基于電動汽車充電系統的幾點分析

劉忠明

摘 要：隨著《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》等相關文件的出臺，進一步表明國家對加速發展電動汽車這一行業的決心，充電系統是電動汽車核心技術之一，它能夠把外部的電能通過化學反應的方式儲存在電池內部，以備車輛使用，而往往充電時間主要取決于充電機功率的大小，功率越大充電時間越短反之俞長。本文主要以比亞迪E5車型為對象，分別從充電系統的構成、充電槍電子鎖、慢充控制策略、充電失效幾個方面進行簡要闡述分析，以供學習參考使用。

關鍵詞：電動汽車 充電系統 比亞迪E5

1 充電系統的構成

1.1 結構構成

純電動汽車的充電系統主要由車外的充電設施及車上的車載充電兩大部分組成，車外部分主要包含直、交流充電樁，充電線束，充電槍以及隨車充電寶組成，而車載充電裝置主要由直、交流充電口、車載充電機OBC、高壓分線盒、高壓線束、動力電池、電池管理系統BMS以及接觸器等組成。

1.2 充電流程

電動汽車充電方式可分成直流充電和交流充電兩種，常用的交流充電樁功率為3.5KW、7KW，而直流充電樁功率為高達30KW-120KW，兩者的充電流程也各有所異。如圖1圖中主正、主負繼電器位于動力電池包內。預充接觸器，直、交流充電接觸器，主接觸器位于高壓電控總成箱內，它們均由BMS控制，當車輛進行快速充電時，充電電流流徑：充電樁→快充口→直流充電接觸器+→正極繼電器→動力電池→負極接觸器→直流充電接觸器-→充電口→充電樁。慢充充電電流流徑：充電樁→慢充口→車載充電機OBC→熔斷器→正極接觸器→動力電池→負極接觸器→OBC→慢充口→充電樁。

2 充電槍電子鎖

2.1 電子鎖機械原理

充電電子鎖是為防止充電過程中充電槍意外松動、脫落造成觸電、車輛財產安全隱患，而在充電前必須鎖止的一道堡壘。圖2為慢充系統電子鎖的結構構成，電子鎖主要由鎖舌、鎖槽、鎖銷幾個部分構成，當進行交流充電時，工作人員需要按下充電槍上的按鈕，按鈕與鎖舌采用的是機械聯動方式，當充電按鈕被按壓時鎖舌將向上偏移打開，此時可以輕松將充電槍插入慢充口中，當松開手后鎖舌正好落入鎖槽內，同時檢測到充電槍時鎖止電機運轉，鎖銷伸出壓住鎖舌，此時充電槍處于鎖止狀態，只有按下鑰匙解鎖鍵或拉動機械解鎖開關時，促使鎖銷復位方能按壓按鈕取出充電槍。

2.2 電氣原理

如圖3所示，比亞迪e5的的充電槍電子鎖由BCM模塊管控，當電控總成通過到CC、CP信號確認充電槍已經連接后，通過硬線B28（A）-12∽G2R-17將充電連接信號傳遞給BCM模塊，接收到充電信號后，BCM將供給電子鎖B53（B）-3→B53（B）-4的短暫鎖止電流，同理如果是車輛完成充電或接收到遙控解鎖信號時，BCM則提供B53（B）-4→B53（B）-3的解鎖電流，電子鎖上還設有B53（B）-5的檢測端子通過閉、開鎖兩種狀態分別向BMS反饋高、低電平信號。

3 慢充控制策略

交流充電的時間長達8-10h之久，但是這種充電方式對電池的容量損耗、性能、壽命等影響均小，小電流還有利于電池充電均衡的進行，鋰離子電池的充電可分成涓流、恒流、恒壓、終止四個階段，由于電池需要適宜的工作環境溫度，所以在充電過程中可能會啟動相關的熱管理管控，交流充電主要經歷以下幾個環節（圖4）：

（1）CC充電連接確認。cc主要通過檢測點3的電壓變化來判別充電槍的連接狀態， 車輛控制裝置、RC、R4、S3、PE構成了cc回路，通過cc能識別充電槍三種連接狀態方式，當處于未連接時檢測點3采集的是電路的開路電壓，當處于半連接狀態時，采集的是R3+R4兩端電壓，當處于全連接時，s3閉合，R4短接，采集的是Rc端的電壓信號。此外通過cc回路中的R4阻值大小還能識別充電槍的閾值電流，根據GB/T 18487.1-2015《電動車輛傳導充電系統 一般要求》可查得1.5KΩ對應10A，680Ω對應15A，220Ω對應32A，100Ω對應63A。

（2）CP充電控制確認。供電控制裝置、R1、D1、R3、R2、S2、PE構成了CP回路，其中R1標稱值為1000Ω，R2標稱值為1300Ω，R3標稱值為2740Ω，D1二極管的管壓降為0.7V，CP同樣兼具雙重功能，一是確定充電槍的連接狀態，當檢測點1檢測到的電壓從開路的12V變成9V時，代表充電槍已經連接，接下來開關S1切換到幅值為12V的PWM信號源，檢測點2檢測到幅值為9v的PWM信號后對車載充電系統進行自檢，滿足充電要求時驅動S2閉合，監測點1檢測到回路信號拉低成6v時且自檢正常后接通K1、K2向車載充電機供電，二是根據PWM信號10%≤D≤85% IMAX=D*100*0.6可以獲取充電樁的最大供電電流，并與充電槍閾值電流、車載充電機極限輸出電流比較，取最小值儲存在OBC內作為本次最大允許充電電流。

（3）充電過程管控。充電過程是車載充電機、VTOG、BMS、VCU等多模塊相互協同工作的結果，BMS會實時發送電池電壓、電量、溫度信息，OBC會發送當前的充電電壓電流信息，同時檢測點2不間斷采集PWM信號，當占空比發生變化時，OBC調整實時輸出功率，充電設備又可以將監測的下游電流反應在PWM信號上，形成一個閉環反饋回路。

（4）充電停止。當OBC通過CAN總線獲悉電池充滿電時，切斷S2，CP回路信號上拉至9V，S1切回12V處于待機狀態，超過3s若s2無動作則斷開K1、K2結束充電。

4 充電失效

導致車輛無法正常充電的因素是錯綜復雜的，在對充電系統進行故障排查時，為了便于檢修，應先保證車輛能夠正常上電運行的基礎上結合儀表現象與檢測工具進行分析，以下為車輛能Ready的情況下分幾點進行探討。

（1）插槍儀表無反應。車輛能ready代表車輛高壓系統、儀表等低壓供電及CAN網絡正常，且相關雙路電繼電器正常，造成車輛儀表無法喚醒的因素最有可能是CC、CP回路信號失真，此時需要驗證回路的電壓、電阻是否異常，同時需要檢查充電口、VTOG等插接件處的針腳是否出現退針、松動造成接觸不良的現象。

（2）儀表能點亮但不能充電。可以通過借助解碼儀讀到充電口溫度傳感器、車載充電機相關故障代碼，但如果是VTOG到OBC、BMS之間的的硬線喚醒線路故障、車載充電機熔斷器被熔斷等是讀不到故障代碼的，此時需要結合數據流作進一步分析，同時還可以采用啟動車輛下充電的方式對BMS無喚醒懷疑對象進行排查。

（3）充電過程中跳槍。出現此種問題往往是動力電池不均衡所致，可以通過解碼儀讀取單體壓差信息、系統電池電壓，比對是否存在儀表電量虛標需重新標定以及車載充電機程序亂碼均可導致跳槍現象。

5 結束語

隨著電池技術不斷改善提升，將來有望采用功率更大，效率更高的充電設備進行充電，特別是如果電動車融入超級電容、飛輪電池等技術后，將大大縮短充電時間，實現高效能的無線充電將是未來充電技術的主流方向，鑒于筆者經驗有限，以上分析難免有謬誤請多多指教。

參考文獻：

[1]閆云敬.電動汽車充電系統故障診斷及檢修[J].汽車實用技術，2020（06）：13-15.

[2]弋國鵬，魏建平.電動汽車控制系統及檢修[M].北京：機械工業出版社，2020.4.

[3]GB/T 18487.1‐2015《電動車輛傳導充電系統 一般要求》.

[4]比亞迪5AEV-18款-電器原理圖冊.