淺析電動汽車交流充電系統的工作原理及故障診斷

深圳市龍崗職業技術學校 易小彪

1 電動汽車交流充電系統工作原理

《電動汽車傳導充電系統 第1部分：通用要求》（GB/T 18487.1—2015）將電動汽車充電模式分為4種，充電模式1是使用家用交流電直接對車輛進行充電，由于沒有加裝纜上控制保護裝置（IC-CPD，執行控制功能和安全功能），該充電模式已經被禁止使用；充電模式2是在充電模式1的基礎上加裝IC-CPD，使車輛可以安全使用家用交流電進行充電；充電模式3是使用交流充電樁對車輛進行充電；充電模式4是使用直流充電樁對車輛進行充電（即快充）。GB/T 18487.1—2015中將車輛充電連接方式分為3種，連接方式A是將電纜組件集成在車輛上，該連接方式較少被使用；連接方式B是使用獨立的電纜組件，電纜組件兩端為可拔插的車輛插頭和供電插頭，該連接方式適用于單相交流電，充電電流小于32 A；連接方式C是將電纜組件集成在充電樁上，該連接方式適用于三相交流電（也適用于單相交流電），充電電流大于32 A。另外，連接方式A、連接方式B、連接方式C適用于充電模式3。

如圖1所示，電動汽車交流充電控制系統主要由電動汽車交流充電裝置、車載充電機、動力電池管理系統（BMS）、高壓配電箱、高壓動力電池、直流電壓轉換器（DC/DC）及低壓蓄電池等部件組成，除電動汽車交流充電裝置外，其他部件都安裝在車輛內部。

電動汽車單相交流充電工作電路如圖2所示，該電路由供電控制裝置、剩余電流保護裝置、接觸器（K1、K2）、電阻（R1、R2、R3、R4、RC）、二極管（D1）、開關（S1、S2、S3）、車載充電機及車輛控制裝置等部件組成，在給車輛充電時，僅需十幾秒即可完成充電連接過程。

圖1 電動汽車交流充電控制系統示意圖

電動汽車充電過程包括車輛與充電槍連接、車輛與充電裝置確認充電、車輛開始充電及車輛解除充電4個步驟。

（1）車輛與充電槍連接時，充電槍中的電阻RC通過接口CC與接口PE連接到電路中，車輛控制裝置（集成在車載充電機或其他車載控制單元中）通過測量檢測點3與接口PE之間的電阻大小，判斷充電槍是否已經與車輛插座連接。當連接完成后，車輛控制裝置通過CAN網絡向組合儀表發出連接完成信號，組合儀表上的充電指示燈點亮。

（2）在充電槍與車輛連接完成后，供電控制裝置與開關S1、電阻R1、二極管D1、電阻R3及車身搭鐵之間形成回路。通過檢測點1的12 V電壓經R3分壓成9 V電壓，電動汽車交流充電裝置測量到檢測點1的電壓變化后，控制開關S1接通到PWM端。供電控制裝置通過接口CP給車輛控制裝置提供一個±12 V的方波脈沖控制信號，在充電時，車載充電機將通過測量傳遞到車輛控制裝置的方波脈沖信號，來監控車輛的充電狀態，確保充電過程安全。

圖2 電動汽車單相交流充電工作電路

（3）在車輛與充電槍連接完成、車輛與充電裝置確認充電后，還需開關S2閉合才可以開始充電。開關S2是車輛內部開關，受車輛控制裝置控制，只有在充電槍與車輛完全連接，充電槍接口電子鎖完全被鎖止且車載充電機、BMS、DC/DC等高壓控制單元完成自檢，確認沒有故障后，車輛控制單元才會控制開關S2閉合。開關S2閉合后，電阻R2與電阻R3并聯，檢測點1處的電壓由9 V變成6 V，電動汽車交流充電裝置測量到檢測點1的電壓變化后，控制接觸器K1與接觸器K2閉合，此時車載充電機接通220 V交流電，220 V交流電經車載充電機升壓整流后給高壓動力電池進行充電。BMS實時監控充電過程中高壓動力電池電壓及高壓動力電池溫度等數據（單節電池電壓為3.6 V～3.7 V，單節電池的電壓差小于0.5 V；單節電池溫度溫度為0 ℃～50 ℃，單節電池溫度差小于15 ℃），確保充電過程安全，如果發現故障，可以立即停止充電。

（4）解除充電可分為未充電完成直接將充電槍與車輛脫開及充電完成后車輛交流充電裝置自動斷開充電兩種。若未充電完成直接將充電槍與車輛脫開，此時需要按下充電槍上的下壓按鈕（用以觸發機械鎖裝置），此時開關S3將斷開（解除充電開關，為常閉狀態，與充電槍上下壓按鈕聯動），充電將停止并解除充電槍接口電子鎖；若充電完成車輛交流充電裝置自動斷開充電，BMS通過CAN網絡與車輛控制裝置通信，開關S2斷開，此時檢測點1的電壓將由6 V變成9 V，電動汽車交流充電裝置測量到檢測點1的電壓變化后，控制接觸器K1與接觸器K2斷開，此時充電將停止并解除充電槍接口電子鎖。

2 電動汽車交流充電系統故障診斷

故障現象 一輛2017款比亞迪E5車無法使用交流電充電，直流電充電正常。

故障診斷 接車后首先試車，按下起動按鈕對車輛上電，車輛可行駛信號燈（OK燈）點亮，由此說明車輛已經滿足可以行使的必要條件。將充電槍與車輛連接，組合儀表充電指示燈不點亮，由此說明車輛無法正常充電。

將充電槍與車輛連接后，使用故障檢測儀檢測，故障檢測儀無法進入雙向逆變充放電式電機控制器（VTOG）、BMS、DC/DC等高壓控制單元，并無法讀取系統故障代碼及數據流。

查看比亞迪E5車交流充電控制原理圖（圖3），與前文介紹的交流電充電原理相同，但在結構分布上有所差別，充電過程主要分為以下2個階段。

（1）充電槍連接確認階段。充電槍與車輛連接后，VTOG檢測到充電槍中的電阻RC連入電路中，VTOG輸出充電槍連接完成信號給車身控制單元（BCM），BCM接收到VTOG傳輸過來的信號后，控制雙路繼電器（在車輛起動上電及車輛充電時，該繼電器均工作）給VTOG、BMS、DC/DC等高壓控制單元提供12 V電壓，各控制單元接收到12 V電壓后便進行自檢。

（2）充電槍供電充電階段。當各控制單元自檢完成，便會進入充電階段。BMS控制高壓動力電池內的接觸器、配電箱中的預充接觸器吸合進行預充，預充完成后，VTOG通過接口CP傳輸過來的方波脈沖控制信號控制交流充電槍內交流接觸器吸合，并斷開配電箱中的預充接觸器，交流充電槍輸出的220 V電壓進入VTOG輸入端，經升壓整流后給高壓動力電池進行充電。

根據比亞迪E5車交流充電控制原理，初步判斷故障產生的可能原因有隨車充電槍及相關電路故障、VTOG及其相關電路故障、雙路繼電器及其相關電路故障等。

首先檢查隨車充電槍及其相關電路是否故障（圖4），將隨車充電槍供電插頭連接完成，使用萬用表測量充電槍車輛插頭端，測得隨車充電槍接口CC與隨車充電槍接口PE之間的電阻為1.5 kΩ，正常；隨車充電槍接口CP與隨車充電槍接口PE之間的電壓為12.3 V，正常；隨車充電槍接口L與隨車充電槍接口N之間的電壓為0 V，正常。由于隨車充電槍接口CP端的方波脈沖控制信號是在車輛充電情況下由供電控制裝置進行控制，所以通過檢測隨車充電槍接口CP端的靜態電壓不能完全確定隨車充電槍是否故障。正好有新的隨車充電槍，便將新的隨車充電槍與車輛連接，結果故障依舊，由此說明隨車充電槍沒有故障。

使用萬用表測得車身接口L與車身接口N到VTOG線路導通性正常，車身接口PE與車身搭鐵之間導通性也正常。脫開VTOG導線連接器B28A（圖5），使用萬用表測得車身接口CC與VTOG導線連接器B28A端子13及車身接口CP與VTOG導線連接器B28A端子47之間的線路電阻均小于1 Ω，電阻正常。

圖3 比亞迪E5車交流充電控制原理圖

圖4 隨車充電槍接口圖

圖5 VTOG相關電路

圖6 雙路繼電器相關電路

接著檢測VTOG供電線路，由于VTOG是由雙路繼電器進供電，因此檢查雙路繼電器及其相關電路是否正常。查看雙路繼電器相關電路（圖6），發現雙路繼電器直接由BCM控制，車輛起動上電時，由鑰匙和進入系統確認后，BCM控制雙路繼電器工作給高壓電控單元供電；車輛充電時，由供電控制裝置與VTOG確認后，BCM控制雙路繼電器工作給VTOG、BMS、DC/DC等高壓控制單元供電，實現車輛交流充電。

將充電槍與車輛連接，使用萬用表測得熔絲F2/4兩端電壓為12 V，電壓正常，熔絲F2/32與熔絲F2/33兩端電壓均為0 V（充電情況下應為13.6 V），不正常，說明雙路繼電器在充電情況下并沒有工作。因為車輛上電后OK燈可以正常點亮，所以雙路繼電器是正常的，因此重點檢測VTOG至雙路繼電器之間的控制電路。檢測BCM導線連接器G2P端子5與車身搭鐵之間電壓，為0 V（正常值為12 V），不正常；將充電槍與車輛脫開，并脫開BCM導線連接器G2P，測得BCM導線連接器G2P端子5與車身搭鐵之間的電阻約為76 Ω（雙路繼電器控制線圈），正常，由此說明BCM并沒有輸出電壓控制雙路繼電器工作。

脫開VTOG導線連接器B28A及BCM導線連接器G2R，使用萬用表測得VTOG導線連接器B28A端子12與BCM導線連接器端子17之間的電阻為∞，不正常。脫開導線連接器BJG05，測得VTOG導線連接器B28A端子12與導線連接器BJG05端子26之間電阻小于1 Ω，正常，由此確定導線連接器BJG05端子26與BCM導線連接器G2R端子17之間線路斷路。

故障排除 檢查導線連接器BJG05端子26及BCM導線連接器G2R端子17，發現導線連接器BJG05端子26退針松脫（圖7）。將導線連接器BJG05端子26復位，裝復各導線連接器，將充電槍與車輛連接，此時充電正常，使用萬用表測量熔絲F2/32、熔絲F2/33之間電壓均為13.8 V，正常，至此故障排除。

因為電動汽車充電不當會埋下高壓動力電池著火的隱患，因此確保充電安全十分重要，以安全優先的原則設計邏輯控制關系，交流充電涉及的控制單元較多，充電邏輯關系復雜，因此在遇到故障維修時，需要厘清工作原理，再對故障進行排查。

圖7 導線連接器BJG05端子26退針松脫