保車載充電器也是正常的情況下，再檢查是不是低壓電池饋電的原因?qū)е码妱?dòng)汽車不能正常充電，若還是不能正常充電就要檢查VCU是不是出現(xiàn)了損壞。在確定VCU無異常后就要檢查BMS系統(tǒng)是否故障或電池內(nèi)部是否出現(xiàn)問題。

6.2儀表有充電連接信號(hào)但無法充電

電動(dòng)汽車的充電接口與交流充電槍連接之后，電動(dòng)汽車的儀表盤上會(huì)顯示汽車充電已經(jīng)連接，而且所有指示燈都正常亮起，但是未能聽到在充電的過程中會(huì)發(fā)出車載充電機(jī)的散熱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的聲音，電動(dòng)汽車的儀表盤顯示充電槍與汽車充電接口充電連接，但是沒有找到充電已經(jīng)成功的相關(guān)顯示，這就證明電動(dòng)汽車并不能正常的充電。當(dāng)電動(dòng)汽車啟動(dòng)時(shí)各個(gè)部位都沒有異常，電池可以以高壓狀態(tài)為電動(dòng)汽車傳輸電量，儀表上的所有指標(biāo)顯示正常，可以確定不是電池、高壓互鎖線路和高壓系統(tǒng)發(fā)生故障?？梢酝ㄟ^診斷儀檢測(cè)對(duì)空單元是否出現(xiàn)故障代碼儲(chǔ)存，若檢測(cè)后正常則表明控制單元沒有問題，那么極有可能是交流充電系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。

可以通過交流充電系統(tǒng)的工作原理來檢測(cè)到電動(dòng)汽車不能正常充電的原因，交流充電控制引導(dǎo)電路的連接線可能出現(xiàn)故障，供應(yīng)電力的控制裝置系統(tǒng)也極有可能出現(xiàn)問題，或者是車輛的充電裝置發(fā)生故障。當(dāng)電動(dòng)汽車充電接口與交流充電槍連接時(shí)，開關(guān)會(huì)切換成PWM的信號(hào)狀態(tài)，供電控制裝置會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓值得變化情況，從而能做到時(shí)刻評(píng)估充電連接裝置的連接狀態(tài)。電動(dòng)汽車控制裝置通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PWM的信號(hào)，能夠全方位地評(píng)估供電設(shè)備的實(shí)際能力，從而確保充電連接裝置是處于正常連接的狀態(tài)。

結(jié)束語

總而言之，我國的可持續(xù)發(fā)展政策的實(shí)施，電動(dòng)汽車在汽車行業(yè)會(huì)占有越來越重要的位置，充電系統(tǒng)是保障電動(dòng)汽車在未來能夠順利發(fā)展的基礎(chǔ)，交流充電有直流充電而無法替代的優(yōu)點(diǎn)。所以了解交流充電的原理，并能通過原理排查出充電不正常的原因，是電動(dòng)汽車發(fā)展的新的里程碑。

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注： 本文為2020年廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目《純電動(dòng)汽車交流充電系統(tǒng)的研究與實(shí)踐》，項(xiàng)目編號(hào)：2020KY44020