純電動汽車交流無法充電故障診斷分析

陳元浪 駱海燕

摘要：隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車使用量越來越大，但全球的石油能源面臨著開采嚴(yán)重并供不應(yīng)求的危機(jī)，而且汽車尾氣產(chǎn)生的二氧化碳是造成全球變暖的主要原因。而純電動的出現(xiàn)節(jié)約石油能源同時保護(hù)了環(huán)境，所以純電動汽車是未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢。但是電動汽車從充電開始到充電結(jié)束整個過程相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，結(jié)合了許多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了無數(shù)次的實驗才得以完成電動車的充電系統(tǒng)。目前使用最廣泛的充電系統(tǒng)就是交流充電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;交流;充電

引言：純電動汽車相較于內(nèi)燃機(jī)汽車有許多優(yōu)點而被越來越多的人認(rèn)可，電動汽車采用電驅(qū)動，在行駛的同時不會產(chǎn)出廢氣污染環(huán)境，它產(chǎn)生的噪音極低，使用電源的成本要比使用石油的成本低得多，不用像燃動汽車一樣需要定期保養(yǎng)。但是純電動汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)燃機(jī)汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很多不同的地方，也就造成了電動汽車在故障診斷方面出現(xiàn)了很大的困難，特別是電動汽車交流充電出現(xiàn)故障時，需要遵循由簡單到復(fù)雜的排除診斷，做好故障分析。

1純電動汽車交流充電和直流充電的區(qū)別

所有的電動車都面臨著充電的問題，交流充電的最大功率只有7千瓦，造成交流電充電速度就會較慢，而直流充電的最大功率可以達(dá)到44千瓦，所以直流充電相較于交流充電的充電速度快得多，快充和慢充在充電系統(tǒng)中都有自己的優(yōu)缺點，所以交流電充和直流電充誰都代替不了誰的位置，根據(jù)各自的特點應(yīng)用于電動汽車的充電系統(tǒng)中。

1.1交流充電的優(yōu)缺點

優(yōu)點：在充電的過程中可以確保所有的電芯都能夠充滿電，因為是在峰谷時間段充電所有充電使用的成本也相對較低。而且使用慢充的充電過程中將電池的損傷程度降至最小 ，相較于快充可以大大的延長電動汽車的使用壽命。

缺點：充電時間較長，充電完成大約時間為8個小時

1.2直流充電的優(yōu)缺點

優(yōu)點：直流充電的速度非常快，可以利用40分鐘的時間就能充滿電，相較于交流充電，這樣就極大地縮短了充電過程中需要等待的時間，在出遠(yuǎn)門或急需用車時，使用直流充電方便了人們的生活。

缺點：由于鋰電池的耐高溫性能較差，如果使用電流大且不恒壓的快充時，會使電池組的電池溫度過高，如果長期進(jìn)行直流快速充電，會使電池致熱失效，而且當(dāng)溫度過高時會使鋰電池中的鋰離子逐漸減少，電池的使用壽命就會隨著電池容量的不斷減小而逐漸縮短。

2交流充電系統(tǒng)的基本組成

2.1. 交流充電樁

充電樁的作用是為新能源電動車提供交流電力來源的專用供電設(shè)備。充電樁包括單相充交流電樁和三相直流充電樁，單相交流充電樁主要適用于小型的純電動車或可插電混合動力電動汽車充電需求，由于它的最大額定功率只有7千瓦造成汽車充滿電的時間需要4-9個小時。

交流充電樁相較于直流充電樁雖然充電較慢，但是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)相較于直流充電樁簡單得多， 所以成本也會更少性價比較高，這就使得交流充電樁更受到人們的追捧。交流充電樁對變壓器的負(fù)荷量不會影響正常供電，施工起來也不困難，大多數(shù)的小區(qū)只需要簡單的改造就能完成電動汽車的充電需求，所以一些老舊的小區(qū)也可以安裝交流充電樁。

2.2.車輛的充電接口

由于每個國家的電網(wǎng)系統(tǒng)不同，所以每個國家或地區(qū)會根據(jù)當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)情況而制定相應(yīng)的充電連接器和電流的要求。在中國地區(qū)全部采用7芯結(jié)構(gòu)交流充電器的接口，以單相交流充電為主三相交流充電為輔的充電方式。

2.3.交流充電機(jī)

車載充電機(jī)在是由交流充電樁供電，主要采用高頻開關(guān)電源技術(shù)獎公共電網(wǎng)，輸入220伏的交流電能轉(zhuǎn)換為車載儲能裝置。主要包括主電路、控制電路、線束和標(biāo)準(zhǔn)件，主電路的前端主要由全橋電路和PFC電路構(gòu)成，將220伏的交流電通過整流濾波轉(zhuǎn)換為電壓恒定的直流電能，實現(xiàn)AC-DC變換，主電路后端主要由LLC電路組成。通過功率變換器將前端輸出的高壓直流電能變換成適當(dāng)?shù)碾妷杭半娏鞴┙o動力電池，實現(xiàn)DC-DC變換，控制電路主要控制MOS管的開關(guān)，與BMS之間通訊，監(jiān)測充電機(jī)狀態(tài)、與充電樁握手等功能，結(jié)束及標(biāo)準(zhǔn)件用于電路及控制電路的連接，固定元器件及電路板，車載充電機(jī)采用風(fēng)冷方式，防護(hù)等級IP66。

3交流充電的基本工作原理

當(dāng)充電槍與電動的汽車充電接口連接后，12伏的低壓可以激活使整個電動汽車的控制系統(tǒng)和電池的管理系統(tǒng)等低壓部件。電池的管理系統(tǒng)會先檢測到電池的電量狀態(tài) 然后將檢測到的信息車載充電機(jī)，車載充電器接收到電池電量的信號后，會閉合電池的相關(guān)繼電器，電動汽車開始正常充電。車載充電器內(nèi)有變壓裝置，可以將交流充電樁的220伏電壓變?yōu)殡姵厮枰慕涣麟姡谙群蠼?jīng)過整流器和濾波電路進(jìn)行整流整形后，再到達(dá)穩(wěn)壓二極管形成平穩(wěn)的直流波形，再進(jìn)行輸出。當(dāng)車載充電機(jī)檢測到電池管理系統(tǒng)發(fā)出的充電已滿的信號時，就會斷開電池的繼電器。

4交流充電的過程

在電動汽車充電的過程中電池的質(zhì)量有很高的要求，否則在電壓過高的情況會出現(xiàn)電池爆炸的現(xiàn)象。所以在剛開始充電時要求引入電流值不能太大，逐漸通過小電流刺激電池內(nèi)的化學(xué)成分，當(dāng)蓄電池的化學(xué)物品化學(xué)反應(yīng)完成將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能時，就可以加大充電的電流值來進(jìn)行的充電，當(dāng)電流達(dá)到18安培的恒定電流時，如果電壓充電達(dá)到400伏，充電器會接收到信號自動將恒定電流值調(diào)節(jié)至18安培以下，這樣電壓就不能進(jìn)入穩(wěn)定的階段。然后繼續(xù)充電，當(dāng)電壓又一次到達(dá)400伏時，充電器會再一次自動將恒定電流值低于18安培，這樣反復(fù)的充電，到最后電流值很小，電池充滿后，充電器會自動關(guān)閉。

5交流不能充電的故障表現(xiàn)

車輛充電出現(xiàn)問題的表現(xiàn)主要是電動汽車READY出現(xiàn)問題，儀表有充電連接信號但無法充電，電動汽車車儀表盤沒有顯示車輛充電口和充電槍連接，電動汽車儀表盤可以顯示車輛已經(jīng)開始充電但是充電流入的電流數(shù)值特別小。造成電動汽車沒有正常充電的原因有很多，其中主要包括電動汽車的充電設(shè)備出現(xiàn)問題、電動汽車的VCU出現(xiàn)問題、電動汽車內(nèi)的電池?fù)p壞不能充電和通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障

5.1車輛的充電裝備出現(xiàn)問題：電動汽車需要不斷的利用外部充電設(shè)備與汽車連接來進(jìn)行充電，而用來充電的設(shè)備主要有專門用于電動汽車充電的充電樁，其次如果小區(qū)附近沒有充電樁也可以利用家用插座來給電動汽車充電，若是當(dāng)使用充電樁來給電動汽車充電時發(fā)現(xiàn)不能電動汽車無法正常充電，那么可能是充電樁本身出現(xiàn)問題、充電樁與充電槍的連接線出現(xiàn)損毀或者是充電槍不能進(jìn)行充電。如果電動汽車充電時連接的是220伏的家用插座出現(xiàn)了電動汽車不能正常充電的現(xiàn)象，那么可能出現(xiàn)的問題包括家用插座本身已經(jīng)故障、家用插座與充電槍之間的連接線出現(xiàn)了破損等問題和充電槍本事就已經(jīng)損壞而不能充電。

5.2電動汽車的VCU出現(xiàn)問題：當(dāng)電動汽車進(jìn)行充電時，VCU會接收到電動汽車的充電接口和充電槍連接準(zhǔn)備開始充電的信號和確認(rèn)電動汽車進(jìn)行充電的信號，在VCU確認(rèn)連接后才能繼續(xù)進(jìn)行信號的傳輸，所以如果VCU出現(xiàn)問題，充電信息將會中斷無法傳輸信號，會造成電動汽車在充電過程中因信號傳輸中斷而不能進(jìn)行正常的充電。使電動汽車VCU不能正常工作的原因主要有VCU沒有上電、VCU的通訊系統(tǒng)出現(xiàn)損壞和VCU本身已經(jīng)損壞。

5.3電動汽車內(nèi)的電池出現(xiàn)問題：電池作為電能的儲存設(shè)備，為電動汽車的行駛提供源動力，是充電系統(tǒng)中非常重要的一部分，在電動汽車充電的過程中將接收的電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲蓄起來。所以如果電動汽車的電池出現(xiàn)問題同樣會造成電動汽車的充電故障，造成電池不能正常工作的原因有很多，主要的原因有BMS系統(tǒng)某部位出現(xiàn)了問題、電池的交口處出現(xiàn)故障、電池內(nèi)部的傳感器出現(xiàn)損壞或者是電池本身的硬件出現(xiàn)損壞造成電池不能充電。

5.4電動汽車的通訊系統(tǒng)出現(xiàn)問題：電動汽車是通過總線進(jìn)行通訊的，所以當(dāng)電動汽車的通訊系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)沒有識別到充電信號，就不會對電動汽車進(jìn)行充電。

6交流不能充電的故障分析

以儀表沒有充電連接的信號和儀表有充電顯示但是無法充電兩個例子來分析交流不能充電的現(xiàn)象

6.1儀表沒有充電連接的信號

當(dāng)發(fā)現(xiàn)電動汽車充電時儀表沒有充電的連接信號，先要排出電動汽車的絕緣故障引起的，如果沒有問題，再檢查是否是電動汽車的充電裝備出現(xiàn)了問題。例如，如果是用220伏的家用插座進(jìn)行供電，可以使用修車燈來測試是否是插座出現(xiàn)問題，若修車燈可以正常開啟，證明插座是正常的，如果不能正常打開修車燈，則是插座出現(xiàn)了問題，及時更換插座即可。

在確定家用插座沒有問題后，就需要檢測交流充電槍是否正常。在我國交流充電槍是采用7芯的充電系統(tǒng)，7芯分別對應(yīng)著CC信號端子、充電控制確認(rèn)信號端子、火線端子、零線端子、接地端子和兩個備用端子。它的工作原理：當(dāng)交流充電槍正常接入到220伏的電壓后，CC信號端子的電壓會達(dá)到12伏，充電槍的外部有一個藍(lán)色的按鈕，這時候如果按下這個按鈕，CC信號端子的電壓就會同時變?yōu)?伏。在交流充電槍正常接入220伏的電壓后，充電控制確認(rèn)信號端子的電壓值在正常情況下不會超過2伏，當(dāng)交流充電槍再連接到電動汽車的充電接口后，就會發(fā)現(xiàn)充電控制確認(rèn)信號端子的壓力會立刻上漲，正常情況下壓力值要達(dá)到8伏以上。交流充電槍在和電動汽車上的充電接口連接以前，火線端子和零線端子電壓都是處于0伏的狀態(tài)。接地端子在電壓接入的前后都是處于無壓的狀態(tài)。根據(jù)端子的電壓情況，可以檢測出充電槍是否能正常工作。若是充電槍出現(xiàn)的問題，及時更換即可。

如果充電槍也是正常的狀態(tài)，就需要再檢測是不是車載充電機(jī)出現(xiàn)問題導(dǎo)致電動汽車無法正常充電，先要檢查車載充電機(jī)的power燈和run燈是否都亮起，在正常情況下燈都是顯示為綠色。如果車載充電機(jī)的燈顯示異常就是車載充電機(jī)的出現(xiàn)故障。在確保車載充電器也是正常的情況下，再檢查是不是低壓電池饋電的原因?qū)е码妱悠嚥荒苷３潆姡暨€是不能正常充電就要檢查VCU是不是出現(xiàn)了損壞。在確定VCU無異常后就要檢查BMS系統(tǒng)是否故障或電池內(nèi)部是否出現(xiàn)問題。

6.2儀表有充電連接信號但無法充電

電動汽車的充電接口與交流充電槍連接之后，電動汽車的儀表盤上會顯示汽車充電已經(jīng)連接，而且所有指示燈都正常亮起，但是未能聽到在充電的過程中會發(fā)出車載充電機(jī)的散熱風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的聲音，電動汽車的儀表盤顯示充電槍與汽車充電接口充電連接，但是沒有找到充電已經(jīng)成功的相關(guān)顯示，這就證明電動汽車并不能正常的充電。當(dāng)電動汽車啟動時各個部位都沒有異常，電池可以以高壓狀態(tài)為電動汽車傳輸電量，儀表上的所有指標(biāo)顯示正常，可以確定不是電池、高壓互鎖線路和高壓系統(tǒng)發(fā)生故障。可以通過診斷儀檢測對空單元是否出現(xiàn)故障代碼儲存，若檢測后正常則表明控制單元沒有問題，那么極有可能是交流充電系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。

可以通過交流充電系統(tǒng)的工作原理來檢測到電動汽車不能正常充電的原因，交流充電控制引導(dǎo)電路的連接線可能出現(xiàn)故障，供應(yīng)電力的控制裝置系統(tǒng)也極有可能出現(xiàn)問題，或者是車輛的充電裝置發(fā)生故障。當(dāng)電動汽車充電接口與交流充電槍連接時，開關(guān)會切換成PWM的信號狀態(tài)，供電控制裝置會實時檢測電壓值得變化情況，從而能做到時刻評估充電連接裝置的連接狀態(tài)。電動汽車控制裝置通過實時監(jiān)測PWM的信號，能夠全方位地評估供電設(shè)備的實際能力，從而確保充電連接裝置是處于正常連接的狀態(tài)。

結(jié)束語

總而言之，我國的可持續(xù)發(fā)展政策的實施，電動汽車在汽車行業(yè)會占有越來越重要的位置，充電系統(tǒng)是保障電動汽車在未來能夠順利發(fā)展的基礎(chǔ)，交流充電有直流充電而無法替代的優(yōu)點。所以了解交流充電的原理，并能通過原理排查出充電不正常的原因，是電動汽車發(fā)展的新的里程碑。

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注： 本文為2020年廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目《純電動汽車交流充電系統(tǒng)的研究與實踐》，項目編號：2020KY44020