基于電動汽車充電系統(tǒng)的幾點分析

劉忠明

摘 要：隨著《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》等相關(guān)文件的出臺，進(jìn)一步表明國家對加速發(fā)展電動汽車這一行業(yè)的決心，充電系統(tǒng)是電動汽車核心技術(shù)之一，它能夠把外部的電能通過化學(xué)反應(yīng)的方式儲存在電池內(nèi)部，以備車輛使用，而往往充電時間主要取決于充電機功率的大小，功率越大充電時間越短反之俞長。本文主要以比亞迪E5車型為對象，分別從充電系統(tǒng)的構(gòu)成、充電槍電子鎖、慢充控制策略、充電失效幾個方面進(jìn)行簡要闡述分析，以供學(xué)習(xí)參考使用。

關(guān)鍵詞：電動汽車 充電系統(tǒng) 比亞迪E5

1 充電系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

純電動汽車的充電系統(tǒng)主要由車外的充電設(shè)施及車上的車載充電兩大部分組成，車外部分主要包含直、交流充電樁，充電線束，充電槍以及隨車充電寶組成，而車載充電裝置主要由直、交流充電口、車載充電機OBC、高壓分線盒、高壓線束、動力電池、電池管理系統(tǒng)BMS以及接觸器等組成。

1.2 充電流程

電動汽車充電方式可分成直流充電和交流充電兩種，常用的交流充電樁功率為3.5KW、7KW，而直流充電樁功率為高達(dá)30KW-120KW，兩者的充電流程也各有所異。如圖1圖中主正、主負(fù)繼電器位于動力電池包內(nèi)。預(yù)充接觸器，直、交流充電接觸器，主接觸器位于高壓電控總成箱內(nèi)，它們均由BMS控制，當(dāng)車輛進(jìn)行快速充電時，充電電流流徑：充電樁→快充口→直流充電接觸器+→正極繼電器→動力電池→負(fù)極接觸器→直流充電接觸器-→充電口→充電樁。慢充充電電流流徑：充電樁→慢充口→車載充電機OBC→熔斷器→正極接觸器→動力電池→負(fù)極接觸器→OBC→慢充口→充電樁。

2 充電槍電子鎖

2.1 電子鎖機械原理

充電電子鎖是為防止充電過程中充電槍意外松動、脫落造成觸電、車輛財產(chǎn)安全隱患，而在充電前必須鎖止的一道堡壘。圖2為慢充系統(tǒng)電子鎖的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，電子鎖主要由鎖舌、鎖槽、鎖銷幾個部分構(gòu)成，當(dāng)進(jìn)行交流充電時，工作人員需要按下充電槍上的按鈕，按鈕與鎖舌采用的是機械聯(lián)動方式，當(dāng)充電按鈕被按壓時鎖舌將向上偏移打開，此時可以輕松將充電槍插入慢充口中，當(dāng)松開手后鎖舌正好落入鎖槽內(nèi)，同時檢測到充電槍時鎖止電機運轉(zhuǎn)，鎖銷伸出壓住鎖舌，此時充電槍處于鎖止?fàn)顟B(tài)，只有按下鑰匙解鎖鍵或拉動機械解鎖開關(guān)時，促使鎖銷復(fù)位方能按壓按鈕取出充電槍。

2.2 電氣原理

如圖3所示，比亞迪e5的的充電槍電子鎖由BCM模塊管控，當(dāng)電控總成通過到CC、CP信號確認(rèn)充電槍已經(jīng)連接后，通過硬線B28（A）-12∽G2R-17將充電連接信號傳遞給BCM模塊，接收到充電信號后，BCM將供給電子鎖B53（B）-3→B53（B）-4的短暫鎖止電流，同理如果是車輛完成充電或接收到遙控解鎖信號時，BCM則提供B53（B）-4→B53（B）-3的解鎖電流，電子鎖上還設(shè)有B53（B）-5的檢測端子通過閉、開鎖兩種狀態(tài)分別向BMS反饋高、低電平信號。

3 慢充控制策略

交流充電的時間長達(dá)8-10h之久，但是這種充電方式對電池的容量損耗、性能、壽命等影響均小，小電流還有利于電池充電均衡的進(jìn)行，鋰離子電池的充電可分成涓流、恒流、恒壓、終止四個階段，由于電池需要適宜的工作環(huán)境溫度，所以在充電過程中可能會啟動相關(guān)的熱管理管控，交流充電主要經(jīng)歷以下幾個環(huán)節(jié)（圖4）：

（1）CC充電連接確認(rèn)。cc主要通過檢測點3的電壓變化來判別充電槍的連接狀態(tài)， 車輛控制裝置、RC、R4、S3、PE構(gòu)成了cc回路，通過cc能識別充電槍三種連接狀態(tài)方式，當(dāng)處于未連接時檢測點3采集的是電路的開路電壓，當(dāng)處于半連接狀態(tài)時，采集的是R3+R4兩端電壓，當(dāng)處于全連接時，s3閉合，R4短接，采集的是Rc端的電壓信號。此外通過cc回路中的R4阻值大小還能識別充電槍的閾值電流，根據(jù)GB/T 18487.1-2015《電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 一般要求》可查得1.5KΩ對應(yīng)10A，680Ω對應(yīng)15A，220Ω對應(yīng)32A，100Ω對應(yīng)63A。

（2）CP充電控制確認(rèn)。供電控制裝置、R1、D1、R3、R2、S2、PE構(gòu)成了CP回路，其中R1標(biāo)稱值為1000Ω，R2標(biāo)稱值為1300Ω，R3標(biāo)稱值為2740Ω，D1二極管的管壓降為0.7V，CP同樣兼具雙重功能，一是確定充電槍的連接狀態(tài)，當(dāng)檢測點1檢測到的電壓從開路的12V變成9V時，代表充電槍已經(jīng)連接，接下來開關(guān)S1切換到幅值為12V的PWM信號源，檢測點2檢測到幅值為9v的PWM信號后對車載充電系統(tǒng)進(jìn)行自檢，滿足充電要求時驅(qū)動S2閉合，監(jiān)測點1檢測到回路信號拉低成6v時且自檢正常后接通K1、K2向車載充電機供電，二是根據(jù)PWM信號10%≤D≤85% IMAX=D*100*0.6可以獲取充電樁的最大供電電流，并與充電槍閾值電流、車載充電機極限輸出電流比較，取最小值儲存在OBC內(nèi)作為本次最大允許充電電流。

（3）充電過程管控。充電過程是車載充電機、VTOG、BMS、VCU等多模塊相互協(xié)同工作的結(jié)果，BMS會實時發(fā)送電池電壓、電量、溫度信息，OBC會發(fā)送當(dāng)前的充電電壓電流信息，同時檢測點2不間斷采集PWM信號，當(dāng)占空比發(fā)生變化時，OBC調(diào)整實時輸出功率，充電設(shè)備又可以將監(jiān)測的下游電流反應(yīng)在PWM信號上，形成一個閉環(huán)反饋回路。

（4）充電停止。當(dāng)OBC通過CAN總線獲悉電池充滿電時，切斷S2，CP回路信號上拉至9V，S1切回12V處于待機狀態(tài)，超過3s若s2無動作則斷開K1、K2結(jié)束充電。

4 充電失效

導(dǎo)致車輛無法正常充電的因素是錯綜復(fù)雜的，在對充電系統(tǒng)進(jìn)行故障排查時，為了便于檢修，應(yīng)先保證車輛能夠正常上電運行的基礎(chǔ)上結(jié)合儀表現(xiàn)象與檢測工具進(jìn)行分析，以下為車輛能Ready的情況下分幾點進(jìn)行探討。

（1）插槍儀表無反應(yīng)。車輛能ready代表車輛高壓系統(tǒng)、儀表等低壓供電及CAN網(wǎng)絡(luò)正常，且相關(guān)雙路電繼電器正常，造成車輛儀表無法喚醒的因素最有可能是CC、CP回路信號失真，此時需要驗證回路的電壓、電阻是否異常，同時需要檢查充電口、VTOG等插接件處的針腳是否出現(xiàn)退針、松動造成接觸不良的現(xiàn)象。

（2）儀表能點亮但不能充電。可以通過借助解碼儀讀到充電口溫度傳感器、車載充電機相關(guān)故障代碼，但如果是VTOG到OBC、BMS之間的的硬線喚醒線路故障、車載充電機熔斷器被熔斷等是讀不到故障代碼的，此時需要結(jié)合數(shù)據(jù)流作進(jìn)一步分析，同時還可以采用啟動車輛下充電的方式對BMS無喚醒懷疑對象進(jìn)行排查。

（3）充電過程中跳槍。出現(xiàn)此種問題往往是動力電池不均衡所致，可以通過解碼儀讀取單體壓差信息、系統(tǒng)電池電壓，比對是否存在儀表電量虛標(biāo)需重新標(biāo)定以及車載充電機程序亂碼均可導(dǎo)致跳槍現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

隨著電池技術(shù)不斷改善提升，將來有望采用功率更大，效率更高的充電設(shè)備進(jìn)行充電，特別是如果電動車融入超級電容、飛輪電池等技術(shù)后，將大大縮短充電時間，實現(xiàn)高效能的無線充電將是未來充電技術(shù)的主流方向，鑒于筆者經(jīng)驗有限，以上分析難免有謬誤請多多指教。

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[4]比亞迪5AEV-18款-電器原理圖冊.