簡(jiǎn)介

隨著純電動(dòng)汽車(chē)的使用越來(lái)越廣，充電需求越來(lái)越多，市場(chǎng)對(duì)車(chē)輛的充電安全性和便利性提出越來(lái)越高的要求，便利、安全且快速的充電是市場(chǎng)對(duì)車(chē)輛的一致需求。

本文主要介紹純電動(dòng)汽車(chē)的充電系統(tǒng)的組成、電氣原理和控制策略。純電動(dòng)汽車(chē)的充電系統(tǒng)方式主要有兩種，一是交流充電方式，即為慢充，二是直流充電方式，即為快充，兩種充電方式的組成、電氣原理和控制方式各不相同。

2 交流充電系統(tǒng)

2.1 交流充電的組成

交流充電指電網(wǎng)輸入給車(chē)輛的電壓為交流電，可以是220V AC單向電或380V AC三相電。交流電通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)充電插頭和充電插座，進(jìn)入車(chē)載充電機(jī)，車(chē)載充電機(jī)再把交流電轉(zhuǎn)化為直流電，給動(dòng)力電池充電，完成基本的交流充電。

交流充電的部件主要有車(chē)載充電機(jī)、交流充電插座（交流充電插座線束）、充電線、交流充電樁或220V交流電源和車(chē)輛控制器（VCU、BMS）等組成，如圖1為各部件示圖。

圖1 交流充電的組成

其中交流充電插座和車(chē)載充電機(jī)固定在車(chē)輛上，充電線隨車(chē)配送，交流充電樁固定在停車(chē)場(chǎng)，各部件的作用如下：

（1）車(chē)載充電機(jī)是交流充電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其根據(jù)控制指令把交流電轉(zhuǎn)化為直流電給電池充電。

（2）交流充電插座是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件，是車(chē)輛連接外部電網(wǎng)的接口，其接口有2個(gè)信號(hào)回路，1個(gè)接地回路，1個(gè)零線回路和3個(gè)火線回路，共7個(gè)接口，根據(jù)輸入的電壓是220V AC或380V AC，應(yīng)用相應(yīng)的火線接口。

（3）車(chē)輛控制器是實(shí)施監(jiān)控車(chē)輛的狀態(tài)，并發(fā)出控制指令給車(chē)載充電機(jī)，使其工作或停止工作，控制其工作電流和電壓等，是車(chē)輛充電的控制大腦。

（4）模式2充電線是連接外部電網(wǎng)和車(chē)輛的充電線，直接給車(chē)載充電機(jī)提供220V AC電源。其線纜上的功能盒可檢測(cè)車(chē)輛和電網(wǎng)狀態(tài)，連接或斷開(kāi)給車(chē)輛的供電，具有一定的保護(hù)功能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求其輸入的充電電流限制在13A以內(nèi)，輸入電壓為220V AC，所以采用模式2的充電線充電時(shí)，車(chē)載充電機(jī)的輸入最大功率為2860W，即充電時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。

（5）交流充電樁也是車(chē)輛連接外部電網(wǎng)的部件，直接給車(chē)載充電機(jī)提供220V AC或380V AC電源。其也具有檢測(cè)車(chē)輛和電網(wǎng)狀態(tài)，連接或斷開(kāi)給車(chē)輛供電的功能。充電樁的供電電壓有220V AC和380V AC，根據(jù)充電樁的輸出功率而定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，如交流充電樁的輸出電流大于32A時(shí)，供電電壓必須采用380V AC。因此采用交流充電樁充電時(shí)，充電功率較大，即充電時(shí)間會(huì)縮短。

2.2 交流充電的電氣原理

交流充電方式總共有三種充電模式，分別為模式1、模式2和模式3。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求和充電安全，其中模式1嚴(yán)禁使用，模式3一般采用連接方式C的模式，其模式2和模式3連接方式C的交流充電工作原理電氣圖如圖2和圖3所示。

圖2 模式2充電的電氣原理圖

交流充電是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的充電方式，其電氣原理圖、檢測(cè)和控制要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》的要求，如圖2和圖3所示。除了滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求外，不同汽車(chē)廠會(huì)根據(jù)項(xiàng)目需求，增加充電提示或顯示的功能，方便客戶的查看充電狀態(tài)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，CC信號(hào)是充電插頭和充電插座是否連接的判斷信號(hào)，同時(shí)車(chē)輛根據(jù)CC的信號(hào)值，判斷RC阻值，確定線束的容量。CP信號(hào)是判斷供電設(shè)備的供電能力，通過(guò)PWM值確定。電氣原理圖中的各電阻值和PWM值都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且控制器必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，以滿足車(chē)輛在市場(chǎng)上的充電需求。

圖3 模式3充電的電氣原理圖

2.3 交流充電的控制策略

根據(jù)圖2和圖3所示，無(wú)論是模式2還是模式3，原理圖基本相同，只是電網(wǎng)的交流供電方式不同。以某項(xiàng)目的為例，簡(jiǎn)述其控制策略，其電氣原理圖、檢測(cè)和控制即滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)為了便于客戶使用，交流充電的控制策略和順序如下：

①車(chē)載充電機(jī)檢測(cè)CC和CP信號(hào)，車(chē)載充電機(jī)可根據(jù)CC信號(hào)判斷充電線的容量，根據(jù)CP信號(hào)，判斷供電設(shè)備的供電能力。

②車(chē)輛處于休眠或停車(chē)狀態(tài)時(shí)，當(dāng)充電插頭插上充電插座時(shí)，車(chē)載充電機(jī)檢測(cè)到CC或CP，自身喚醒。

③車(chē)載充電機(jī)自喚醒后，喚醒VCU和BMS。

④VCU和BMS被喚醒后，開(kāi)始進(jìn)入交流充電模式，并檢測(cè)車(chē)輛狀態(tài)，即車(chē)輛是否有故障，電池是否滿電。

⑤車(chē)載充電機(jī)反饋充電線束狀態(tài)和供電設(shè)備信息給BMS。

⑥BMS根據(jù)車(chē)載充電機(jī)反饋的信息和車(chē)輛的狀態(tài)，發(fā)送開(kāi)始充電或停止充電指令給車(chē)載充電機(jī)。

⑦充電線或交流充電樁的供電控制裝置，通過(guò)CP信號(hào)判斷車(chē)輛狀態(tài)，連接或斷開(kāi)K1和K2，即連接或斷開(kāi)交流電的輸入。

⑧車(chē)載充電機(jī)根據(jù)接收到的指令，開(kāi)始或停止工作，給車(chē)輛充電或停止充電進(jìn)入休眠。

以上是充電過(guò)程的控制簡(jiǎn)述，而在整個(gè)充電的伊始，車(chē)輛和交流充電樁（或充電線）都會(huì)先判斷充電接口是否連接完好，車(chē)輛才會(huì)判斷是否啟動(dòng)充電，所以客戶必須插搶到位，此也是為了保證充電安全。在使用上，客戶只需插搶?zhuān)瑹o(wú)需執(zhí)行其他操作，車(chē)輛隨即進(jìn)入充電模式，開(kāi)始充電，提高了客戶使用的便利性。在實(shí)際使用中，如果車(chē)輛在充電過(guò)程，當(dāng)電網(wǎng)沒(méi)有電時(shí)，車(chē)輛會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠，減少自身的能耗；當(dāng)又來(lái)電時(shí)，車(chē)輛也會(huì)自動(dòng)喚醒，并檢測(cè)車(chē)輛狀態(tài)，如車(chē)輛未滿電時(shí)會(huì)繼續(xù)充電，如已滿電，會(huì)停止充電并進(jìn)入休眠，減少能量消耗。例如模式3充電方式，其充電過(guò)程的電壓變化如圖4所示。

圖4 交流充電過(guò)程視圖

3 直流充電系統(tǒng)

3.1 直流充電的組成

直流充電是指外部電網(wǎng)輸入給車(chē)輛的電壓為直流電，即直流充電樁把380V AC三相電轉(zhuǎn)化為直流電，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)直流充電插頭和充電插座輸送給車(chē)輛，直接給動(dòng)力電池充電，完成基本的直流充電。

直流充電的部件主要有直流充電插座（直流充電插座線束）、車(chē)輛控制器（VCU、BMS）和直流充電樁等，如圖5所示。

圖5 直流充電的組成

其中直流充電插座固定在車(chē)輛上，直接連接動(dòng)力電池，直流充電樁固定在停車(chē)場(chǎng)，各部件的作用如下：

（1）直流充電插座是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件，是車(chē)輛連接外部電網(wǎng)的接口，其有1路CAN通訊回路（2個(gè)接口），1路低壓輔助供電回路（2個(gè)接口），2個(gè)信號(hào)回路，1個(gè)接地回路和1正1負(fù)的2個(gè)高壓回路，共9個(gè)接口。

（2）車(chē)輛控制器是實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛狀態(tài)，并根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930-2015《電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》協(xié)議格式和內(nèi)容，發(fā)出控制指令給直流充電樁，使其工作或停止工作，控制其輸出電流和電壓等，是車(chē)輛充電的控制大腦。

（3）直流充電樁是一個(gè)大功率的非車(chē)載充電機(jī)，其把380V AC交流電轉(zhuǎn)化為直流電后，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)充電插頭和充電插座連接，直接給動(dòng)力電池充電。其工作功率一般都較大，因此大大縮短充電時(shí)間。

3.2 直流充電的電氣原理

直流充電方式只有一種模式，即為國(guó)標(biāo)所述的充電模式4，其電氣原理圖如圖6所示。

圖6 模式4直流充電的電氣原理圖

直流充電是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的充電方式，其電氣原理圖、檢測(cè)和控制要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》的要求，如圖6所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，CC1信號(hào)是直流充電樁判斷充電插頭和充電插座是否連接的信號(hào)；CC2是車(chē)輛判斷充電插頭和插座是否連接的信號(hào)；S+和S-是CAN信號(hào)通道；A+和A-是輔助電源，以乘用車(chē)為例是12V，以大巴車(chē)為例是24V。直流充電樁可通過(guò)A+和A-提供輔助電源，但在標(biāo)準(zhǔn)里并未強(qiáng)調(diào)一定要使用此輔助電源，車(chē)輛可根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)用。電氣原理圖中的各電阻值都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且控制器必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，以滿足車(chē)輛在市場(chǎng)上的充電需求。

3.3 直流充電的控制策略

直流充電的電氣原理圖不僅要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且與車(chē)輛的控制器的通訊協(xié)議也必須符合國(guó)標(biāo)格式和內(nèi)容，車(chē)輛才可實(shí)現(xiàn)在市場(chǎng)上充電。以某個(gè)項(xiàng)目為例，充電是給動(dòng)力電池充電，為了便于執(zhí)行控制，直接使用動(dòng)力電池的BMS與直流充電樁進(jìn)行信息交互和檢測(cè)，VCU只作為輔助判斷，其控制策略和順序如下：

①車(chē)輛未使用A+和A-輔助電源，因?yàn)榇穗娫礊檐?chē)輛外部電壓，其可靠性不穩(wěn)定，因此未使用。

②BMS檢測(cè)CC2信號(hào)和通過(guò)S+和S-與直流充電樁進(jìn)行信息交互。

③車(chē)輛在休眠或停車(chē)狀態(tài)時(shí)，當(dāng)直流充電插頭和直流充電插座插合時(shí)，BMS檢測(cè)到CC2信號(hào)，自喚醒。

④BMS自喚醒后喚醒VCU，車(chē)輛進(jìn)入直流充電模式。

⑤直流充電樁通過(guò)檢測(cè)到CC1信號(hào)，判斷充電插座和插頭是否連接完全。

⑥BMS和直流充電樁進(jìn)行信息交互。

⑦BMS根據(jù)直流充電樁反饋的信息和車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行判斷，發(fā)送開(kāi)始充電或停止充電給直流充電樁。

⑧直流充電樁根據(jù)CC1信號(hào)和BMS反饋信息，執(zhí)行充電或停止充電。

⑨當(dāng)充電完成或停止充電后，整車(chē)進(jìn)入休眠，減少能量的消耗。

以上是簡(jiǎn)單的控制過(guò)程，在使用和操作要求上與交流充電相似。但直流充電過(guò)程，當(dāng)停止充電后，需重新拔槍再插搶?zhuān)趴蛇M(jìn)行第二次充電，此方式區(qū)別于交流充電，也是為了保證充電安全。其充電過(guò)程的電壓變化如圖7所示。

圖7 直流充電過(guò)程視圖

總結(jié)

無(wú)論是純電動(dòng)汽車(chē)或可充電混合動(dòng)力汽車(chē)的充電系統(tǒng)，基本都按照標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，才能滿足車(chē)輛在市場(chǎng)上的充電需求。

交流充電電流相對(duì)較小，有利于電池的使用壽命，且不易過(guò)熱和發(fā)生故障。直流充電雖然能更快的完成充電，但對(duì)車(chē)輛的電池?fù)p傷較大，也易發(fā)生過(guò)熱，從而起火，因此建議車(chē)輛多采用交流充電模式，可有效延長(zhǎng)電池壽命和減少事故發(fā)生。

除了標(biāo)準(zhǔn)要求外，車(chē)輛控制器需實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛的狀態(tài)，例如電池是否過(guò)熱、過(guò)壓、過(guò)充、過(guò)流、絕緣阻值是否下降等，是整車(chē)廠需要完善的控制策略，以保證充電安全。

審核編輯 ：李倩