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

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

隨著電動汽車推廣及規模化發展，充電問題日益受到研究者及消費者的廣泛關注。交流充電被認為是電動汽車電能補充的重要方式之一。本文介紹電動汽車交流充電典型系統構成，分析研究整個充電過程，為進一步研究交流充電的適應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，其電能補充的方式有交流充電（俗稱“慢充”）、直流充電（俗稱“快充”）以及機械換電等方式，在面向個人用戶的私家車中，交流充電的方式尤為普遍。據不完全統計，截止目前，中國電動汽車的存量已超過100萬輛，而根據國務院《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》的規劃，到2020年，中國電動汽車的累計產銷量將超過500萬輛；充電設施方面，中國目前在運營的充電設施數量已超過15萬個，而根據《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020年）》，到2020年，中國僅分散式充電樁數量將超過480萬個。由此可見，電動汽車的規模化發展趨勢已然顯現。然而，近年來屢屢發生電動汽車和充電設施無法充電，甚至出現充電過程中起火等安全事故，頻頻引發社會關注，造成消費者的“充電焦慮”，極大地影響了用戶體驗以及產業的發展，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構成進行分析說明，并對整個充電過程進行詳細解析，為后續對交流充電的適應性兼容性等問題的進一步研究提供參考。

1 電動汽車交流充電系統

電動汽車交流充電是指通過傳導的方式，按照一定的充電模式，將交流電源調整為校準的電壓或電流，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典型結構，系統構成主要包括了交流充電設施、充電連接裝置以及車載充電機3部分。

交流充電設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、控制導引電路、漏電保護電路、過流過壓保護電路、計量模塊、防雷模塊、通信模塊、人機交互界面等組成，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充電設施及充電連接裝置傳輸至車載充電機，經車載充電機整流、濾波等處理后轉換為直流電，為車載儲能裝置充電。充電設施通過PWM告知電動汽車允許最大可用電流，該電流不應超過其額定電流、連接點額定電流、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、機械結構、電氣特性等應符合GB/T 20234.1—2015 《電動汽車傳導充電用連接裝置 第1部分：通用要求》、GB/T 201234.2—2015 《電動汽車傳導充電用連接裝置 第2部分：交流充電接口》的相關要求，以保證充電連接物理適應性。連接裝置的連接方式有A、B、C3種。按照目前最新實施的標準GB/T 18487.1—2015 《電動汽車傳導充電系統 第1部分：通用要求》規定，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致電動汽車無法充電，嚴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，接口保護地端子（PE）最先接通，控制導引端子（CP）與充電連接確認端子（CC）最后接通；與之對應，在充電結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應具有控制導引電路，以實現以下功能：對保護地導體連續性的持續監測、電動汽車與充電設施正確連接的確認、供電控制功能、斷電控制功能以及充電電流的持續監測等。圖2所示為充電模式2、3與不同連接方式的充電系統控制導引原理圖。

圖3為電動汽車交流充電整體流程。當充電物理接口連接后，車輛控制裝置將通過測量檢測點3與PE之間的電阻值來判斷車輛接口是否完全連接，確認完全連接后，車輛接口內的電子鎖將在主供電開關K1、K2閉合前將車輛接口鎖定。充電設施內的供電控制裝置將測量檢測點1或4的電壓值來判斷供電接口是否完全連接，確認完全連接后，供電接口內的電子鎖亦將在主供電開關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，車載充電機啟動自檢，確認系統無故障且儲能裝置處于可充電狀態時，車輛控制裝置閉合開關S2，車輛充電準備就緒。充電設施通過判斷檢測點1的峰值電壓為6 V時，充電設施準備就緒，供電控制裝置閉合主供電開關K1、K2，交流供電回路導通。至此，電動汽車與充電設施間電氣連接已經建立。

圖2 充電模式2、3與不同連接方式的充電系統控制導引原理圖

圖3 電動汽車交流充電流程圖

為了使電動汽車與充電設施間在確保安全的前提下能以最佳充電能力進行充電，需要使二者進行能力匹配。匹配時電動汽車控制裝置基于圖2中檢測點2的PWM信號占空比D來判斷當前充電設施可提供的最大充電電流IEVSE，同時基于檢測點3與保護地端子之間的電阻值（僅適用于連接方式B、C）來判斷當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（車載充電機自身額定輸入電流）進行比較，并選取三者中最小值設置為車載充電機當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，匹配失敗應提示操作人員結束充電或檢查后重新進行充電流程。充電過程中如車輛或充電設施監測到有異常發生，比如車輛接口或供電接口連接斷開、PWM信號中斷、檢測點1電壓出現非6 V狀態、剩余電流保護器動作等，即結束充電。同時，充電過程中，電動汽車周期性地對充電設施的供電能力進行監測，當供電能力變化時，電動汽車應監測到檢測點2的PWM信號占空比發生變化，車輛控制裝置即根據PWM信號占空比動態調整電動汽車的實際充電電流。如出現能力無法匹配，亦應停止充電。

在充電過程中，當到達預定的充電終止條件（如達到設定充電時間或到達設定SOC值等）或者操作人員主動對電動汽車發出了停止充電操作時，車輛控制裝置斷開內部開關S2，使車載充電機充電電流降為0停止充電；充電設施停止充電時，供電控制裝置將控制開關S1切換至12 V連接狀態，開關K1、K2斷開切斷主供電回路，車輛及充電設施接口鎖定解鎖，拔出充電接口后充電過程結束。

3 結束語

本文闡述了電動汽車交流充電系統典型構成，并基于此詳細梳理和解析了整個充電過程。不難發現，電動汽車交流充電是一個復雜的協同過程，車輛、連接裝置以及充電設施間任何時序錯誤或將導致無法充電甚至引發安全事故。

［1］ GB/T 20234.1—2015，電動汽車傳導充電用連接裝置第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，電動汽車傳導充電系統 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引系統設計［J］.電測與儀表，2014，51（5）：78-82.

［5］ 孫煥新. 電動汽車充電系統充電模式分析［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，研究方向為新能源汽車及其測試技術；蔡志濤（1985-），男，天津人，助理工程師，研究方向為新能源汽車及其測試技術；李文帥（1992-），男，河北保定人，助理工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術；石昊天（1989-），男，內蒙古人，助理工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術；王伏雨（1988-），男，天津人，助理工程師，研究方向為新能源汽車及其測試技術；薛剛（1988-），男，天津人，助理工程師，碩士，研究方向為新能源汽車及其測試技術。