基于整車的充電控制流程設計

劉寶泉

(威馬汽車科技集團有限公司，浙江溫州 325000)

0 引言

純電動汽車是新能源車的主要發展方向，其動力能源通過充電系統獲得，包括直流充電系統(俗稱“快充”)、交流充電系統(俗稱“慢充”)等。直流充電時依托外部大功率的直流充電機，可直接對電池包充電，滿足充電電流大、時間短的充電需求。交流充電時依托于內置的車載充電機，將外部充電樁提供的交流電轉化為高壓直流電，再對電池包充電，電流小、時間長，但對電池電化學損傷最小，更適用于廣大車主日常充電需求。為安全、可靠、快捷地完成充電過程，本文作者將整車控制器VCU作為 “主機”，其他多個控制器作為“從機”，充電過程中接受VCU控制，實現緊密通信、聯調和動作。

1 純電動汽車充電電氣系統架構

充電電氣系統為整車電氣架構的重要組成部分，可分為動力電池系統、車載充電機(OBC)、電池管理系統(BMS)、整車控制器(VCU)、高壓附件等。

其中動力電池系統是核心，由若干個電芯通過不同的串并聯方式連接組成的電池包，可以充電及放電;電池包的電壓平臺、充放電功率、充放電電流等參數是按照整車的動力需求配置的，通過選用不同類型的電芯、串并聯組成方式，實現安全可靠的快速充電、大電流輸出、較小的容量衰減等特性; 內含電池管理系統(BMS)、熔斷器、接觸器、匯流排、熱管理組件、電池包箱體、采樣及通訊線束、電流傳感器等,并設置多個高壓輸入輸出接口：輸出+、輸出-、快充+、快充-、慢充+、慢充-、高壓附件+、高壓附件-等。

充電系統滿足相關國標要求，例如：GB/T 18487.1電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求[1]、GB/T 27930電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議。

表1為各部件縮略語及其定義，圖1為充電電氣系統架構圖。

圖1 純電動汽車充電電氣系統架構

表1 縮略語及其定義

2 交流充電控制流程

2.1 前期階段

OBC對充電槍插入后CC、CP信號的識別[2]，安全起見VCU控制INV靜止及判定其他控制器信號，確保整車處于靜置狀態，隨后鎖充電槍鎖止，同時VCU進行高壓自檢,包括：OBC故障狀態、BMS故障狀態、絕緣值正常、高壓互鎖狀態、空調故障狀態等。OBC內部S2開關導通，BMS在VCU命令下閉合繼電器，預充電后高壓連接完成。為保障整車低壓供電正常，VCU使能DCDC工作。

2.2 中期階段

BMS在CAN總線上實時發送最大允許充電電流、電壓，并控制交流充電繼電器閉合。隨后VCU允許交流充電并輸出最大充電電流電壓(即最大允許充電功率)。OBC反饋自身最大充電功率，并比較二者功率取其小作為實際輸出功率。

充電開始后，OBC按照BMS、VCU輸出的最大充電電流電壓對充電功率進行實時調整。

2.3 后期階段

當電芯電壓達到截止條件，BMS向VCU發送充電停止請求，VCU命令OBC停機并解鎖電子鎖，BMS斷開交流充電繼電器。如果整車在ON擋，則按照駕駛員意圖決定是否正常下電。如果處于OFF擋，則整車自主下電，包括DCDC停機、高壓連接斷開、各控制器休眠等。

詳細交流充電控制流程如圖2所示。

圖2 交流充電控制流程

2.4 異常處理

前期階段如遇到CC或CP信號異常、其他控制器存在故障碼、車輛移動、絕緣值偏低、高壓互鎖斷路等情況，VCU禁止OBC交流充電，電子鎖解鎖；如僅存在電子鎖未鎖止到位情況，為避免插接處接觸不良引起過熱或燒蝕，OBC將降低輸出功率及電流。

中期階段如遇到CP或CC信號值異常、電池過壓、溫度過高、充電座過熱、OBC內部硬件故障、充電樁異常斷電等情況，BMS、OBC報出故障碼及故障等級并請求停止充電或降低功率，VCU允許后故障顯示在儀表上提示駕駛員。

后期階段，如遇到電子鎖無法自動解鎖情況，OBC將狀態反饋VCU，后者強制解鎖或儀表提示駕駛員手動解鎖。

3 直流充電控制流程

3.1 充電過程

當充電槍插入，A+硬線喚醒BMS，判定CC2信號正常后硬線喚醒VCU。VCU控制INV靜止及判定其他控制器信號，確保整車處于靜置狀態。BMS向VCU發送充電請求，VCU開始高壓自檢，包括：絕緣值正常、高壓互鎖未斷路、各控制器無嚴重故障碼等。無異常后命令BMS高壓連接，繼電器在BMS控制下依次閉合，預充電后高壓連接完成。BMS發送PACK當前最大允許充電電壓電流。VCU使能DCDC工作，為蓄電池補電及整車低壓供電。VCU允許直流充電，隨后BMS與充電樁通信交互，握手、充電參數配置，閉合充電正繼電器，開始充電。

充電中BMS請求的電壓電流實時變動[3]，充電樁輸出的電壓電流隨之調整。二者監控充電過程中的異常狀態。當達到充電截止或異常終止條件時，BMS或充電樁反饋充電停止，直流充電繼電器斷開，狀態反饋VCU。如果整車在ON擋，則按照駕駛員意圖決定是否正常下電。如果處于OFF擋，則整車自主下電，包括DCDC停機、高壓連接斷開、各控制器休眠等。

詳細直流充電控制流程如圖3所示。

圖3 直流充電控制流程

3.2 異常處理

如遇到CC2信號異常、A+喚醒失敗、BMS或VCU存在故障碼、車輛移動、絕緣值偏低、高壓互鎖斷路等情況，VCU禁止直流充電。

如遇到電池過壓、溫度超限、電流超限、充電座過熱、樁車連接異常、充電樁內部異常等情況，充電樁與BMS通過CAN通訊相互反饋[4]，同時BMS報出故障碼及故障等級，停止充電或降低功率，故障顯示在儀表上提示駕駛員。

4 結束語

通過提升整車控制器VCU控制等級，在充電各個階段中VCU參考多個維度的信號值去判斷整車狀態，允許或禁止充電、開始或結束充電，其他控制器服從其控制，從而使整個充電過程信息周全、快捷有效、安全可靠。文中論述的基于整車的充電控制策略，為純電動汽車充電控制流程設計提供了一種新的思路。