低溫下充電槍充電中斷故障分析與改進

朱燕燕

（上海元城汽車技術有限公司，上海200000）

1 充電系統概述

動力電池為當前電動汽車的主要動力源，其最主要的一個特征為可進行反復充電。交流慢充和直流快充為當前動力電池進行外接電源充電的主要方式。

交流慢充充電：通過車載充電機將單相交流電轉換為高壓直流電后再輸送給動力電池，充電功率取決于充電機的功率。交流慢充可采用家用單相交流充電和充電樁單相交流充電，主要由整車控制器、車載充電機、交流充電插座、動力電池及組合儀表指示燈等組成，車輛單獨配備充電槍。

直流快充充電：通過非車載充電機采用大電流給動力電池直接充電，使動力電池在短時間內（目前上市的車輛多宣稱半個小時）可充至80% 左右的電量，主要包括整車控制器（VCU）、充電樁( 含充電槍)、直流充電插座、動力電池、組合儀表等。

電池管理系統(BMS)：通過對充電狀態進行監視，同時與充電樁或車載充電機進行通信，從而共同對電動汽車實現智能化控制。

車載充電機：車載充電機具有為動力電池提供自動、安全充電能力，通過恒壓、恒流控制，同時對充電功率根據充電狀態進行調整，將220V 交流電轉換為直流電進行充電，從而實現電動汽車充電的智能化控制。

2 交流慢充充電原理

（1）當充電槍連接交流電源與車載充電機（OBC），OBC 通過檢測CC 點電阻判定充電槍是否連好；（2）OBC 自檢完成無故障，向整車控制器(VCU)發出喚醒信號及充電連接信號（CC 信號），VCU收到信號后，喚醒電池管理系統（BMS）并發送慢充指令；（3）BMS收到慢充指令后，閉合高壓繼電器，同時向OBC 發送電池充電請求；（4）OBC閉合S2 開關，根據BMS 充電需求來調整充電電壓和充電電流以保證充電過程正常，在充電過程中，OBC和BMS 實時發送各自的充電狀態。

3 交流充電系統工作過程

3.1 交流充電啟動時。車輛插頭與車輛插座連接后，OBC 檢測CC、CP 信號正常，電子鎖閉合且自身無故障時，OBC發送充電允許命令給VCU，VCU控制BMS進入慢充狀態，當完成預充且繼電器閉合后，VCU判斷整車放電回路閉合認為車輛可以充電，則VCU發送充電使能給OBC 和DC/DC，即VCU 和OBC 握手成功。VCU需等待所有高壓互鎖信號為閉合狀態，并檢測到各高壓用電器為關閉狀態，檢測到BMS 狀態為待機狀態，才能控制BMS 上高壓進行充電。

3.2 交流充電中。充電連接正常并完成充電喚醒后，充電機依據電池管理系統（BMS）提供的需求電壓、電流，能動態調節充電電流或電壓參數，執行相應的動作，BMS實時監測電池包內單體電池電壓、電流、溫度，防止電池過充、溫度過高，否則限制供電功率，甚至停止充電。

充電機會將單相220V交流電轉化成直流電，通過VCU控制，并按照BMS請求的電流和電壓輸出給電池。

充電狀態在充電過程中通過充電口指示燈顯示，同時儀表顯示充電電流、電壓、故障燈信息、充電連接狀態及SOC值等。

3.3 交流充電結束時。BMS發送交流充電狀態給VCU，當VCU通過SOC值檢測到BMS交流充電狀態為完成時，由VCU發起下電，結束交流充電。

如果VCU需求結束充電，則發送VCU停止充電信號，OBC檢測到VCU脫手，則結束充電，脫手成功。

如果通過拔掉車輛插頭、或者供電插頭來停止充電，由OBC發起下電，OBC需求結束充電，并先結束充電，VCU檢測到OBC脫手，VCU響應脫手并發送脫手成功信號，結束交流充電，VCU控制整車下電。

4 電池熱管理

為避免工作、安全性能由于動力電池內部溫度過低、過高產生影響，要求保障動力電池能夠在預期的溫度區間正常進行工作。BMS 檢測并發送電芯極值（最高、最低）溫度、進水口溫度、出水口溫度、熱管理請求給VCU，VCU 通過控制水泵、WPTC、空調壓縮機的工作狀態來調整電池包冷卻液的溫度、循環狀態，以實現對電池溫度的調節。

熱管理回路：單獨的加熱回路：由水泵、WPTC、水管組成；冷卻回路與駕駛艙共用，通過熱交換器間接聯通兩個回路。

充電加熱策略：當VCU 檢測到電芯溫度低于閾值時，開啟水泵、WPTC，通過電池包內的冷卻液加熱電芯。慢充加熱控制策略：電芯最低溫度T<-30℃，無法充電；-30℃≤T<-10℃，充電電流只用來給水泵、WPTC供電；-10℃≤T<8℃，充電電流給水泵、WPTC供電的同時，也給電池充電；T≥8℃，水泵、WTPC停止工作。

5 故障分析與解決

5.1 故障情況。由于此前天津的客戶反饋在交流慢充電過程中頻繁跳槍，交流充電中斷。本文基于現場數據分析進行分析：電芯溫度-4℃，交流充電起始BMS 請求電流為4.9A；進入充電過程約30s 后，WPTC 請求功率3KW 即需求電流8.62A,BMS 請求電流提高到11.1A；請求電流達到11.1A 后，OBC 輸入電流很快增大到18A；OBC輸入電流達到18A后約8s,因隨車使用的是16A 交流充電槍，需求電流大于充電槍的輸出能力，導致充電中斷。

5.2 故障分析及解決。當電芯溫度低于0℃時，為了防止放電電流大于電池請求的電流，導致電池包過放。BMS會請求整車熱管理進入恒功率模式；恒功率模式加熱模式下，BMS會在請求電流中加入外部負載的電流；同時BMS需要考慮CC/CP/OBC發送的電流限制，最終輸出一個滿足所有需求的請求電流。

I1：電池電流（DC）

I2：充電機電流=P/U（DC）

I3：WPTC電流U/Rptc（DC）

I4：充電樁電流（AC）

Ibms：電池BMS 的請求電流（統一換算為DC或AC來比較）

WPTC未開啟時：IbmsRq=min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）

WPTC開啟初期：IbmsRq=min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）

WPTC開啟穩定后：

IbmsRq1=min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）+I3

即交流慢充時充電外部負載加熱WPTC 未開啟時，BMS 的請求電流為電池電流I1，充電機電流I2和充電樁電流I4的極限值取最??；交流慢充時充電加熱WPTC開啟時，BMS的請求電流為電池電流I1，充電機電流I2和充電樁電流I4的極限值的最小值加上WPTC的需求電流；

結合故障案例中的數據，在實際實現中，恒功率加熱模式下，BMS只增加了負載電流，未考慮CC，CP 和OBC 功率對請求電流的限制，導致交流側電流過大，充電盒保護，中斷充電。用算式表示故障現象即IbmsRq1=min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）+I3＞I4

對BMS修改如下：

Ibms2Rq=min（min（I1lmt，I2lmt，I4lmt）+I3），I2lmt，I4lmt）

BMS增加了負載電流后，充分考慮CC，CP 和OBC 功率對請求電流的限制，取最小值。

5.3 故障總結。本次故障的原因為在軟件代碼實現中，恒功率加熱模式發送的請求電流，未考慮CC，CP 和OBC功率對請求電流的限制，導致請求電流大于實際充電槍的能力，充電盒保護引起的充電中斷。查閱之前環境倉測試數據發現，當時使用的槍線為32A，并不是客戶端使用的16A配置，導致早期實驗中未發現該問題；在后續實驗中要增加單元測試/HIL測試/實車測試案例，確保后續開發過程中不再發生類似問題。

6 總結和展望

本文著重對低溫環境下交流充電失敗的案例進行分析、研究并提出改善對策，通過具體案例的分析、解決和反思。對今后在開發這種系統性軟件邏輯問題上要從客戶的使用場景出發，對每一個模塊做好細致的理論分析與計算，保證每個場景的邏輯的正確性和完整性，實驗的時候要從單元測試軟件、閉環測試和實車測試進行，確保實驗的充分有效性，整車實驗中要結合實車的軟硬件狀態和實車的場景盡可能全面的模擬到，這樣才能使我們的開發水平和設計能力得到不斷的升華與提高。