電動汽車充電系統充電模式分析

孫煥新

摘要：電動汽車是未來北京市新能源汽車的發展方向，而綠色環保的電動汽車其動力能源補給情況備受社會關注，本文針對純電動汽車的充電模式做了詳細的介紹，以北汽EV200純電動車為例，分析了慢充與快充兩種充電模式的結構與原理，結合電動汽車在交流充電過程中系統控制策略，對交流充電系統導引電路具體分析，并闡述了充電過程中的判斷連接狀態、識別承載電流、監測充電過程、安全保護等功能。

關鍵詞：電動汽車；充電模式；電路分析

電動汽車的充電系統是汽車動力的能源補給系統，保障車輛持續行駛提供動力能源，動力電池的剩余電量決定了電動車的行駛里程，而其充電時效性和便捷性則影響了使用者的行車計劃。對于純電動汽車來說，充電系統會依據動力電池的實時狀態進行控制啟動充電和停止充電，同時依據動力電池的電量、溫度控制調節充電電流及電池加熱。操作者可以根據電動汽車充電時長的需求來選擇相應的充電模式。

1.充電模式介紹

總所周知，制約純電動汽車普及發展的主要因素為續航里程短、充電時間長、購買價格昂貴。其中，與我們消費者息息相關、涉及到操作安全性的那就是電動車的充電了。依據國際標準IEC61851-1中規定的電動汽車不同的充電模式（見表1），我們可以初步了解一下這幾種常見的充電模式。

充電模式1——由于家用充電插座內不帶控制導線和接近導線，充電模式1無法與車輛建立通信，充電時無法限制和確認最大電流強度，所以大部分廠家都不采用。

充電模式2——這是一種通過控制導線將家用電源與車輛建立連接與通信的充電模式。相比充電模式l增加了充電電纜對電動汽車進行充電，車內車載充電機可以與交流電網建立連接，由于車載充電機的主要作用是將交流220V電壓轉換為高壓直流電（約440V左右）給動力電池，因此這種充電模式滿足了對車輛充電的基本要求。家用插座中可使用16A的空調插座。因此充電模式2適用非常廣泛，可設立在家里及公共充電站等。

充電模式3——這是一種主要用在公共交流充電樁的充電模式（見圖2）。與車輛通信協議跟充電模式2類似，只是兩者相比在充電模式2中，家用電源插頭連接集成式電纜箱，然后與車端充電口連接；而充電模式3中樁端充電接口直接與車端充電接口連接。在公共交流充電樁多數采用這種充電模式為電動汽車充電。

充電模式4——這種充電模式主要是應用于直流充電樁對電動汽車進行快速充電，由于是380V的DC直流供電，電壓可以直接通過車輛端的快充口進入車輛，這種充電方式與慢充最大的區別是電流電壓較高，時間較短，不通過車載充電機而直接到達高壓控制盒，在充電樁與整車控制器VCU、動力電池管理系統BMS之間通訊正常后，便可以直接為動力電池充電。但這種充電方式對電池的損害較大，對電池保護散熱方面要求更高，所以并不是每款車型都可快速充電。直流充電樁僅部分車型支持，如特斯拉、北汽新能源等車型。動力電池長期快速充電會影響電池的使用壽命。因此并不建議常使用直流充電樁進行充電。

以上是電動汽車常用的充電模式。通過對比國內外電動汽車充電接口與標準，可以總結出如圖3所示的供電設備的充電插頭與插座連接方式，以及車輛充電接口處的結構示意圖，為后續分析充電系統控制電路作參考。

電動汽車的充電模式按接口類型可以分為交流充電（俗稱慢充）及直流充電（俗稱快充）兩種方式。慢充系統使用交流220V單相民用電，通過整流變換，將交流電變換為高壓直流電給動力電池進行充電。慢充系統主要由供電設備（電纜保護盒、充電樁、充電線等）、慢充接口、車載充電機、高壓控制盒、動力電池、整車控制器、高壓線束和低壓控制線束等組成。如圖4所示。快充系統一般使用工業380V三相電，通過功率變換后，直接將高壓大電流通過母線直接給動力電池進行充電。快充系統主要由充電設備（充電樁）、快充接口、高壓控制盒、動力電池、整車控制器、高壓線束和低壓控制線束等組成。

2.充電模式結構原理分析

2.1慢充模式結構原理分析

以北汽EV200純電動車為例，當車輛處于慢充狀態時，其慢充模式結構原理如圖5所示。首先將充電槍與車輛慢充口連接，車載充電機在充電開始時與整車控制器（VCU）進行通訊，當車輛慢充口與充電線導通之后，車載充電機會對整車控制器發出信號，整車控制器再喚醒儀表顯示連接狀態，車載充電機同時喚醒整車控制器和動力電池的BMS，整車控制器喚醒儀表啟動顯示充電狀態；整車控制器發出指令給動力電池的BMS，使其控制動力電池內部的正、負主繼電器閉合，進而使動力電池充電。

2.2快充模式結構原理分析

與慢充模式相比，快充模式則不需要借助車載充電機來完成充電。因為直流快充樁可以提供的較高的電流和電壓以實現電動汽車對快充的需求。快充過程的控制流程如下：首先在整車控制器VCU初始化后，喚醒電池BMS低壓供電，低壓自檢完成后CAN發出信號，快充繼電器閉合，電池高壓負繼電器閉合，電池高壓檢測后高壓系統預充電，高壓系統檢測完畢進行動力電池高壓充電。

3.充電系統控制電路分析

動力電池的充電過程是一個先連接通信及后監控實施的過程。在這里將充電系統的控制策略做一下簡要的分析介紹。以圖3中充電模式3連接方式c為例，即通過交流充電樁內的充電插頭與車輛連接進行充電的方式，進行充電系統控制電路分析，其電路原理圖如圖7所示。該控制電路主要有以下功能判斷連接狀態、識別承載電流、監測充電過程、安全保護。

3.1判斷連接狀態

充電連接狀態可以通過對電路內檢測點的電壓變化以及兩點間的電阻來判斷。在使用交流充電樁充電時，交流充電樁的供電端需與車輛端連接，在充電槍插入車輛端之前需要先按下充電槍上面的機械鎖，電路中的s3是動作響應開關，此時檢測點3的電壓會因s3的閉合而變化，車輛控制裝置會檢測出充電槍已經連接的狀態信號。另外，車輛控制裝置也可以通過測量PE與檢測點3的電阻方法來判斷車輛插頭與車輛插座是否完全連接。未連接時PE與檢測點3之間電阻無窮大，而按下充電槍上的機械鎖之后阻值僅為充電連接裝置的內阻。

3.2識別承載電流

在標準GBT20234.2-2011的控制電路（見圖7）中，供電設備的輸出電壓為220V，但供電電流并未確定，目前有16A和32A兩種。決定供電電流的裝置就是充電連接裝置的內置電阻，其電阻值和電纜承載電流的大小相匹配。在交流充電連接裝置可分為16 A和32A的兩種功率充電環境下，通過分別對兩組充電樁充電時內置電阻與PWM信號進行測試，測得的數據就可以說明這個問題。當充電樁電流為16A時，車輛控制裝置通過測量檢測點3與PE之間的電阻約680歐，檢測點2的PWM信號占空比73.4%頻率1.0KHZ；當充電樁電流為32A時，車輛控制裝置通過測量檢測點3與PE之間的電阻約220歐，檢測點2的PWM信號占空比46.6%頻率1.0KHZ；可見充電樁設定的額定電流，與確認當前供電設備的最大供電電流成低位倍率關系，因此可以確定充電電流的上限。

3.3監測充電過程

充電過程中，檢測點可以將頻率、占空比信號及各狀態下的電壓變化反饋給供電控制裝置和車輛控制裝置。操作者啟動充電設置后，若供電設備無故障，則檢測點1處電壓應為12V；操作者取下供電設備端的充電槍并按下機械鎖時s3閉合，但車輛接口并未完全連接時，檢測點1處電壓為9V；當充電槍已經完全連接到車輛充電端口后s2閉合，此時檢測點l處電壓急速下降，供電設備通過CC連接確認信號并檢測充電線可耐受的電流，把s1開關從12V端切換到PWM端；當檢測點1電壓降到6V時，供電設備K1和K2開關閉合輸出電流，則供電回路導通，當電動汽車和供電設備建立電氣連接后，車輛控制裝置通過判斷檢測點2的PWM信號占空比確認供電設備的最大可供電能力，如充電樁16A則以占空比為73.4%，因此CP端電壓在6V至.12V之間波動，而CC端電壓從4.9V（連接狀態）下降至1.4V（充電狀態）。當車輛控制裝置判斷充電連接裝置已完全連接（即s3、s2閉合），并完成車載充電機最大允許輸入電流設置（s1切換到PWM端、K1和K2閉合）后，車載充電機開始對電動汽車進行充電。

3.4安全保護

在充電過程中，由于誤操作或意外，都會導致觸電及人身傷亡等事故發生。為了降低或避免危害產生，會在非正常條件下進行充電結束或停止的安全保護。例如在交流充電過程中，機械鎖開關s3斷開并持續了一段時間，那么在檢測點3處或CC端電壓就會出現明顯的變化，車輛控制裝置則判斷出充電系統處于未連接狀態，從而控制車載充電機停止充電，同時斷開s2，提前降低或切斷電流輸出，避免在此過程中由于誤拔充電槍而產生的拉弧及其他危害。