純電動汽車適配歐美市場充電解決方案

劉 新， 王建平， 程 堯， 蘇 磊， 李 燕， 肖 恩

（東風汽車股份有限公司商品研發院， 湖北 武漢 430056）

1 概述

新能源汽車產業作為國家戰略性支柱產業， 近幾年得以蓬勃發展， 尤其是純電動汽車， 已經具有一定的產業規模與先發優勢。 在國家大力支持下， 國內純電動汽車立足國內市場， 逐步進軍海外市場， 旨在實現彎道超車。 中國電動汽車在全球化推廣和使用中， 面臨著國內外充電接口標準、 充電數字通信方式、 控制方法不統一等制約， 導致按國標開發的純電動汽車在海外市場無法直接實現充電互聯互通， 需要做適應性設計變更。 本文以某純電動汽車為例， 研究并制定適配歐美市場的充電解決方案。

2 充電技術差異

國內外充電技術差異， 主要表現在充電接口、 充電設計標準、 充電控制方式等差異。

2.1 充電接口

國內充電接口分為交流充電接口與直流接口， 交直流充電接口分離。 歐美市場充電接口普遍采用交直流一體化接口， 美標與歐標充電口存在一定差異， 但較為接近。 如圖1～圖4所示。

圖1 歐標充電插座

圖4 國標直流充電插座

2.2 充電設計標準

國內電動汽車充電主要按照GB/T 20234—2015、 GB/T 27930、 GB/T 18487—2015等系列標準開發。 其中， GB/T 27930是針對GB/T 20234.3—2015直流充電接口定制的通信協議， 交流充電通信協議由車企自定義。

圖2 美標充電插座

圖3 國標交流充電插座

歐美國家的聯合充電系統 (Combined Charging System）， 即 “CCS” 標準， 由SAE以及8家歐美車企制定， 其一體化交直流充電接口標準被IEC采納， 其參考的標準主要是ISO 15118、 DIN 70121等。

2.3 充電控制方式

國標直流充電按照GB/T 27930進行CAN通信， 執行標準充電流程， 依次是物理連接、 低壓上電、 充電握手、 充電參數配置、 充電階段、 充電結束階段。 從握手到結束， 以互發標準定義的報文數據進行信息交互， 保證充電的進行。

歐美CCS充電通信協議標準ISO 15118、 DIN 70121是基于PLC通信， 和國標充電通信方式完全不同。 CCS充電接口連接美標充電槍獲取電能， 電池管理系統監測并控制充電過程， CCS充電樁與整車的控制信息交互是基于插槍連接信號PP與控制導引信號CP， 根據PWM確認充電電流大小等。

2.4 其他

除了充電接口、 充電設計標準、 充電控制方式3個方面， 國內外充電技術還表現在喚醒方式、 充電策略、 電子鎖控制等方面， 后文將詳細展開。

3 CCS充電方案

基于國內外充電技術的差異， 為適配歐美市場充電，本方案增加通信轉化模塊 （EVCC）。 CCS充電原理如圖5所示， 整個CCS充電系統由充電口、 充電連接線纜、 BMS、EVCC、 充電機 （OBC） 電池包 （pack） 等組成。 其中， 電池管理系統 （BMS） 檢測充電連接信號 （PP） 與充電口溫度， EVCC檢測CP信號及控制電子鎖， BMS與EVCC之間仍以CAN通信方式進行交互， EVCC與美標充電樁交互的信息， 主要是將控制引導信號 （CP） 轉化成符合GB/T 27930的CAN信號， 共同完成充電流程。 下文從以下幾個方面將充電方案詳細展開。

圖5 CCS充電原理圖

3.1 喚醒方式

整 車 向EVCC、 OBC、 BMS 供12V 常 電。 插 槍 之 后，EVCC由CP信號喚醒， EVCC被喚醒后輸出喚醒信號到整車控制器 （簡稱VCU）， VCU輸出喚醒信號到電池管理系統(BMS） 及其他控制器。 BMS喚醒后， 發出電子鎖上鎖和S2閉合指令， 交流220V輸入到車載充電機 （OBC）， OBC檢測到220V并自檢無問題后， 完成低壓上電。

3.2 電子鎖控制策略

3.2.1 電子鎖原理

如圖6所示， 本方案采用4芯電子鎖， 電子鎖共計4根線。 其中， 紅白線束為電子鎖12V供電線束， 藍黃為信號反饋線束。 EVCC執行上鎖時， 紅色線束接+12V， 白色接搭鐵， 接通時間約500ms， 電子鎖內部微電機正轉， 且電子鎖推桿與微動開關聯動， 藍黃輸出導通狀態反饋到EVCC。EVCC執行解鎖與之相反。 在整車斷電情況下， 如果電子鎖處于鎖止狀態， 可拉動手動解鎖繩索， 以便充電槍拔出。

圖6 電子鎖原理圖

3.2.2 直流充電模式電子鎖控制策略

EVCC被喚醒后， 根據有效PWM大小再判斷直流還是交流充電模式， 有效PWM 為3%～7%， 則判斷為直流充電（DC） 模式， 有效PWM為9.5%～96.5%， 則判斷為交流充電（AC） 模式。

直流充電中， 區別于國標直流充電的電子鎖安裝在充電槍端， 電子鎖由供電設備控制。 CCS充電電子鎖由車輛端EVCC根據充電流程直接控制， 在充電準備階段， EVCC直接閉合電子鎖， 充電結束后， EVCC會直接斷開電子鎖。或者BMS接收到儀表臺電子鎖解鎖信號， 會主動向EVCC發出BST報文， EVCC也會斷開電子鎖。

3.2.3 交流充電模式電子鎖控制策略

交流充電中， 和國標接近， 電子鎖控制由車輛端控制器控制， 這個控制器可以是OBC、 EVCC或者BMS。 本方案電子鎖由BMS控制， 當BMS被喚醒后， 充電槍連接正常，BMS會發出電子鎖上鎖指令， EVCC根據指令閉合電子鎖。充電結束后， 當充電電流降為0， BMS會主動發出電子鎖解鎖指令， 或者BMS接收到儀表臺電子鎖解鎖信號， 會主動向EVCC發出開鎖指令， EVCC也會斷開電子鎖。

3.3 插槍信號(CC2/PP）檢測

CCS充電除了控制方式和充電座與國標有較大的差異，插槍信號 (CC2/PP） 檢測電路也和國標不同， 需要重新設計。 同時， 雖然歐標和美標的控制方式基本一致， 但是在PP檢測方面也存在差異。 本方案基于歐標和美標PP硬件檢測電路通用化的理念， 設計以下方案。

國標直流插槍檢測電路如圖7所示， 車輛端和充電接口端分別設計1kΩ電阻， 上拉電壓為12V， 充電槍插槍完成后， BMS檢測到6V的電壓信號， 表示插槍連接正常， 可進入充電流程。 國標交流插槍檢測電路如圖8所示， S3閉合后， 根據檢測點與PE之間電阻判斷插槍連接與交流充電槍的容量。

圖7 國標直流插槍檢測電路

圖8 國標交流插槍檢測電路

CCS充電口是交流直流一體化的， 所以交流與直流PP電路完全一樣。 其中， 歐標與美標供電接口的電阻及電路有較大差異， 詳見圖9與圖10。 美標相關標準注明了車輛端上拉電阻為330Ω， 除了車輛端檢測PP電壓， 供電端也會檢測， 故上拉電壓是特定值， 美標定義為5V。 歐標槍頭PP與槍尾接線端不連通， 樁端不需要檢測PP電壓.所以對于車端的檢測電壓源和上拉電阻沒有做要求， 理論上任意電壓與電阻均可， 只要車端可以判斷插槍已連接即可。

圖9 美標插槍檢測電路

圖10 歐標插槍檢測電路

基于國標、 CCS歐標與CCS美標的差異， 車輛端參考美標設計5V上拉電壓與330Ω上拉電阻， 以便確保車輛端硬件電路的一致性， 但由于槍端電阻不同， 需要BMS軟件對歐標與美標檢測電壓作區分。

3.4 充電流程

插槍之后， CP喚醒EVCC， EVCC輸出喚醒信號到VCU，進而間接喚醒BMS與儀表等。 詳細充電流程參見圖11。

1） 直流充電模式下， EVCC自檢無故障后， 閉合電子鎖。 當EVCC 持續監測到一個峰值電壓為6V 的CP 信號(PWM）， 會發送CHM信號進入GB/T 27930充電流程。 充電中， EVCC通過PWM占空比獲取充電樁的電流輸出能力，BMS的請求電流通過CAN通信發送給EVCC。 充電結束后，包括人為終止充電， BMS收到來自儀表臺解鎖開關的高電平信號， BMS發送BST報文， 斷開接觸器， EVCC會斷開電子鎖， BMS和EVCC分別延時2s、 5s后休眠， 如圖11、 圖12所示。

圖11 充電流程圖

圖12 直流充電報文

2） 交流模式下， BMS自檢無故障， 且插槍信號 (PP）有效， 會向EVCC發送上鎖指令和S2閉合指令， EVCC執行以上指令并將狀態反饋給BMS。 S2 閉合后， 充電樁AC 220V輸出到車載充電機 （OBC）， OBC被喚醒后處于待命狀態。 BMS收到電子鎖上鎖與S2閉合狀態信號后， 且收到整車上高壓指令， 會依次閉合主負繼電器與充電接觸器 （即圖5中的K1、 K3）。 同時， BMS基于自身充電能力、 EVCC反饋的供電設備能力向OBC發送開機指令與請求電流電壓。OBC比較BMS請求電流電壓與OBC功率， 輸出合適的充電電流。 充電結束后， 包括人為終止充電， BMS收到來自儀表臺解鎖開關的高電平信號， BMS向EVCC發送斷開電子鎖、S2指令， 向OBC發出停機指令， 同時請求電流降為0， 斷開接觸器， 在執行以上系列動作后， BMS和EVCC分別延時2s、 5s后休眠， 如圖11、 圖13所示。

圖13 交流充電報文

3.5 充電故障保護機制

充電過程中， BMS發生一般故障或者其他系統發生故障向BMS反饋后， BMS向OBC或者EVCC發送降流請求， 限制充電。

若BMS或其他系統發生嚴重故障， 例如過溫、 過壓、電子鎖故障， 未進入充電則不進入充電流程。 已處于充電中， 則BMS執行故障停止充電流程， 分別向VCU發出斷開接觸器請求， 向OBC和EVCC發出降流為0請求， 電流降為0之后， 且收到VCU允許下電指令， 則斷開接觸器， EVCC斷開電子鎖， 充電結束。

4 總結

本文詳細論述了海外市場主流的CCS充電與國標充電的差異， 以及CCS下歐標與美標的部分差異， 主要表現在充電接口、 充電標準、 控制方式、 插槍檢測電路等方面。 基于以上差異， 展示了現有已開發某車型適配歐美市場的充電解決方案。 以上方案詳細介紹了喚醒方式、 電子鎖控制、插槍檢測電路、 充電流程、 故障保護機制等， 并附上大量圖表以便加強理解。 本方案已在本公司部分車型實施， 為后期其它車型開發出口車提供了可行的充電方案。