純電動(dòng)汽車適配歐美市場充電解決方案

劉 新， 王建平， 程 堯， 蘇 磊， 李 燕， 肖 恩

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院， 湖北 武漢 430056）

1 概述

新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)， 近幾年得以蓬勃發(fā)展， 尤其是純電動(dòng)汽車， 已經(jīng)具有一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模與先發(fā)優(yōu)勢。 在國家大力支持下， 國內(nèi)純電動(dòng)汽車立足國內(nèi)市場， 逐步進(jìn)軍海外市場， 旨在實(shí)現(xiàn)彎道超車。 中國電動(dòng)汽車在全球化推廣和使用中， 面臨著國內(nèi)外充電接口標(biāo)準(zhǔn)、 充電數(shù)字通信方式、 控制方法不統(tǒng)一等制約， 導(dǎo)致按國標(biāo)開發(fā)的純電動(dòng)汽車在海外市場無法直接實(shí)現(xiàn)充電互聯(lián)互通， 需要做適應(yīng)性設(shè)計(jì)變更。 本文以某純電動(dòng)汽車為例， 研究并制定適配歐美市場的充電解決方案。

2 充電技術(shù)差異

國內(nèi)外充電技術(shù)差異， 主要表現(xiàn)在充電接口、 充電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、 充電控制方式等差異。

2.1 充電接口

國內(nèi)充電接口分為交流充電接口與直流接口， 交直流充電接口分離。 歐美市場充電接口普遍采用交直流一體化接口， 美標(biāo)與歐標(biāo)充電口存在一定差異， 但較為接近。 如圖1～圖4所示。

圖1 歐標(biāo)充電插座

圖4 國標(biāo)直流充電插座

2.2 充電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)電動(dòng)汽車充電主要按照GB/T 20234—2015、 GB/T 27930、 GB/T 18487—2015等系列標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)。 其中， GB/T 27930是針對(duì)GB/T 20234.3—2015直流充電接口定制的通信協(xié)議， 交流充電通信協(xié)議由車企自定義。

圖2 美標(biāo)充電插座

圖3 國標(biāo)交流充電插座

歐美國家的聯(lián)合充電系統(tǒng) (Combined Charging System）， 即 “CCS” 標(biāo)準(zhǔn)， 由SAE以及8家歐美車企制定， 其一體化交直流充電接口標(biāo)準(zhǔn)被IEC采納， 其參考的標(biāo)準(zhǔn)主要是ISO 15118、 DIN 70121等。

2.3 充電控制方式

國標(biāo)直流充電按照GB/T 27930進(jìn)行CAN通信， 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)充電流程， 依次是物理連接、 低壓上電、 充電握手、 充電參數(shù)配置、 充電階段、 充電結(jié)束階段。 從握手到結(jié)束， 以互發(fā)標(biāo)準(zhǔn)定義的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行信息交互， 保證充電的進(jìn)行。

歐美CCS充電通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)ISO 15118、 DIN 70121是基于PLC通信， 和國標(biāo)充電通信方式完全不同。 CCS充電接口連接美標(biāo)充電槍獲取電能， 電池管理系統(tǒng)監(jiān)測并控制充電過程， CCS充電樁與整車的控制信息交互是基于插槍連接信號(hào)PP與控制導(dǎo)引信號(hào)CP， 根據(jù)PWM確認(rèn)充電電流大小等。

2.4 其他

除了充電接口、 充電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、 充電控制方式3個(gè)方面， 國內(nèi)外充電技術(shù)還表現(xiàn)在喚醒方式、 充電策略、 電子鎖控制等方面， 后文將詳細(xì)展開。

3 CCS充電方案

基于國內(nèi)外充電技術(shù)的差異， 為適配歐美市場充電，本方案增加通信轉(zhuǎn)化模塊 （EVCC）。 CCS充電原理如圖5所示， 整個(gè)CCS充電系統(tǒng)由充電口、 充電連接線纜、 BMS、EVCC、 充電機(jī) （OBC） 電池包 （pack） 等組成。 其中， 電池管理系統(tǒng) （BMS） 檢測充電連接信號(hào) （PP） 與充電口溫度， EVCC檢測CP信號(hào)及控制電子鎖， BMS與EVCC之間仍以CAN通信方式進(jìn)行交互， EVCC與美標(biāo)充電樁交互的信息， 主要是將控制引導(dǎo)信號(hào) （CP） 轉(zhuǎn)化成符合GB/T 27930的CAN信號(hào)， 共同完成充電流程。 下文從以下幾個(gè)方面將充電方案詳細(xì)展開。

圖5 CCS充電原理圖

3.1 喚醒方式

整 車 向EVCC、 OBC、 BMS 供12V 常 電。 插 槍 之 后，EVCC由CP信號(hào)喚醒， EVCC被喚醒后輸出喚醒信號(hào)到整車控制器 （簡稱VCU）， VCU輸出喚醒信號(hào)到電池管理系統(tǒng)(BMS） 及其他控制器。 BMS喚醒后， 發(fā)出電子鎖上鎖和S2閉合指令， 交流220V輸入到車載充電機(jī) （OBC）， OBC檢測到220V并自檢無問題后， 完成低壓上電。

3.2 電子鎖控制策略

3.2.1 電子鎖原理

如圖6所示， 本方案采用4芯電子鎖， 電子鎖共計(jì)4根線。 其中， 紅白線束為電子鎖12V供電線束， 藍(lán)黃為信號(hào)反饋線束。 EVCC執(zhí)行上鎖時(shí)， 紅色線束接+12V， 白色接搭鐵， 接通時(shí)間約500ms， 電子鎖內(nèi)部微電機(jī)正轉(zhuǎn)， 且電子鎖推桿與微動(dòng)開關(guān)聯(lián)動(dòng)， 藍(lán)黃輸出導(dǎo)通狀態(tài)反饋到EVCC。EVCC執(zhí)行解鎖與之相反。 在整車斷電情況下， 如果電子鎖處于鎖止?fàn)顟B(tài)， 可拉動(dòng)手動(dòng)解鎖繩索， 以便充電槍拔出。

圖6 電子鎖原理圖

3.2.2 直流充電模式電子鎖控制策略

EVCC被喚醒后， 根據(jù)有效PWM大小再判斷直流還是交流充電模式， 有效PWM 為3%～7%， 則判斷為直流充電（DC） 模式， 有效PWM為9.5%～96.5%， 則判斷為交流充電（AC） 模式。

直流充電中， 區(qū)別于國標(biāo)直流充電的電子鎖安裝在充電槍端， 電子鎖由供電設(shè)備控制。 CCS充電電子鎖由車輛端EVCC根據(jù)充電流程直接控制， 在充電準(zhǔn)備階段， EVCC直接閉合電子鎖， 充電結(jié)束后， EVCC會(huì)直接斷開電子鎖?；蛘連MS接收到儀表臺(tái)電子鎖解鎖信號(hào)， 會(huì)主動(dòng)向EVCC發(fā)出BST報(bào)文， EVCC也會(huì)斷開電子鎖。

3.2.3 交流充電模式電子鎖控制策略

交流充電中， 和國標(biāo)接近， 電子鎖控制由車輛端控制器控制， 這個(gè)控制器可以是OBC、 EVCC或者BMS。 本方案電子鎖由BMS控制， 當(dāng)BMS被喚醒后， 充電槍連接正常，BMS會(huì)發(fā)出電子鎖上鎖指令， EVCC根據(jù)指令閉合電子鎖。充電結(jié)束后， 當(dāng)充電電流降為0， BMS會(huì)主動(dòng)發(fā)出電子鎖解鎖指令， 或者BMS接收到儀表臺(tái)電子鎖解鎖信號(hào)， 會(huì)主動(dòng)向EVCC發(fā)出開鎖指令， EVCC也會(huì)斷開電子鎖。

3.3 插槍信號(hào)(CC2/PP）檢測

CCS充電除了控制方式和充電座與國標(biāo)有較大的差異，插槍信號(hào) (CC2/PP） 檢測電路也和國標(biāo)不同， 需要重新設(shè)計(jì)。 同時(shí)， 雖然歐標(biāo)和美標(biāo)的控制方式基本一致， 但是在PP檢測方面也存在差異。 本方案基于歐標(biāo)和美標(biāo)PP硬件檢測電路通用化的理念， 設(shè)計(jì)以下方案。

國標(biāo)直流插槍檢測電路如圖7所示， 車輛端和充電接口端分別設(shè)計(jì)1kΩ電阻， 上拉電壓為12V， 充電槍插槍完成后， BMS檢測到6V的電壓信號(hào)， 表示插槍連接正常， 可進(jìn)入充電流程。 國標(biāo)交流插槍檢測電路如圖8所示， S3閉合后， 根據(jù)檢測點(diǎn)與PE之間電阻判斷插槍連接與交流充電槍的容量。

圖7 國標(biāo)直流插槍檢測電路

圖8 國標(biāo)交流插槍檢測電路

CCS充電口是交流直流一體化的， 所以交流與直流PP電路完全一樣。 其中， 歐標(biāo)與美標(biāo)供電接口的電阻及電路有較大差異， 詳見圖9與圖10。 美標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)注明了車輛端上拉電阻為330Ω， 除了車輛端檢測PP電壓， 供電端也會(huì)檢測， 故上拉電壓是特定值， 美標(biāo)定義為5V。 歐標(biāo)槍頭PP與槍尾接線端不連通， 樁端不需要檢測PP電壓.所以對(duì)于車端的檢測電壓源和上拉電阻沒有做要求， 理論上任意電壓與電阻均可， 只要車端可以判斷插槍已連接即可。

圖9 美標(biāo)插槍檢測電路

圖10 歐標(biāo)插槍檢測電路

基于國標(biāo)、 CCS歐標(biāo)與CCS美標(biāo)的差異， 車輛端參考美標(biāo)設(shè)計(jì)5V上拉電壓與330Ω上拉電阻， 以便確保車輛端硬件電路的一致性， 但由于槍端電阻不同， 需要BMS軟件對(duì)歐標(biāo)與美標(biāo)檢測電壓作區(qū)分。

3.4 充電流程

插槍之后， CP喚醒EVCC， EVCC輸出喚醒信號(hào)到VCU，進(jìn)而間接喚醒BMS與儀表等。 詳細(xì)充電流程參見圖11。

1） 直流充電模式下， EVCC自檢無故障后， 閉合電子鎖。 當(dāng)EVCC 持續(xù)監(jiān)測到一個(gè)峰值電壓為6V 的CP 信號(hào)(PWM）， 會(huì)發(fā)送CHM信號(hào)進(jìn)入GB/T 27930充電流程。 充電中， EVCC通過PWM占空比獲取充電樁的電流輸出能力，BMS的請(qǐng)求電流通過CAN通信發(fā)送給EVCC。 充電結(jié)束后，包括人為終止充電， BMS收到來自儀表臺(tái)解鎖開關(guān)的高電平信號(hào)， BMS發(fā)送BST報(bào)文， 斷開接觸器， EVCC會(huì)斷開電子鎖， BMS和EVCC分別延時(shí)2s、 5s后休眠， 如圖11、 圖12所示。

圖11 充電流程圖

圖12 直流充電報(bào)文

2） 交流模式下， BMS自檢無故障， 且插槍信號(hào) (PP）有效， 會(huì)向EVCC發(fā)送上鎖指令和S2閉合指令， EVCC執(zhí)行以上指令并將狀態(tài)反饋給BMS。 S2 閉合后， 充電樁AC 220V輸出到車載充電機(jī) （OBC）， OBC被喚醒后處于待命狀態(tài)。 BMS收到電子鎖上鎖與S2閉合狀態(tài)信號(hào)后， 且收到整車上高壓指令， 會(huì)依次閉合主負(fù)繼電器與充電接觸器 （即圖5中的K1、 K3）。 同時(shí)， BMS基于自身充電能力、 EVCC反饋的供電設(shè)備能力向OBC發(fā)送開機(jī)指令與請(qǐng)求電流電壓。OBC比較BMS請(qǐng)求電流電壓與OBC功率， 輸出合適的充電電流。 充電結(jié)束后， 包括人為終止充電， BMS收到來自儀表臺(tái)解鎖開關(guān)的高電平信號(hào)， BMS向EVCC發(fā)送斷開電子鎖、S2指令， 向OBC發(fā)出停機(jī)指令， 同時(shí)請(qǐng)求電流降為0， 斷開接觸器， 在執(zhí)行以上系列動(dòng)作后， BMS和EVCC分別延時(shí)2s、 5s后休眠， 如圖11、 圖13所示。

圖13 交流充電報(bào)文

3.5 充電故障保護(hù)機(jī)制

充電過程中， BMS發(fā)生一般故障或者其他系統(tǒng)發(fā)生故障向BMS反饋后， BMS向OBC或者EVCC發(fā)送降流請(qǐng)求， 限制充電。

若BMS或其他系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障， 例如過溫、 過壓、電子鎖故障， 未進(jìn)入充電則不進(jìn)入充電流程。 已處于充電中， 則BMS執(zhí)行故障停止充電流程， 分別向VCU發(fā)出斷開接觸器請(qǐng)求， 向OBC和EVCC發(fā)出降流為0請(qǐng)求， 電流降為0之后， 且收到VCU允許下電指令， 則斷開接觸器， EVCC斷開電子鎖， 充電結(jié)束。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)論述了海外市場主流的CCS充電與國標(biāo)充電的差異， 以及CCS下歐標(biāo)與美標(biāo)的部分差異， 主要表現(xiàn)在充電接口、 充電標(biāo)準(zhǔn)、 控制方式、 插槍檢測電路等方面。 基于以上差異， 展示了現(xiàn)有已開發(fā)某車型適配歐美市場的充電解決方案。 以上方案詳細(xì)介紹了喚醒方式、 電子鎖控制、插槍檢測電路、 充電流程、 故障保護(hù)機(jī)制等， 并附上大量圖表以便加強(qiáng)理解。 本方案已在本公司部分車型實(shí)施， 為后期其它車型開發(fā)出口車提供了可行的充電方案。