電動(dòng)汽車交流充電系統(tǒng)在新能源汽車技術(shù)專業(yè)中研究

黃銳鋒

菏澤職業(yè)學(xué)院 山東省菏澤市 274000

近年來，隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和能源問題的困擾，新能源汽車漸漸步入了人們的視野，已成為未來汽車發(fā)展的主流方向。我國(guó)對(duì)于新能源汽車發(fā)展的支持力度非常大。2019 年以來，為適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新形勢(shì)，搶抓新機(jī)遇，工業(yè)和信息化部牽頭，會(huì)同發(fā)展改革委等12 個(gè)部門研究編制了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》?！兑?guī)劃》指出，要以習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想為指引，堅(jiān)持新發(fā)展理念，以深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，堅(jiān)持電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化發(fā)展方向，以融合創(chuàng)新為重點(diǎn)，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，加快建設(shè)汽車強(qiáng)國(guó)。

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的日益成熟，國(guó)家開始投入大量的人力物力對(duì)電動(dòng)汽車基礎(chǔ)充電設(shè)施進(jìn)行建設(shè)。2022 年1 月21 日，國(guó)家發(fā)展改革委等10 個(gè)部門發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見》提出，到“十四五”末，我國(guó)電動(dòng)汽車充電保障能力進(jìn)一步提升，形成適度超前、布局均衡、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，能夠滿足超過2000 萬輛電動(dòng)汽車充電需求。在此背景下，本文基于新能源汽車技術(shù)專業(yè)對(duì)電動(dòng)汽車交流充電設(shè)施進(jìn)行研究具有很好的社會(huì)意義。

1 交流充電系統(tǒng)介紹

汽車充電系統(tǒng)包括交流充電系統(tǒng)和直流充電系統(tǒng)兩類。交流充電是指用電網(wǎng)220V 交流電通過交流充電設(shè)備連接車輛給車輛充電，因用交流電給車輛充電所用時(shí)間較長(zhǎng)，故又稱慢充。

1.1 交流充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

交流充電系統(tǒng)主要是由交流充電樁、高壓線束、交流充電口、車載充電機(jī)、高壓配電箱、動(dòng)力電池包、電池管理系統(tǒng)等部件組成。

圖1 交流充電樁

車載充電機(jī)由交流輸入接口、功率單元、控制單元、直流輸出接口等部分組成。車載充電機(jī)固定安裝在電動(dòng)汽車上，工作時(shí)將充電樁傳遞過來的交流電轉(zhuǎn)換成直流電供給動(dòng)力電池，并通過高速CAN 網(wǎng)絡(luò)與電池BMS進(jìn)行通信，判斷電池連接狀態(tài)是否正確，獲得動(dòng)力電池實(shí)時(shí)參數(shù)、及充電前和充電過程中整組和單體電池的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1.2 交流充電接口的針腳含義

電動(dòng)汽車充電時(shí)，需將交流充電樁充電槍與電動(dòng)汽車交流充電接口進(jìn)行連接。按照目前最新實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)GB/T18487.1—2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1 部分∶通用要求》規(guī)定，只有充電模式2、模式3 適用于交流充電。充電模式3 充電樁車側(cè)的交流充電口與充電模式2 相同。

圖2 交流充電槍端子

CC 端子：充電槍連接確認(rèn)端子。CC 端子信號(hào)正常，就說明充電槍和車上的交流充電口連接沒有問題，可以正常充電。可以通過對(duì)連接電路（接地）的檢查來確定CC 能否接通，如果檢查到接地即認(rèn)為CC 已接通。

CP 端子:充電控制導(dǎo)引端子。該端子信號(hào)主要用于監(jiān)控電動(dòng)汽車和交流充電樁交互的功能。充電槍接入汽車前，CP 信號(hào)為12V 高電平。充電槍接入汽車后由于車載充電機(jī)中分壓電阻的存在，CP 信號(hào)會(huì)跳變?yōu)?V；充電樁MCU 檢測(cè)到CP 信號(hào)跳變?yōu)?V后，切換高電平輸出為PWM 輸出；PWM占空比表示充電樁最大輸出電流；汽車確認(rèn)充電信號(hào)，將切換車載充電機(jī)中分壓電阻，使其信號(hào)跳變?yōu)?V；充電樁MCU 檢測(cè)到CP 信號(hào)跳變?yōu)?V 后，主繼電器合閘，開始為汽車充電。

L 端子：交流電源端子。CC 信號(hào)與CP信號(hào)正常以后，交流充電樁通過L 端子向電動(dòng)汽車供交流電。

PE 端子：接地保護(hù)端子。N 端子：中線端子（零線）。

L1,L2 端子：備用端子?，F(xiàn)在絕大多數(shù)是單相交流樁，三相交流輸入只有一相。

目前，技術(shù)對(duì)調(diào)查的影響力還停留在第一現(xiàn)代性階段，即技術(shù)之于調(diào)查工作更多體現(xiàn)為嵌入性而非控制性。調(diào)查人員對(duì)于技術(shù)的依賴性尚未達(dá)到諸如智能手機(jī)對(duì)人的控制程度。在多數(shù)時(shí)候，由于技術(shù)運(yùn)用的諸多阻礙，調(diào)查人員并未真正和技術(shù)進(jìn)行親密接觸，依然保持著技術(shù)的意識(shí)理性。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，在完成技術(shù)嵌入后，不可避免地將進(jìn)入自反性階段。這就推導(dǎo)出一個(gè)不得不面對(duì)的圖景：科技自反性該如何克服？在自反性現(xiàn)代階段，不是人控制技術(shù)，而是人受技術(shù)的束縛與支配。人一刻也不能離開技術(shù)，否則思維就要重置?？梢韵胂蟮膱?chǎng)景是，當(dāng)調(diào)查人員的思維起點(diǎn)已然不是集體決策而是如何通過技術(shù)獲取信息時(shí)，自反性就已經(jīng)形成。

2 交流充電系統(tǒng)充電準(zhǔn)備過程

2.1 充電連接

電動(dòng)車輛用戶打開慢充充電口蓋，按下充電槍機(jī)械開關(guān)S3，將充電槍插入交流充電口。當(dāng)車輛控制裝置檢測(cè)到CC 點(diǎn)電阻阻值為RC+R4 時(shí)，確認(rèn)為充電槍半連接；當(dāng)車輛控制裝置檢測(cè)到CC 點(diǎn)電阻阻值為R4 時(shí)，確認(rèn)為充電槍連接。

充電槍接入汽車后，如果交流充電樁無故障，且確認(rèn)充電槍已連接，由于車載充電機(jī)中分壓電阻的存在，充電樁MCU 檢測(cè)到CP 信號(hào)從12V 跳變?yōu)?V 后，則開關(guān)S1 從12V 連接觸點(diǎn)切換至PWM 連接觸點(diǎn)，供電控制裝置發(fā)出PWM 脈沖電壓信號(hào)。PWM 占空比表示充電樁最大輸出電流。車輛OBC 檢測(cè)到CP 信號(hào)后會(huì)被喚醒，OBC 進(jìn)而喚醒車輛其他控制器，準(zhǔn)備交流充電。

2.2 車輛端準(zhǔn)備

車輛端各控制器喚醒后首先進(jìn)行自檢，確認(rèn)無故障后，會(huì)進(jìn)行控制器間的狀態(tài)確認(rèn)。OBC 會(huì)將充電樁端的CP 信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用充電功率信號(hào)發(fā)給整車控制器（VCU）。電池控制器（BMS）檢查電池的狀態(tài)，發(fā)送電池的SOC、是否允許充電、電池的充電電流限值、電池的充電電壓限值等信號(hào)給VCU。確認(rèn)各控制器的信息后，VCU 控制各控制器執(zhí)行上高壓電的動(dòng)作，使能高壓低壓轉(zhuǎn)換裝置DCDC。完成后確認(rèn)系統(tǒng)充電條件具備的話，發(fā)送充電使能信號(hào)給OBC。OBC 收到充電使能信號(hào)以后，CC/CP 電路閉合S2。

2.3 充電裝置端準(zhǔn)備

S2 閉合后，車輛端的R2 和R3 并聯(lián)，再和交流樁里面的R1 串聯(lián)，通過12V 分壓，CP端子的PWM 電平由9V 變成6V。交流樁收到“6V”PWM 信號(hào)閉合K1 和K2。通俗地說，這時(shí)候電網(wǎng)開始給交流樁供電。充電過程中，CC/CP 電路實(shí)時(shí)檢測(cè)CP 占空比是否正常。

3 交流充電系統(tǒng)常見故障分析

純電動(dòng)汽車在慢充過程中，交流充電樁與車輛不能正常物理連接故障和交流充電樁與車輛已連接卻不充電故障比較常見。下面我們用交流充電控制導(dǎo)引電路原理圖（見圖3）來對(duì)這兩種故障進(jìn)行分析。

圖3 交流充電控制導(dǎo)引電路原理圖

圖4 電動(dòng)汽車交流充電流程圖

（1）插入慢充槍后，儀表顯示充電槍未與車輛連接

故障分析：可能是交流充電樁側(cè)充電槍CC 端子無信號(hào)，導(dǎo)致充電槍無法與車輛建立正常連接。

故障檢修方法：充電槍機(jī)械開關(guān)未按下時(shí)，用萬用表歐姆檔選擇合適的量程，測(cè)量充電槍接口CC 端子與PE 端子之間的電阻，此時(shí)應(yīng)為RC 電阻，正常值應(yīng)為220Ω，若為無窮大，說明CC 與PE 之間出現(xiàn)斷線，若阻值小于0.6Ω，說明出現(xiàn)短路。

充電槍機(jī)械開關(guān)按下時(shí)，用萬用表歐姆檔選擇合適的量程，測(cè)量充電槍接口CC 端子與PE 端子之間的電阻，此時(shí)應(yīng)為RC+R4電阻，正常值應(yīng)為3.5KΩ，若為無窮大，說明CC 與PE 之間出現(xiàn)斷線，若阻值小于0.6Ω，說明出現(xiàn)短路。

故障排除方法：查找斷路或短路線路，更換相應(yīng)線路或者充電槍總成。

表1 CC 端子故障診斷參數(shù)

（2）插入慢充槍，儀表顯示充電槍與車輛連接，車輛無法充電。

故障分析：可能是交流充電樁側(cè)充電槍CP 端子無信號(hào)，導(dǎo)致交流充電樁無法正常與車輛實(shí)現(xiàn)握手，也就是信息交互。

故障檢修方法：用萬用表檢測(cè)充電槍CC端子與PE 端子之間電壓，應(yīng)為12V，若電壓值正常，則利用示波器讀取車輛充電時(shí)，CP 端子對(duì)外輸出PWM 信號(hào)電壓波形，正常PWM 信號(hào)波形圖如圖5。

圖5 CP 信號(hào)波形

圖6 EV450 充電系統(tǒng)原理圖

充電槍正常連接后，R1 電阻接入電路，充電樁MCU 檢測(cè)到CP 信號(hào)從12 V 跳變?yōu)?V，然后開關(guān)S1 從12V 連接觸點(diǎn)切換至PWM 連接觸點(diǎn)，供電控制裝置發(fā)出9V 脈沖電壓信號(hào)（PWM 信號(hào)）。OBC 收到充電使能信號(hào)以后，CC/CP 電路閉合S2，CP端子的PWM 電平由9V 變成6V。若發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)CP 信號(hào)波形異常，則可能是車輛OBC故障、動(dòng)力電池BMS 系統(tǒng)故障等，需要進(jìn)一步檢測(cè)故障。

4 交流充電系統(tǒng)故障案例

案例介紹：一輛吉利帝豪EV450 轎車，電池電量不足，連接充電設(shè)備至外部交流插座，按壓充電槍鎖止開關(guān)，連接至車輛慢充接口，釋放充電槍鎖止開關(guān)，充電設(shè)備電源指示燈正常，此時(shí)充電槍鎖無動(dòng)作，充電槍無法鎖止。觀察儀表上充電指示燈、充電連接指示燈均不亮。打開一鍵啟動(dòng)開關(guān)，動(dòng)力蓄電池SOC 顯示條不閃動(dòng)，同時(shí)充電器上充電狀態(tài)指示燈閃爍，顯示“未連接”信息，車輛無法充電。車輛行駛正常，儀表板未提示相關(guān)故障信息。

故障原因：充電連接確認(rèn)（CC）信號(hào)故障

故障機(jī)理分析：CC 信號(hào)存在故障，將造成車載充電機(jī)OBC 沒有接收到充電連接信號(hào)CC，從而無法確認(rèn)充電槍連接狀態(tài)，因此無法完成充電引導(dǎo)程序，造成車載充電機(jī)OBC無法啟動(dòng)，車輛無法充電。