電動(dòng)汽車用直流快充的策略研究

徐 悅 Xu Yue

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電動(dòng)汽車用直流快充的策略研究

徐 悅 Xu Yue

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

結(jié)合某款物流車快充方案的制定，基于國(guó)標(biāo)規(guī)定的快充技術(shù)文件，提出并探討了一種快充方案，為了避免國(guó)標(biāo)中提出的只有操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作后才可斷開(kāi)充電過(guò)程，分析對(duì)比4種方案的可行性，確定只有全部喚醒各個(gè)低壓控制器才可滿足車輛的用電需求的方案，采用CMA31繼電器來(lái)休眠低壓器件ECU，最后制定這種方案下的具體快充流程。對(duì)直流快充策略的研究以及以后類似純電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)中采用快充方案打下了良好的基礎(chǔ)。

電動(dòng)汽車；直流快充；快充流程；策略

隨著國(guó)家和地方政策的實(shí)施，新能源與節(jié)能汽車越來(lái)越受到重視，其中電動(dòng)汽車由于其零排放、省油等高環(huán)保效益深受消費(fèi)者信賴，然而面對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展，許多技術(shù)還存在不足和缺陷，如直流快充技術(shù)，快充一方面能快速給汽車補(bǔ)電，提高續(xù)駛里程，另一方面對(duì)汽車零部件也提出更高要求，如動(dòng)力電池，所以針對(duì)目前快充技術(shù)現(xiàn)狀，首先分析該技術(shù)的普遍原理，然后對(duì)存在的問(wèn)題提出對(duì)策，制定快充流程，最后給出總結(jié)。

1 快充標(biāo)準(zhǔn)

在制定電動(dòng)汽車直流快充策略中，目前只有以下國(guó)標(biāo)可供參考，分別是：

1）GB/T 20234.1—2015電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第1部分：通用要求；

2）GB/T 20234.3—2015電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第3部分：直流充電接口；

3）GB/T 27930—2015電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議。

這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也只是提供快充硬件連接和通信接口協(xié)議，而對(duì)快充中如何進(jìn)行信號(hào)確認(rèn)，控制器ECU喚醒及休眠方式和休眠順序沒(méi)有定義，這就造成在界定控制器具體工作時(shí)存在模糊性。

2 快充策略

如圖1所示，對(duì)于低壓輔助供電回路繼電器K3、K4，只有當(dāng)操作人員實(shí)施停止充電指令時(shí)，才斷開(kāi)該繼電器，停止給低壓電器供電，低壓器件休眠。如果沒(méi)有人員手動(dòng)斷開(kāi)充電槍連接，該繼電器不會(huì)斷開(kāi)，喚醒的控制器也不會(huì)休眠（標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234.3）。所以在制定快充策略時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如果沒(méi)有操作人員在現(xiàn)場(chǎng)操作，快充不會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，導(dǎo)致部件一直耗電，對(duì)車輛用電平衡策略和安全會(huì)造成較大隱患。

圖1 直流充電系統(tǒng)連接接口方案

某款純電驅(qū)動(dòng)物流車在開(kāi)發(fā)直流快充過(guò)程中，主要存在如下問(wèn)題：

1）快充過(guò)程中VCU（Vehicle Control Unit，整車控制單元）需不需要喚醒；

2）DCDC需不需要喚醒。

針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，首先調(diào)研了非車載充電設(shè)備輔助電源的供電能力，見(jiàn)表1。現(xiàn)在大多數(shù)車型啟動(dòng)時(shí)用直流充電設(shè)備電源喚醒，后續(xù)用車載電源供電。各個(gè)廠家的輔助電源供電能力基本上大于5A。

各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中只有Q/GCD239—2009《非車載充電設(shè)備輔助電源供電能力》規(guī)定，如果供電能力要求大于5A，則需要供電方案與生產(chǎn)廠家單獨(dú)協(xié)商，調(diào)查各個(gè)廠家的供電能力基本都大于5A。

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930—2015中規(guī)定最后需要關(guān)斷低壓輔助電源。

表1 非車載充電設(shè)備輔助電源供電能力 A

針對(duì)物流車CAN（Controller Area Network）總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D分析，VCU通過(guò)CAN控制DCDC喚醒工作，VCU與BMS（Battery Manager System，電池管理系統(tǒng)）通過(guò)CAN相互進(jìn)行通信。

綜合以上，提出以下4種快充策略，見(jiàn)表2。

表2 4種快充策略

分析各方案的可行性。

1）方案1、2：由于BMS控制快充過(guò)程，DCDC與BMS沒(méi)有通信機(jī)制，喚醒VCU用于控制DCDC對(duì)12V電池充電，而喚醒DCDC也是對(duì)12 V電池充電，防止負(fù)載過(guò)大發(fā)生虧電，但是單獨(dú)喚醒VCU或者DCDC均不能滿足對(duì)負(fù)載供電的要求，單獨(dú)只喚醒一個(gè)兩者之間不能通信，無(wú)法工作。所以快充時(shí)，VCU和DCDC只喚醒一個(gè)的方案不可行。

2）方案3：充電時(shí)，考慮液冷水泵/風(fēng)冷風(fēng)扇啟動(dòng)、各ECU供電等，低壓功耗較大。直流充電機(jī)不能完全滿足，需要喚醒DCDC；而DCDC由VCU控制，高壓繼電器閉合指令由VCU控制，考慮到高壓安全，IPU（Integer Power Unit，電機(jī)控制器）也需喚醒，HVIL（High Voltage Inter-lock，高壓互鎖）回路控制繼電器的驅(qū)動(dòng)電源端，而HVIL回路的12V使能由VCU控制，從長(zhǎng)久方案考慮，充電時(shí)不行車，應(yīng)有VCU檢測(cè)充電槍是否連接進(jìn)行相應(yīng)控制，基于此，VCU需要喚醒。物流車目前方案是由BMS檢測(cè)充電槍是否連接然后轉(zhuǎn)發(fā)給VCU。

3）方案4：結(jié)合以上分析可知，方案4中兩者均不喚醒不可行。

在方案3中，需要采用CMA31繼電器，因?yàn)闆](méi)有大電流二極管，快充時(shí)在高壓快充的低壓輸出與蓄電池正極之間增加一個(gè)繼電器，快充充電槍一插上，BMS等4個(gè)ECU的常火就切換到快充的低壓輸出端。該繼電器原理圖及相關(guān)零部件接口連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 CMA31繼電器原理

綜合以上分析，結(jié)合物流車快充開(kāi)發(fā)需求，針對(duì)快充過(guò)程中的難點(diǎn)提出快充時(shí)需要喚醒VCU和DCDC的策略，考慮到高壓安全需要喚醒其他ECU。

3 快充流程

基于快充策略制定的快充流程如圖3所示。

1）充電握手階段

首先進(jìn)行物理連接，充電槍插合，車輛此時(shí)被鎖止，非車載充電機(jī)控制器檢測(cè)CC1點(diǎn)電壓是否滿足3.2 V≤U1≤4.8 V，判斷接口是否連接，然后非車載充電機(jī)自檢，完成后閉合低壓輔助供電回路接觸器，VCU、IPU、DCDC和BMS喚醒，接著B(niǎo)MS檢測(cè)CC2點(diǎn)電壓是否滿足5.2 V≤U2≤6.8 V，判斷接口是否連接，如果確認(rèn)連接，非車載充電機(jī)與BMS握手完成。

圖3 某款物流車快充流程圖

2）充電匹配階段

按照GB/T 27930—2015標(biāo)準(zhǔn)完成非車載充電機(jī)與BMS充電之間的參數(shù)匹配，各零部件自檢無(wú)故障，此時(shí)BMS閉合充電回路接觸器，執(zhí)行高壓上電，高壓上電成功后進(jìn)入下一階段。

3）充電階段

此階段非車載充電機(jī)控制器閉合直流供電回路接觸器，VCU發(fā)送允許充電命令，BMS接收后開(kāi)始充電，非車載充電機(jī)指示充電。

4）充電結(jié)束

電池充滿后，BMS發(fā)送充滿指令到VCU，VCU接收到后發(fā)送斷開(kāi)繼電器指令，并退出充電模式，此時(shí)BMS斷開(kāi)充電繼電器，充電結(jié)束，VCU發(fā)出高壓下電指令，BMS收到VCU下高壓電指令后，高低壓停止輸出，CAN停止。

以上為快充流程的4個(gè)階段，結(jié)合某款物流車制定。

4 結(jié) 論

介紹了快充技術(shù)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用情況，并根據(jù)國(guó)標(biāo)的規(guī)定闡述了快充國(guó)標(biāo)存在的不足，結(jié)合某款物流車的快充方案分析幾種快充技術(shù)方案的可行性，并確定零部件喚醒策略，制定具體的快充流程。

[1]電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第一部分：通用要求：GBT20234.1-2015[S].

[2]電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第三部分：直流充電接口：GBT20234.3-2015[S].

[3]電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議：GBT27930-2015[S].

2017-11-16

U469.72+2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.02.004

1002-4581（2018）02-0011-04