電動汽車充電網(wǎng)關控制器開發(fā)

王 鳴，張振東

（1. 上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2. 上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201805）

隨著石油資源緊缺和汽車污染問題的加劇，電動汽車的發(fā)展成為必然趨勢，我國也將以電動汽車為主的新能源汽車列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一［1-3］。對于純電動車來說，外接充電是其獲取能量的唯一途徑，而各國快速充電標準存在較大差異。目前電動車的充電方式主要有快充（直流充電）和慢充（交流充電）兩種，各國家和地區(qū)對快充都有各自的標準。主流的快速充電接口標準有北美標準（SAE）［4］、歐洲標準（IEC）［5］和中國國家標準（GB）［6-9］等。近年來，隨著國家充電標準，尤其是快充標準的完善和推廣，在中國銷售的車型須符合國家快充標準。因此，很多國外電動車在國內(nèi)都遇到充電標準不匹配的問題，從而影響國外電動車在國內(nèi)的銷售和使用。因此，如何利用國家標準充電樁對國外電動車進行快速充電成為急需解決的問題。

實現(xiàn)對國外電動車的快充功能，關鍵是要在國家標準充電樁與國外生產(chǎn)的電動車的電池管理系統(tǒng)之間建立正常的通訊聯(lián)系?？赏ㄟ^在電動車上增加一個充電網(wǎng)關模塊，在不影響原車充電功能的前提下，增加國家標準快充功能，即在同一輛車上實現(xiàn)兩種充電協(xié)議。充電網(wǎng)關控制器對充電接口協(xié)議進行轉換，而不改變充電過程中的電流、電壓控制等內(nèi)容?？梢栽诂F(xiàn)有的汽車控制器的基礎上對充電網(wǎng)關控制器的硬件進行開發(fā)，通過對硬件進行配置和優(yōu)化，使用多個端口復用的方式可實現(xiàn)充電過程中復雜控制信號的硬件輸出，這樣就能對某些國外電動車進行本土化設計，以適應中國市場并符合各項法規(guī)的要求。

1 國家標準和北美標準快充接口對比

在國家快充標準中車輛端控制器接口信號包括漸進開關信號（CCL2）、J1939局域網(wǎng)絡信號（CAN）、12 V喚醒信號。車輛端通過CCL2確認與充電樁連接，在充電過程中信息完全通過CAN進行傳遞。在北美快充標準中車輛端控制器接口信號包括電池管理系統(tǒng)電源信號（CP信號）、電池管理系統(tǒng)信號（Prox信號）等。車輛S端控制器通過Prox信號確認充電樁連接，通過CP信號的電壓、PWM（脈沖寬度調(diào)制）狀態(tài)進行握手，并由CP信號的PLC（載波通訊信號）進行信息交互。車輛中的控制器需對CP信號電壓、PWM狀態(tài)進行控制，信息交互利用HPCC（混合動力控制模塊）將 PLC翻譯為GMLAN CAN信號（通用局域網(wǎng)絡信號）。

1.1 充電網(wǎng)關控制器的作用

無論從硬件接口還是從充電時序方面來看，北美快充標準和國家快充標準之間存在非常大的差異，兩者之間無兼容的可能。為了使按照北美快充標準開發(fā)的車型能夠進行國家標準快充，設計了充電網(wǎng)關控制模塊。加入充電網(wǎng)關后的充電部分零部件結構，充電網(wǎng)關和充電樁之間的接口完全按照相關國家標準設計，而在車輛端方面，利用通用局域網(wǎng)絡信號、CP信號、Prox信號同車輛控制模塊進行信息交互。由于充電過程中的交互信息由充電網(wǎng)關直接翻譯為局域網(wǎng)絡信號信號，原有高壓控制模塊與高壓局域網(wǎng)絡信號的連接線路斷開，由充電網(wǎng)關代替原有高壓控制模塊的局域網(wǎng)絡信號和ID（局域網(wǎng)絡信號的節(jié)點）。

充電網(wǎng)關通過模擬J1939 CAN信號，并檢測CCL2信號。對國家標準充電樁來說，充電網(wǎng)關相當于車輛的電池管理系統(tǒng)；另一方面，由于充電網(wǎng)關向電池管理系統(tǒng)模擬輸出CP信號和Prox信號，對車輛來說，充電網(wǎng)關相當于充電樁。

1.2 充電網(wǎng)關電路接口

充電網(wǎng)關需同時滿足國家標準充電樁及北美標準車輛控制器接口的要求，因此需按照各自標準對充電網(wǎng)關兩側的接口電路進行設計。所開發(fā)的國家標準CCL2端口如圖1所示，圖中R1、R2均為電阻。該端口通過一個上拉到12 V的電阻對快充插頭狀態(tài)進行檢測。充電網(wǎng)關通過測量上拉電阻端的電壓，確定國家標準充電插頭是否連接。所開發(fā)的北美標準CP端口如圖2所示，圖中：R3～R7均為電阻；S2為繼電器開關。該端口包括PWM、電壓及頻率采集等電路。當完成充電握手，充電網(wǎng)關收到充電樁握手信號后，切換為PWM波發(fā)送，直至充電結束為止。在充電過程中充電網(wǎng)關實時檢測PWM信號的電壓幅值、頻率和占空比，一旦出現(xiàn)異常，將停止充電。另外，在充電網(wǎng)關控制器中還設置了Prox端口，其作用是模擬北美標準中的漸進開關信號（電壓信號）。在充電網(wǎng)關檢測到國家標準充電插頭插上時，控制開關導通，否則控制開關斷開。

圖1 國家標準 CCL2端口Fig.1 GB CCL2port

圖2 北美標準的 CP 端口Fig.2 SAE CP port

在CP信號的輸出控制中，采用閉環(huán)反饋控制算法對信號輸出電壓和PWM占空比進行采集并調(diào)節(jié)輸出。實驗測試結果如圖3所示，在6、9 V兩種狀態(tài)下，CP信號輸出PWM波的峰值電壓均比較穩(wěn)定，波動范圍在 ± 0.2 V以內(nèi)，完全滿足北美標準中 ± 0.6 V的波動范圍要求。

2 網(wǎng)關控制器及充電協(xié)議轉換邏輯開發(fā)

2.1 網(wǎng)關控制器

圖3 CP 信號輸出 PWM 波Fig.3 PWM wave from CP signal

為了節(jié)省開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，通過對某發(fā)動機控制模塊進行改裝，構建了充電網(wǎng)關控制器。該控制器正常工作電壓范圍為9～16 V，可工作的電壓范圍為6.3～16 V。當系統(tǒng)輸入電壓低于9 V時，只有一些特殊的功能起作用。工作溫度范圍為-40～105℃。低電壓信號和高電壓信號分別布置在不同的線束內(nèi)，在網(wǎng)關的供電電路上配置保護電路。另外，網(wǎng)關控制器的外殼和底盤均不用作跨接啟動車子的連接點，網(wǎng)關的接地端子直接與蓄電池負極連接。

2.2 充電協(xié)議轉換邏輯

充電過程中充電網(wǎng)關分別按照國家標準、北美標準與充電樁及車輛控制器進行握手和通訊，完成上電、預充電、充電、下電等操作。充電網(wǎng)關和國家標準充電樁的物理連接完成后，進入充電握手階段，通過總線進行握手信號的交互。確認連接正常后，對充電過程中的最大電流、電壓等參數(shù)進行配置。完成參數(shù)配置后，進入充電階段。充電網(wǎng)關和國家標準充電樁之間通過總線發(fā)送目標電流、目標電壓、實際電流、實際電壓等信息，并實時監(jiān)控充電狀態(tài)。在充電結束階段，充電網(wǎng)關和國家標準充電樁之間通過總線發(fā)送充電結束標志報文。充電結束后，充電網(wǎng)關和國家標準充電樁互相發(fā)送充電統(tǒng)計報文。

充電過程中充電網(wǎng)關和車輛控制器之間的通訊流程如圖4所示。根據(jù)不同的CP信號峰值電壓，將充電過程分為A、B、C三個階段。階段A表示未握手狀態(tài)，當握手完成后，跳入階段B。當充電網(wǎng)關將CP信號切換為PWM波輸出時，即表示充電樁完成就緒準備。在充電網(wǎng)關和車輛控制器之間交換充電限制值之后，車輛控制器閉合繼電器對充電線路進行絕緣檢查，檢查通過后切換至階段C。在階段C中，車輛控制器向充電網(wǎng)關發(fā)送電流和電壓需求，從而完成從預充電至充電的轉化。在充電過程中，車輛控制器和充電網(wǎng)關之間通過局域網(wǎng)絡信號對充電電流、電壓進行交互。當出現(xiàn)故障或者需要停止充電時，車輛控制器斷口繼電器，從而結束充電。

圖4 充電握手通訊流程Fig.4 Flowchart of charging communication

2.3 充電時序

充電網(wǎng)關在檢測到CCL2信號標志充電槍插上后，向車輛控制器模擬CP信號和Prox信號。同時通過總線和國家標準充電站發(fā)送握手信號，通過高壓局域網(wǎng)絡信號總線和車輛控制器發(fā)送握手信號，完成初步握手狀態(tài)。之后，充電網(wǎng)關轉發(fā)充電站和車輛控制器的電流限制、電壓限制、功率限制等。充電站通過充電限制檢查后會通過總線發(fā)送充電準備好的信號，車輛控制器在通過充電限制檢查后會通過CP信號的電壓狀態(tài)表示充電準備好并進行絕緣檢查。

完成充電準備工作后，進入充電過程。充電網(wǎng)關轉發(fā)車輛控制器的電流、電壓請求值，以及充電站的實際輸出電流、電壓。當操作人員手動按下停止開關或者車輛控制器認為電池電量已滿時，充電網(wǎng)關轉發(fā)充電站或車輛控制器的停機命令，并對充電站和車輛控制器分別按照國家標準和美國標準的下電流程進行下電處理。充電停止后，充電網(wǎng)關停止CP信號和Prox信號的輸出。

充電網(wǎng)關還對非正常的充電過程進行診斷。如果在充電過程中檢測到任何信號異?；蛲ㄓ崄G失，充電網(wǎng)關將同時向充電站和車輛控制器發(fā)送停機命令，從而對整個快充系統(tǒng)進行保護。

2.4 局域網(wǎng)絡信號通訊

充電網(wǎng)關控制器設有2路高速局域網(wǎng)絡信號，其中：局域網(wǎng)絡信號1與車輛端的高壓局域網(wǎng)絡信號相連，按照通用局域網(wǎng)絡信號要求，其波特率為500 kbit·s-1；局域網(wǎng)絡信號2與充電樁的局域網(wǎng)絡信號口相連，按照國家標準GB/T27930—2011［6］，其波特率為 250 kbit·s-1。

3 實驗分析

為了驗證充電網(wǎng)關控制器開發(fā)的有效性，對一輛北美標準的純電動車進行了改裝，加裝了網(wǎng)關控制器，選用符合國家標準的直流充電樁進行試驗。選用泰坦公司的TEV-M系列直流充電樁和配套充電電源模塊。該模塊采用三相有源PFC（功率因數(shù)矯正）技術，主要由EMI（電磁干擾）濾波器、軟啟動及整流濾波、APFC（功率因數(shù)補償校正）電路、直流變換、整流濾波、監(jiān)控接口以及保護電路等組成，其輸入諧波電流 ≤ ±5%，整機效率高達94%。原車所用電池為日立公司生產(chǎn)的電動汽車磷酸鐵鋰電池，電池標準電壓380 V，標稱容量為10 A.h。

電池放電過程遵循電動汽車性能測試中廣泛使用的UDDS （城市循環(huán)）模擬行程，利用可編程直流電子負載模擬車輛在城市道路行駛時所需要的負載功率。在試驗過程中，采用INCA、Canne等工具對電動車的充電過程參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和分析。試驗裝置如圖5所示。

在充電過程中測試得到的電流、電壓和SOC（電池荷電狀態(tài)）如圖6所示。

圖5 試驗裝置示意圖Fig.5 Diagram of the test apparatus

圖6 充電過程中 SOC 與電流、電壓的變化Fig.6 Evolution of SOC,current and voltage in the charging process

由圖6中可見，所開發(fā)的充電網(wǎng)關控制器能夠在國家標準充電樁與北美標準電動車控制器之間建立有效的通信聯(lián)系。該網(wǎng)關控制器按照國家標準流程和充電樁之間進行握手、通訊，按照北美標準流程和車輛控制器進行握手、通訊，通過協(xié)議轉換有效實現(xiàn)了國家標準充電樁對其他標準電動車的快速充電功能。

4 結 論

（1）所開發(fā)的充電網(wǎng)關控制器僅對充電接口協(xié)議進行轉換，而不改變充電過程中的電流、電壓控制等內(nèi)容。通過對成熟的ECM（發(fā)動機控制器）硬件結構進行優(yōu)化配置，利用端口復用方式實現(xiàn)了充電過程中各種控制信號的硬件輸出，有效縮短了開發(fā)周期并降低了開發(fā)費用。

（2）通過增加充電網(wǎng)關模塊，在北美標準電動車上同時實現(xiàn)了北美標準的充電和國家標準的充電協(xié)議，通過對國外電動車進行本土化設計，使其更好地適應中國市場并符合各項法規(guī)的要求。