新能源汽車數字化充電座系統的設計

張艷　徐文強　孫志軍

摘 要：隨著新能源汽車的推廣和使用，市場上使用的新能源充電座仍然存在過熱壽命短等問題，嚴重影響了充電安全。本文設計了一種新型的數字化充電座系統，該設計具備溫度檢測、溫度升高主動保護、插入力檢測和拔插壽命檢測等功能，旨在保障充電安全及提高充電座的使用壽命。

關鍵詞：新能源汽車;充電安全;V2X;數字化充電座

隨著內燃機的發展，汽車成為了居家生活的主要交通工具。然而汽車的發展過大地消耗了地球資源，同時也引起了環境污染。新能源汽車作為發展可替代能源，建設可持續發展低碳社會的重要一部分，越來越受到各個國家的高度重視[1]。

新能源汽車若要跟上發展的腳步，其關鍵技術在于充電接口，而充電接口由插頭和插座組成。現有的新能源汽車充電座在充電過程中還存在過熱、密封性不好等缺陷，作者走訪調查幾家新能源汽車4S店，發現新能源汽車維修更換充電座或者更換插座內的冠簧端子的案例很多，媒體也報道了多起新能源汽車在充電時發生自燃或爆炸事故，嚴重威脅新能源汽車充電系統的安全性與穩定性，也嚴重威脅了社會和個人生命財產安全，不利于新能源汽車在市場上的推行和使用。本文對新能源汽車的充電座存在的問題進行分析，提出一種新型的新能源汽車數字化充電座，旨在有效提升新能源汽車充電座的安全性和使用壽命。

1 新能源汽車充電座存在問題及原因分析[2]

目前市場上的新能源汽車充電座主要存在的問題是過溫以及拔插壽命短，其主要有原因如下：

一是使用環境惡劣或插拔不當。4S店內新能源汽車維修更換充電座的以網約車居多，這類車通常在公共充電站進行充電，這類場所一般灰塵、雜物較多;充電站也沒有規范的充電操作管理，使用者充電結束后隨地放置充電槍，對車輛充電座也缺乏規范的維護保養，使充電槍和充電座中都存在雜質，導致充電槍無法正常插入充電座中。如用力過大可能會導致端子產生形變，從而使端子與充電槍接觸面變小，引起高壓充電座溫度過高，直接會導致充電座的損壞及燒蝕。

二是充電座的溫度檢測不到位。國標中已要求充電座必須有溫度檢測的功能[3-4]，但僅靠充電座的溫度檢測功能并不能準確地檢測到充電的實際最高溫度點，并且市場上部分溫感布置于充電座殼體內部（并未與端子直接接觸），其檢測的溫度與實際最高溫度最大相差可達60℃以上。因為溫度檢測的偏差，直接導致車輛的保護程序無法準確保護車充電座，有可能導致充電座被擊穿或其他充電安全問題等。

三是端子氧化的惡性循環。由于使用環境以及產品本身的原因和溫度保護的缺失，導致充電座的端子溫度不斷升高產生氧化物，隨著這些氧化物的持續堆積，端子表面有效接觸面積也越來越小，接觸電阻不斷增加，而在下次充電時溫度又會上升，形成惡性循環，最終將導致充電座氧化嚴重無法繼續使用。

針對以上存在的問題，需要設計一個能夠更加準確監測充電座充電時的溫度和充電時的插拔力的裝置，能夠及時提醒駕駛員充電狀態和充電座的使用壽命，避免充電安全故障。

2 新能源汽車數字化充電座系統的設計

新能源汽車充電過程中，必須有一些保護和檢測措施來保障充電安全，防止發生故障時對車輛或設備甚至對人體造成傷害。作者設計的新能源汽車數字化充電座系統，架構如圖1所示，主要包括帶有MCU（微控制單元）充電座、各種智能傳感器（溫度傳感器、壓力傳感器、微動開關、電子鎖、GPS等）、車聯網V2X（Vehicle to Everything）、手機APP等。其功能是在充電時如果出現充電座溫度升高時進行主動保護，并且對充電座插入力和插拔壽命進行檢測，從而保障充電安全，提高充電座的機械壽命。

2.1 面向5G-V2X車聯網芯片技術

車聯網（Vehicle to Everything，簡稱 V2X）是未來智能交通運輸系統的關鍵技術。它是搭載先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，并融合現代通信與網絡技術，實現車與X（人、車、路、后臺等）智能信息的交換共享，具備復雜的環境感知、智能決策、協同控制和執行等功能，可實現安全、舒適、節能、高效行駛，并最終可替代人來操作新一代汽車[5]。

隨著5G時代的到來，面向5G-V2X車聯網芯片技術是智能網聯汽車的中樞神經系統，當前汽車普遍搭載微控制單元（MCU）用于車身電子、底盤電子以及智能座艙的子系統運算控制，汽車行駛中的安全控制等[6]。本設計是新能源汽車使用裝有智能傳感器的數字化充電座向動力電池充電時，依靠5G-V2X車聯網芯片技術集合車載充電機、充電座狀態、車輛狀態、充電樁充電槍狀態等信息傳遞給微控制單元（MCU），MCU經過一系列計算分析，調節車輛充電狀態，保障充電安全。通過手機App與新能源汽車的互聯，幫助車主掌握愛車的充電狀態，也可以隨時聯系客戶中心。如圖2所示。目前中移智行OSCAR平臺已經實現了一些具體功能，包括查看新能源汽車電池的充電狀態;使用充電預測器預測電池充滿電的時間和進度;通過點擊手機屏幕，訪問客戶中心等等。

2.2 數字化充電座

這是一種新型的數字化充電座，在滿足國標的要求下，充電座上安裝有溫度傳感器、微動開關（計數）、壓力傳感器、電子鎖等，同時在充電座內設有一個微控制單元MCU，當各傳感器檢測到端子溫度、插入力和拔插次數等信息后傳給MCU，MCU通過計算比較以后一方面通過儀表顯示屏給駕駛員提供警示信息，另一方面反饋到電池管理系統BMS、整車控制器VCU、網關Gateway、遠程車載處理器T-Box等系統作出及時反饋，確保充電時的安全。如圖3所示。

（1）充電座溫度升高主動保護檢測。在新型的充電座中安裝溫度升高主動保護檢測裝置，在高壓充電座連接器正負極端子之間安裝PT1000溫度傳感器，溫度傳感器通過低壓線纜連接低壓繼電器的控制端，低壓繼電器的開關端串聯到整車的高壓環路互鎖回路，繼電器的另一端接整車的低壓12V電源。繼電器的開關端串接在整車的充電HVIL中，通過控制端的溫度傳感器阻值的變化（阻值隨溫度的變化而變化），實現繼電器開關端的閉合和斷開。電池管理系統（BMS）有一個溫度設定值T和電流設定值A。當插入充電槍，發出充電請求時，當充電端子的溫度小于T時，繼電器控制端的電流最小為A，繼電器開關端閉合即VHIL回路閉合，BMS實現充電功能。當充電端子溫度升高大于T時，則溫度傳感器阻值也升高，這樣繼電器控制端的電流低于A， 那么繼電器的開關端斷開和HVIL回路斷開，BMS同時斷開高壓回路的充電繼電器，整車即停止充電，同時BMS通過CAN總線輸送信號到儀表盤上以提示駕駛員車輛充電系統有故障信號。