低溫下充電槍充電中斷故障分析與改進(jìn)

朱燕燕

（上海元城汽車技術(shù)有限公司，上海200000）

1 充電系統(tǒng)概述

動(dòng)力電池為當(dāng)前電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ矗渥钪饕囊粋€(gè)特征為可進(jìn)行反復(fù)充電。交流慢充和直流快充為當(dāng)前動(dòng)力電池進(jìn)行外接電源充電的主要方式。

交流慢充充電：通過車載充電機(jī)將單相交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電后再輸送給動(dòng)力電池，充電功率取決于充電機(jī)的功率。交流慢充可采用家用單相交流充電和充電樁單相交流充電，主要由整車控制器、車載充電機(jī)、交流充電插座、動(dòng)力電池及組合儀表指示燈等組成，車輛單獨(dú)配備充電槍。

直流快充充電：通過非車載充電機(jī)采用大電流給動(dòng)力電池直接充電，使動(dòng)力電池在短時(shí)間內(nèi)（目前上市的車輛多宣稱半個(gè)小時(shí)）可充至80% 左右的電量，主要包括整車控制器（VCU）、充電樁( 含充電槍)、直流充電插座、動(dòng)力電池、組合儀表等。

電池管理系統(tǒng)(BMS)：通過對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)與充電樁或車載充電機(jī)進(jìn)行通信，從而共同對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)智能化控制。

車載充電機(jī)：車載充電機(jī)具有為動(dòng)力電池提供自動(dòng)、安全充電能力，通過恒壓、恒流控制，同時(shí)對(duì)充電功率根據(jù)充電狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，將220V 交流電轉(zhuǎn)換為直流電進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電的智能化控制。

2 交流慢充充電原理

（1）當(dāng)充電槍連接交流電源與車載充電機(jī)（OBC），OBC 通過檢測(cè)CC 點(diǎn)電阻判定充電槍是否連好；（2）OBC 自檢完成無故障，向整車控制器(VCU)發(fā)出喚醒信號(hào)及充電連接信號(hào)（CC 信號(hào)），VCU收到信號(hào)后，喚醒電池管理系統(tǒng)（BMS）并發(fā)送慢充指令；（3）BMS收到慢充指令后，閉合高壓繼電器，同時(shí)向OBC 發(fā)送電池充電請(qǐng)求；（4）OBC閉合S2 開關(guān)，根據(jù)BMS 充電需求來調(diào)整充電電壓和充電電流以保證充電過程正常，在充電過程中，OBC和BMS 實(shí)時(shí)發(fā)送各自的充電狀態(tài)。

3 交流充電系統(tǒng)工作過程

3.1 交流充電啟動(dòng)時(shí)。車輛插頭與車輛插座連接后，OBC 檢測(cè)CC、CP 信號(hào)正常，電子鎖閉合且自身無故障時(shí)，OBC發(fā)送充電允許命令給VCU，VCU控制BMS進(jìn)入慢充狀態(tài)，當(dāng)完成預(yù)充且繼電器閉合后，VCU判斷整車放電回路閉合認(rèn)為車輛可以充電，則VCU發(fā)送充電使能給OBC 和DC/DC，即VCU 和OBC 握手成功。VCU需等待所有高壓互鎖信號(hào)為閉合狀態(tài)，并檢測(cè)到各高壓用電器為關(guān)閉狀態(tài)，檢測(cè)到BMS 狀態(tài)為待機(jī)狀態(tài)，才能控制BMS 上高壓進(jìn)行充電。

3.2 交流充電中。充電連接正常并完成充電喚醒后，充電機(jī)依據(jù)電池管理系統(tǒng)（BMS）提供的需求電壓、電流，能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充電電流或電壓參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，BMS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池包內(nèi)單體電池電壓、電流、溫度，防止電池過充、溫度過高，否則限制供電功率，甚至停止充電。

充電機(jī)會(huì)將單相220V交流電轉(zhuǎn)化成直流電，通過VCU控制，并按照BMS請(qǐng)求的電流和電壓輸出給電池。

充電狀態(tài)在充電過程中通過充電口指示燈顯示，同時(shí)儀表顯示充電電流、電壓、故障燈信息、充電連接狀態(tài)及SOC值等。

3.3 交流充電結(jié)束時(shí)。BMS發(fā)送交流充電狀態(tài)給VCU，當(dāng)VCU通過SOC值檢測(cè)到BMS交流充電狀態(tài)為完成時(shí)，由VCU發(fā)起下電，結(jié)束交流充電。

如果VCU需求結(jié)束充電，則發(fā)送VCU停止充電信號(hào)，OBC檢測(cè)到VCU脫手，則結(jié)束充電，脫手成功。

如果通過拔掉車輛插頭、或者供電插頭來停止充電，由OBC發(fā)起下電，OBC需求結(jié)束充電，并先結(jié)束充電，VCU檢測(cè)到OBC脫手，VCU響應(yīng)脫手并發(fā)送脫手成功信號(hào)，結(jié)束交流充電，VCU控制整車下電。

4 電池?zé)峁芾?/h2>

為避免工作、安全性能由于動(dòng)力電池內(nèi)部溫度過低、過高產(chǎn)生影響，要求保障動(dòng)力電池能夠在預(yù)期的溫度區(qū)間正常進(jìn)行工作。BMS 檢測(cè)并發(fā)送電芯極值（最高、最低）溫度、進(jìn)水口溫度、出水口溫度、熱管理請(qǐng)求給VCU，VCU 通過控制水泵、WPTC、空調(diào)壓縮機(jī)的工作狀態(tài)來調(diào)整電池包冷卻液的溫度、循環(huán)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的調(diào)節(jié)。

熱管理回路：?jiǎn)为?dú)的加熱回路：由水泵、WPTC、水管組成；冷卻回路與駕駛艙共用，通過熱交換器間接聯(lián)通兩個(gè)回路。

充電加熱策略：當(dāng)VCU 檢測(cè)到電芯溫度低于閾值時(shí)，開啟水泵、WPTC，通過電池包內(nèi)的冷卻液加熱電芯。慢充加熱控制策略：電芯最低溫度T<-30℃，無法充電；-30℃≤T<-10℃，充電電流只用來給水泵、WPTC供電；-10℃≤T<8℃，充電電流給水泵、WPTC供電的同時(shí)，也給電池充電；T≥8℃，水泵、WTPC停止工作。

5 故障分析與解決

5.1 故障情況。由于此前天津的客戶反饋在交流慢充電過程中頻繁跳槍，交流充電中斷。本文基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行分析：電芯溫度-4℃，交流充電起始BMS 請(qǐng)求電流為4.9A；進(jìn)入充電過程約30s 后，WPTC 請(qǐng)求功率3KW 即需求電流8.62A,BMS 請(qǐng)求電流提高到11.1A；請(qǐng)求電流達(dá)到11.1A 后，OBC 輸入電流很快增大到18A；OBC輸入電流達(dá)到18A后約8s,因隨車使用的是16A 交流充電槍，需求電流大于充電槍的輸出能力，導(dǎo)致充電中斷。

5.2 故障分析及解決。當(dāng)電芯溫度低于0℃時(shí)，為了防止放電電流大于電池請(qǐng)求的電流，導(dǎo)致電池包過放。BMS會(huì)請(qǐng)求整車熱管理進(jìn)入恒功率模式；恒功率模式加熱模式下，BMS會(huì)在請(qǐng)求電流中加入外部負(fù)載的電流；同時(shí)BMS需要考慮CC/CP/OBC發(fā)送的電流限制，最終輸出一個(gè)滿足所有需求的請(qǐng)求電流。

I1：電池電流（DC）

I2：充電機(jī)電流=P/U（DC）

I3：WPTC電流U/Rptc（DC）

I4：充電樁電流（AC）

Ibms：電池BMS 的請(qǐng)求電流（統(tǒng)一換算為DC或AC來比較）

WPTC未開啟時(shí)：IbmsRq=min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）

WPTC開啟初期：IbmsRq=min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）

WPTC開啟穩(wěn)定后：

IbmsRq1=min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）+I3

即交流慢充時(shí)充電外部負(fù)載加熱WPTC 未開啟時(shí)，BMS 的請(qǐng)求電流為電池電流I1，充電機(jī)電流I2和充電樁電流I4的極限值取最小；交流慢充時(shí)充電加熱WPTC開啟時(shí)，BMS的請(qǐng)求電流為電池電流I1，充電機(jī)電流I2和充電樁電流I4的極限值的最小值加上WPTC的需求電流；

結(jié)合故障案例中的數(shù)據(jù)，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，恒功率加熱模式下，BMS只增加了負(fù)載電流，未考慮CC，CP 和OBC 功率對(duì)請(qǐng)求電流的限制，導(dǎo)致交流側(cè)電流過大，充電盒保護(hù)，中斷充電。用算式表示故障現(xiàn)象即IbmsRq1=min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）+I3＞I4

對(duì)BMS修改如下：

Ibms2Rq=min（min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）+I3），I2lmt，I4lmt）

BMS增加了負(fù)載電流后，充分考慮CC，CP 和OBC 功率對(duì)請(qǐng)求電流的限制，取最小值。

5.3 故障總結(jié)。本次故障的原因?yàn)樵谲浖a實(shí)現(xiàn)中，恒功率加熱模式發(fā)送的請(qǐng)求電流，未考慮CC，CP 和OBC功率對(duì)請(qǐng)求電流的限制，導(dǎo)致請(qǐng)求電流大于實(shí)際充電槍的能力，充電盒保護(hù)引起的充電中斷。查閱之前環(huán)境倉(cāng)測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)使用的槍線為32A，并不是客戶端使用的16A配置，導(dǎo)致早期實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)該問題；在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中要增加單元測(cè)試/HIL測(cè)試/實(shí)車測(cè)試案例，確保后續(xù)開發(fā)過程中不再發(fā)生類似問題。

6 總結(jié)和展望

本文著重對(duì)低溫環(huán)境下交流充電失敗的案例進(jìn)行分析、研究并提出改善對(duì)策，通過具體案例的分析、解決和反思。對(duì)今后在開發(fā)這種系統(tǒng)性軟件邏輯問題上要從客戶的使用場(chǎng)景出發(fā)，對(duì)每一個(gè)模塊做好細(xì)致的理論分析與計(jì)算，保證每個(gè)場(chǎng)景的邏輯的正確性和完整性，實(shí)驗(yàn)的時(shí)候要從單元測(cè)試軟件、閉環(huán)測(cè)試和實(shí)車測(cè)試進(jìn)行，確保實(shí)驗(yàn)的充分有效性，整車實(shí)驗(yàn)中要結(jié)合實(shí)車的軟硬件狀態(tài)和實(shí)車的場(chǎng)景盡可能全面的模擬到，這樣才能使我們的開發(fā)水平和設(shè)計(jì)能力得到不斷的升華與提高。