新能源汽車(chē)數(shù)字化充電座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張艷　徐文強(qiáng)　孫志軍

摘 要：隨著新能源汽車(chē)的推廣和使用，市場(chǎng)上使用的新能源充電座仍然存在過(guò)熱壽命短等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了充電安全。本文設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字化充電座系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)具備溫度檢測(cè)、溫度升高主動(dòng)保護(hù)、插入力檢測(cè)和拔插壽命檢測(cè)等功能，旨在保障充電安全及提高充電座的使用壽命。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē);充電安全;V2X;數(shù)字化充電座

隨著內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，汽車(chē)成為了居家生活的主要交通工具。然而汽車(chē)的發(fā)展過(guò)大地消耗了地球資源，同時(shí)也引起了環(huán)境污染。新能源汽車(chē)作為發(fā)展可替代能源，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展低碳社會(huì)的重要一部分，越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)家的高度重視[1]。

新能源汽車(chē)若要跟上發(fā)展的腳步，其關(guān)鍵技術(shù)在于充電接口，而充電接口由插頭和插座組成。現(xiàn)有的新能源汽車(chē)充電座在充電過(guò)程中還存在過(guò)熱、密封性不好等缺陷，作者走訪(fǎng)調(diào)查幾家新能源汽車(chē)4S店，發(fā)現(xiàn)新能源汽車(chē)維修更換充電座或者更換插座內(nèi)的冠簧端子的案例很多，媒體也報(bào)道了多起新能源汽車(chē)在充電時(shí)發(fā)生自燃或爆炸事故，嚴(yán)重威脅新能源汽車(chē)充電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，也嚴(yán)重威脅了社會(huì)和個(gè)人生命財(cái)產(chǎn)安全，不利于新能源汽車(chē)在市場(chǎng)上的推行和使用。本文對(duì)新能源汽車(chē)的充電座存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，提出一種新型的新能源汽車(chē)數(shù)字化充電座，旨在有效提升新能源汽車(chē)充電座的安全性和使用壽命。

1 新能源汽車(chē)充電座存在問(wèn)題及原因分析[2]

目前市場(chǎng)上的新能源汽車(chē)充電座主要存在的問(wèn)題是過(guò)溫以及拔插壽命短，其主要有原因如下：

一是使用環(huán)境惡劣或插拔不當(dāng)。4S店內(nèi)新能源汽車(chē)維修更換充電座的以網(wǎng)約車(chē)居多，這類(lèi)車(chē)通常在公共充電站進(jìn)行充電，這類(lèi)場(chǎng)所一般灰塵、雜物較多;充電站也沒(méi)有規(guī)范的充電操作管理，使用者充電結(jié)束后隨地放置充電槍?zhuān)瑢?duì)車(chē)輛充電座也缺乏規(guī)范的維護(hù)保養(yǎng)，使充電槍和充電座中都存在雜質(zhì)，導(dǎo)致充電槍無(wú)法正常插入充電座中。如用力過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致端子產(chǎn)生形變，從而使端子與充電槍接觸面變小，引起高壓充電座溫度過(guò)高，直接會(huì)導(dǎo)致充電座的損壞及燒蝕。

二是充電座的溫度檢測(cè)不到位。國(guó)標(biāo)中已要求充電座必須有溫度檢測(cè)的功能[3-4]，但僅靠充電座的溫度檢測(cè)功能并不能準(zhǔn)確地檢測(cè)到充電的實(shí)際最高溫度點(diǎn)，并且市場(chǎng)上部分溫感布置于充電座殼體內(nèi)部（并未與端子直接接觸），其檢測(cè)的溫度與實(shí)際最高溫度最大相差可達(dá)60℃以上。因?yàn)闇囟葯z測(cè)的偏差，直接導(dǎo)致車(chē)輛的保護(hù)程序無(wú)法準(zhǔn)確保護(hù)車(chē)充電座，有可能導(dǎo)致充電座被擊穿或其他充電安全問(wèn)題等。

三是端子氧化的惡性循環(huán)。由于使用環(huán)境以及產(chǎn)品本身的原因和溫度保護(hù)的缺失，導(dǎo)致充電座的端子溫度不斷升高產(chǎn)生氧化物，隨著這些氧化物的持續(xù)堆積，端子表面有效接觸面積也越來(lái)越小，接觸電阻不斷增加，而在下次充電時(shí)溫度又會(huì)上升，形成惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致充電座氧化嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)使用。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠更加準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)充電座充電時(shí)的溫度和充電時(shí)的插拔力的裝置，能夠及時(shí)提醒駕駛員充電狀態(tài)和充電座的使用壽命，避免充電安全故障。

2 新能源汽車(chē)數(shù)字化充電座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

新能源汽車(chē)充電過(guò)程中，必須有一些保護(hù)和檢測(cè)措施來(lái)保障充電安全，防止發(fā)生故障時(shí)對(duì)車(chē)輛或設(shè)備甚至對(duì)人體造成傷害。作者設(shè)計(jì)的新能源汽車(chē)數(shù)字化充電座系統(tǒng)，架構(gòu)如圖1所示，主要包括帶有MCU（微控制單元）充電座、各種智能傳感器（溫度傳感器、壓力傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、電子鎖、GPS等）、車(chē)聯(lián)網(wǎng)V2X（Vehicle to Everything）、手機(jī)APP等。其功能是在充電時(shí)如果出現(xiàn)充電座溫度升高時(shí)進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)，并且對(duì)充電座插入力和插拔壽命進(jìn)行檢測(cè)，從而保障充電安全，提高充電座的機(jī)械壽命。

2.1 面向5G-V2X車(chē)聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)

車(chē)聯(lián)網(wǎng)（Vehicle to Everything，簡(jiǎn)稱(chēng) V2X）是未來(lái)智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。它是搭載先進(jìn)的車(chē)載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)與X（人、車(chē)、路、后臺(tái)等）智能信息的交換共享，具備復(fù)雜的環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制和執(zhí)行等功能，可實(shí)現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能、高效行駛，并最終可替代人來(lái)操作新一代汽車(chē)[5]。

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，面向5G-V2X車(chē)聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，當(dāng)前汽車(chē)普遍搭載微控制單元（MCU）用于車(chē)身電子、底盤(pán)電子以及智能座艙的子系統(tǒng)運(yùn)算控制，汽車(chē)行駛中的安全控制等[6]。本設(shè)計(jì)是新能源汽車(chē)使用裝有智能傳感器的數(shù)字化充電座向動(dòng)力電池充電時(shí)，依靠5G-V2X車(chē)聯(lián)網(wǎng)芯片技術(shù)集合車(chē)載充電機(jī)、充電座狀態(tài)、車(chē)輛狀態(tài)、充電樁充電槍狀態(tài)等信息傳遞給微控制單元（MCU），MCU經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算分析，調(diào)節(jié)車(chē)輛充電狀態(tài)，保障充電安全。通過(guò)手機(jī)App與新能源汽車(chē)的互聯(lián)，幫助車(chē)主掌握愛(ài)車(chē)的充電狀態(tài)，也可以隨時(shí)聯(lián)系客戶(hù)中心。如圖2所示。目前中移智行OSCAR平臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一些具體功能，包括查看新能源汽車(chē)電池的充電狀態(tài);使用充電預(yù)測(cè)器預(yù)測(cè)電池充滿(mǎn)電的時(shí)間和進(jìn)度;通過(guò)點(diǎn)擊手機(jī)屏幕，訪(fǎng)問(wèn)客戶(hù)中心等等。

2.2 數(shù)字化充電座

這是一種新型的數(shù)字化充電座，在滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)的要求下，充電座上安裝有溫度傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)（計(jì)數(shù)）、壓力傳感器、電子鎖等，同時(shí)在充電座內(nèi)設(shè)有一個(gè)微控制單元MCU，當(dāng)各傳感器檢測(cè)到端子溫度、插入力和拔插次數(shù)等信息后傳給MCU，MCU通過(guò)計(jì)算比較以后一方面通過(guò)儀表顯示屏給駕駛員提供警示信息，另一方面反饋到電池管理系統(tǒng)BMS、整車(chē)控制器VCU、網(wǎng)關(guān)Gateway、遠(yuǎn)程車(chē)載處理器T-Box等系統(tǒng)作出及時(shí)反饋，確保充電時(shí)的安全。如圖3所示。

（1）充電座溫度升高主動(dòng)保護(hù)檢測(cè)。在新型的充電座中安裝溫度升高主動(dòng)保護(hù)檢測(cè)裝置，在高壓充電座連接器正負(fù)極端子之間安裝PT1000溫度傳感器，溫度傳感器通過(guò)低壓線(xiàn)纜連接低壓繼電器的控制端，低壓繼電器的開(kāi)關(guān)端串聯(lián)到整車(chē)的高壓環(huán)路互鎖回路，繼電器的另一端接整車(chē)的低壓12V電源。繼電器的開(kāi)關(guān)端串接在整車(chē)的充電HVIL中，通過(guò)控制端的溫度傳感器阻值的變化（阻值隨溫度的變化而變化），實(shí)現(xiàn)繼電器開(kāi)關(guān)端的閉合和斷開(kāi)。電池管理系統(tǒng)（BMS）有一個(gè)溫度設(shè)定值T和電流設(shè)定值A(chǔ)。當(dāng)插入充電槍?zhuān)l(fā)出充電請(qǐng)求時(shí)，當(dāng)充電端子的溫度小于T時(shí)，繼電器控制端的電流最小為A，繼電器開(kāi)關(guān)端閉合即VHIL回路閉合，BMS實(shí)現(xiàn)充電功能。當(dāng)充電端子溫度升高大于T時(shí)，則溫度傳感器阻值也升高，這樣繼電器控制端的電流低于A， 那么繼電器的開(kāi)關(guān)端斷開(kāi)和HVIL回路斷開(kāi)，BMS同時(shí)斷開(kāi)高壓回路的充電繼電器，整車(chē)即停止充電，同時(shí)BMS通過(guò)CAN總線(xiàn)輸送信號(hào)到儀表盤(pán)上以提示駕駛員車(chē)輛充電系統(tǒng)有故障信號(hào)。