純電動汽車學(xué)習(xí)入門(六)
——充電系統(tǒng)(下)

◆文/北京 李玉茂

(接上期)

5.快充系統(tǒng)工作原理

快充系統(tǒng)如圖17所示，下面介紹充電樁、快充口、車輛的各部件作用。

①充電樁

主電源開關(guān)：接通或斷開充電機(jī)供電。

充電機(jī)：將交流380V或220V變成高壓直流。

電流傳感器：監(jiān)測充電電流。

高壓繼電器：接通或斷開充電主回路。

電壓傳感器：監(jiān)測充電電壓。

高壓絕緣監(jiān)測：監(jiān)測充電線與PE之間的絕緣電阻。

輔助電源開關(guān)：接通或斷開輔助電源供電。

輔助電源：將交流220V變成12V直流，送到喚醒信號繼電器。

充電樁控制單元：控制充電機(jī)工作，與BMS之間通過快充CAN交換信息。

喚醒信號繼電器：閉合后發(fā)出喚醒信號，喚醒VCU、數(shù)據(jù)采集終端、儀表ECU，VCU再發(fā)出喚醒信號用來喚醒BMS。

K1、K2：高壓正繼電器觸點(diǎn)、高壓負(fù)繼電器觸點(diǎn)。

K3、K4：喚醒信號正極繼電器觸點(diǎn)、喚醒信號負(fù)極繼電器觸點(diǎn)。

U1：12V。

R1：1 000Ω。

②快充口

S：常閉開關(guān)，按下充電槍按鈕S斷開，松開充電槍按鈕S閉合。

S+、S-：CAN-h線、CAN-l線。

R2、R3、R4：均為1 000Ω。

③車輛快充高壓繼電器：接通或斷開充電樁直流高壓與電池包連接。K5、K6：快充高壓正繼電器觸點(diǎn)、快充高壓負(fù)繼電器觸點(diǎn)。電池包：包含動力電池、單體電池電壓監(jiān)測、模塊溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測。

BMS：電池管理控制單元，與充電樁、數(shù)據(jù)采集終端之間通過快充CAN交換信息。

U2：12V。

R5：1 000Ω。

①檢測快充線與充電樁連接。充電樁控制單元讀取檢測點(diǎn)1電壓，快充線未連接充電樁時為U1(懸空電壓12V)，連接后是R1與R2的分壓，由于R1、R2均為1 000Ω，檢測點(diǎn)1是6V，說明充電槍內(nèi)的CC1與PE構(gòu)成回路。只有更換快充線時才斷開快充線與充電樁連接，此時充電機(jī)不會啟動。

②檢測充電槍與快充口連接。按下充電槍按鈕S斷開，插入充電槍，檢測點(diǎn)1是R1和R4的分壓，仍然是6V；松開充電槍按鈕S閉合，此時R2與R4并聯(lián)，由于R2與R4均為1 000Ω，并聯(lián)等效電阻是500Ω，檢測點(diǎn)1是4V(1 000Ω與500Ω的分壓)，充電樁控制單元確認(rèn)充電槍與快充口已連接，并且充電槍的機(jī)械鎖已經(jīng)鎖止。

③喚醒VCU。充電樁控制單元指令喚醒信號繼電器的K3、K4閉合，輸出12V喚醒VCU、數(shù)據(jù)采集終端、儀表ECU，VCU再發(fā)出喚醒信號用來喚醒BMS。

④BMS檢測充電槍連接。BMS開始工作后，讀取檢測點(diǎn)2電壓，快充槍如果未插入為U2(懸空電壓12V)；插入后是R5與R3的分壓，由于R5、R3均為1 000Ω，檢測點(diǎn)1是6V，BMS確認(rèn)充電槍與快充口已經(jīng)連接。

⑤ “握手”階段。充電樁控制單元向BMS發(fā)出“充電機(jī)通訊協(xié)議版本號”，BMS與充電樁兩者互相身份辨認(rèn)，稱作“握手”。

⑥參數(shù)配置。“握手”成功后，BMS報(bào)送動力電池充電需求的報(bào)文，充電樁控制單元報(bào)送供電能力的報(bào)文，二者達(dá)成參數(shù)配置共識。

⑦快速充電。充電樁控制單元指令K1、K2閉合，BMS指令K5、K6閉合，進(jìn)行快速充電。

⑧結(jié)束充電。當(dāng)BMS及充電樁控制單元判定充電結(jié)束，充電樁斷開K1、K2，車輛斷開K5、K6，充電終止；充電樁斷開K3、K4，取消喚醒信號。

⑨強(qiáng)制停止。充電過程中如果出現(xiàn)充電機(jī)故障，充電機(jī)在100ms內(nèi)斷開K1～K4。如果出現(xiàn)動力電池故障，車輛在300ms內(nèi)斷開K5、K6。如果出現(xiàn)CAN通訊超時，充電樁與車輛在10s內(nèi)斷開K1～K6。如果在充電中按動充電槍按鈕，S斷開，充電機(jī)在50ms內(nèi)將充電電流降至5A或以下。如果強(qiáng)拔開充電槍，此時S斷開，檢測點(diǎn)1變?yōu)?2V，充電機(jī)在1s內(nèi)斷開K1～K4。若充電電壓大于動力電池最高允許電壓，充電機(jī)在1s內(nèi)斷開K1～K4。以上這些措施都是保證快速充電期間的用電安全，防止火災(zāi)。

6.快速充電應(yīng)具備的條件

(1)充電連接確認(rèn)信號CC1、充電連接確認(rèn)信號CC2正常；

(2)快充喚醒信號A+與A-之間12V輸出電壓正常；

(3)BMS低壓供電及工作正常；

(4)充電樁、VCU、BMS之間快充CAN線通信正常；

(5)動力電池的電芯溫度為5～45℃；

(6)單體電池最高溫度與最低溫度差＜15℃；

(7)單體電池最高電壓不大于額定電壓0.4V；

(8)單體電池最高電壓與最低電壓差＜300mV；

(9)高壓正線、高壓負(fù)線的絕緣性能＞500Ω/1V。

四、車載充電機(jī)

1.車載充電機(jī)的作用

將220V交流電轉(zhuǎn)換為240～410V(EV200車型)高壓直流電。分為風(fēng)冷式和水冷式，相對于傳統(tǒng)工業(yè)電源，車載充電機(jī)具有效率高、體積小、耐受惡劣工作環(huán)境等特點(diǎn)。車載充電機(jī)工作過程中需要協(xié)調(diào)充電樁、BMS等部件，EV200車載充電機(jī)如圖18所示，技術(shù)參數(shù)見表6。

2.充電機(jī)指示燈

充電機(jī)上的3個指示燈，如圖19所示，①POWER燈—電源指示燈，接通220V交流電點(diǎn)亮。②RUN燈—充電指示燈，當(dāng)充電機(jī)電流流入動力電池，進(jìn)入充電狀態(tài)點(diǎn)亮。③FAULT燈—報(bào)警燈，當(dāng)充電機(jī)內(nèi)部有故障時點(diǎn)亮。

實(shí)際狀態(tài)：①充電正常，POWER燈與RUN燈點(diǎn)亮。②啟動30s后只有POWER燈點(diǎn)亮，蓄電池?zé)o充電請求或已經(jīng)充滿。③FAULT燈點(diǎn)亮，系統(tǒng)存在故障。④POWER燈、RUN燈、FAULT燈均不亮，說明充電樁、充電線束、插接器有問題。

3.充電機(jī)插座定義

充電機(jī)插座定義見表7。

五、慢充系統(tǒng)

1.慢充系統(tǒng)的作用

慢充系統(tǒng)是使用單相交流充電樁或220V單相交流民用電，通過車載充電機(jī)，將交流電變換為高壓直流電，對動力電池充電的。

2.慢充系統(tǒng)的組成

車外設(shè)備：交流充電樁、慢充線或輔助交流慢充線。車輛設(shè)備：慢充口、慢充線束、車載充電機(jī)、高壓盒、動力電池、BMS。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定4種充電模式：第一種是家用8A插座，適合電動自行車，不準(zhǔn)許給電動汽車充電；第二種是家用16A或10A插座，準(zhǔn)許電動汽車充電；第三種是交流電網(wǎng)供電的交流充電樁；第四種是交流電網(wǎng)供電的直流充電樁。

第二種模式采用輔助交流慢充線，16A三孔插座的供電電流不能超過13A，10A三孔插座的供電電流不能超過8A。插座具有相線、零線和保護(hù)地線，且具備漏電保護(hù)和過流保護(hù)功能。輔助交流慢充線是購車時的配置，如圖20所示，一端是連接電源插座的插頭，中間是自動斷電保護(hù)裝置，另一端是連接車輛慢充口的彎頭，俗稱慢充電槍。

按照交流充電樁的安裝方式分為立式、壁掛式、便攜式，按充電槍個數(shù)分為單槍、雙槍，如圖21所示。采用單相供電時，交流供電電流不大于32A或16A，應(yīng)具有漏電保護(hù)功能。交流充電樁帶有電量計(jì)量、自動斷電保護(hù)裝置。某型號交流充電樁技術(shù)參數(shù)見表8，操作者刷卡為電動車充電。

慢充口連接到車載充電機(jī)的線束，如圖22所示，慢充線束插頭定義見表9。

3.新能源CAN總線系統(tǒng)

新能源CAN總線系統(tǒng)傳遞慢充電信息，如圖23所示，該系統(tǒng)連接的模塊有VCU、壓縮機(jī)控制器、BMS、充電機(jī)ECU、數(shù)據(jù)采集終端、驅(qū)動電機(jī)控制器、高壓盒ECU、動力轉(zhuǎn)向ECU、空調(diào)ECU。另外，由車身ECU、組合儀表ECU等組成原車CAN總線系統(tǒng)。

4.慢充系統(tǒng)電路圖

如圖24所示，慢充口有7個端子，實(shí)際使用5個端子：L相線、N零線、PE保護(hù)地線、CC充電連接確認(rèn)線、CP控制確認(rèn)線。備留2個端子：NC1是V相、NC2是W相，用于輸入三相交流電，可增大充電電流。

充電機(jī)高壓插座：“DC+”、“DC-”分別通過高壓附件線束連接高壓盒的“DC+”、“DC-”，DC+線設(shè)有16A熔斷器。

充電機(jī)交流插座：通過慢充線束與慢充口連接，1連接L線，2連接N線，3連接PE線，5連接CC信號，6連接CP信號。

充電機(jī)直流插座：A1是新能源CAN-l，A2是CAN線屏蔽接地線，A8是12V供電負(fù)極，A9是新能源CAN-h，A11是慢充連接確認(rèn)線通往VCU，A12是12V供電正極，A13是高低壓互鎖線通往高壓盒，A14是高低壓互鎖線通往空調(diào)壓縮機(jī)，A15是慢充喚醒信號線的正極。

5.慢充系統(tǒng)工作原理

慢充系統(tǒng)如圖25所示，下面介紹充電樁、慢充插頭、車輛內(nèi)部的各部件作用。

①充電樁內(nèi)部

K1、K2：按照充電樁控制器的指令接通或斷開主電路。

漏電保護(hù)器：監(jiān)控除地線之外所有供電線的電流矢量和，正常充電且不漏電時，進(jìn)入漏電保護(hù)器的電流和流出漏電保護(hù)器的電流矢量和等于0。當(dāng)發(fā)生漏電時，漏電電流從漏電支路流走，電流矢量和不等于0，當(dāng)超過設(shè)定的閾值時執(zhí)行件動作，切斷K1、K2。

檢測點(diǎn)4：控制器監(jiān)測該點(diǎn)電壓為0，確認(rèn)慢充線已連接充電樁。

CC：充電連接確認(rèn)信號。

檢測點(diǎn)1：未連接慢充線，控制器監(jiān)測該點(diǎn)為12V，不可以充電；S1切換至PWM，S2斷開時，該點(diǎn)為9V不可以充電；S2閉合時，該點(diǎn)為6V可以充電。

S1：受充電樁控制器控制，接通12V或接通PWM。

R1：等效電阻為1 000Ω。

CP：控制確認(rèn)信號，S1接通12V時告知車載充電機(jī)低壓上電，S1接通PWM時表示供電設(shè)備的容量。

PWM：脈沖寬度調(diào)制信號，頻率為1 000Hz。

②慢充插頭

RC：電阻值代表慢充線的電纜容量，有4種規(guī)格：1.5kΩ，電纜容量10A；680Ω，電纜容量16A，充電設(shè)備3.3kW；220Ω，電纜容量32A，充電設(shè)備7kW；100Ω，電纜容量63A，充電設(shè)備40kW。

R4：電阻值對應(yīng)RC有4種規(guī)格，1.8kΩ、2.7kΩ、3.3kΩ、3.3kΩ。

S3：常閉開關(guān)，與充電槍機(jī)械鎖聯(lián)動，當(dāng)按下充電槍按鈕S3斷開，插入充電槍，檢測點(diǎn)3與PE之間的電阻為RC+R4，說明充電槍已連接，但是機(jī)械鎖未鎖止。松開充電槍按鈕，S3閉合將R4短路，檢測點(diǎn)3與PE之間的電阻為RC，說明充電槍的機(jī)械鎖已經(jīng)鎖止。

③車輛內(nèi)部

CC：充電連接確認(rèn)信號。是一個電阻信號，一個作用是確認(rèn)慢充線已連接慢充口，另一個作用是感知慢充線的電纜容量。

檢測點(diǎn)3：未連接充電槍，該點(diǎn)與PE之間電阻無窮大。半連接(按下充電槍按鈕，插入充電槍)，S3斷開，檢測點(diǎn)3與PE之間電阻為RC+R4。完全連接(松開充電槍按鈕)，S3閉合，檢測點(diǎn)3與PE之間電阻為RC。

檢測點(diǎn)2：12V時車載充電機(jī)低壓上電，PWM信號時接收充電樁容量數(shù)據(jù)。

S2：車輛控制裝備經(jīng)自檢后沒有故障，指令S2閉合。

R2：等效電阻為1 300Ω。

R3：等效電阻值為2 740Ω。

二極管：單向通過信號，電壓降為0.7V。

①檢測慢充線連接。充電樁控制器通過檢測點(diǎn)4，判斷慢充線是否與充電樁連接(充電樁CC檢測)。車輛控制裝備通過檢測點(diǎn)2，收到12V后車載充電機(jī)低壓上電。通過檢測點(diǎn)3，確認(rèn)慢充線已連接慢充口(充電機(jī)CC檢測)；然后喚醒VCU、儀表控制單元、數(shù)據(jù)采集終端，VCU再喚醒BMS，VCU指令主負(fù)繼電器閉合，BMS控制主正繼電器閉合，儀表盤充電線連接指示燈點(diǎn)亮。

②PWM檢測。充電樁控制器指令S1從12V切換至PWM，通過檢測點(diǎn)1判斷是PWM信號。車輛控制裝備通過檢測點(diǎn)2，確認(rèn)收到PWM信號(CP檢測)。

③充電握手。車輛控制裝備經(jīng)自檢后沒有故障，指令S2閉合，允許動力電池充電。

④參數(shù)匹配。車輛控制裝備通過檢測點(diǎn)2的PWM，確認(rèn)充電樁的最大供電能力；通過RC電阻值確認(rèn)電纜額定容量。

⑤慢速充電。車輛控制裝備根據(jù)充電樁的最大供電能力、慢充電纜容量、車載充電機(jī)額定輸入電流，將輸入電流設(shè)定為充電機(jī)最大允許電流。充電樁控制器指令K1、K2閉合，進(jìn)行慢速充電。

⑥結(jié)束充電。BMS檢測電池電量升高到滿電狀態(tài)(表明充電完成)，給充電機(jī)發(fā)送停止充電指令，充電機(jī)收到指令后停止工作并向VCU發(fā)送停止充電信息。拔開充電槍，儀表盤充電線連接指示燈熄滅，高壓主正、高壓主負(fù)繼電器斷開。

⑦強(qiáng)制停止。慢充電過程中如打開點(diǎn)火開關(guān)或強(qiáng)行拔開充電槍，高壓下電，充電停止；必須將點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉或重新插入充電槍，高壓上電，繼續(xù)充電。如果動力電池電量不足警告燈點(diǎn)亮，必須關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，高壓下電后才能進(jìn)行慢充電。

5.慢充需滿足的條件

(1)充電連接確認(rèn)信號CC正常，控制確認(rèn)信號CP正常；

(2)交流220V供電正常，車載充電機(jī)12V供電正常，充電機(jī)工作正常；

(3)充電機(jī)發(fā)出喚醒信號正常(正觸發(fā)，12V)；

(4)充電機(jī)、VCU、BMS之間CAN通信正常，動力電池包正常；

(5)動力電池的電芯溫度0～45℃；

(6)單體電池最高與最低溫度差＜15℃；

(7)單體電池最高電壓不大于額定電壓0.4V；

(8)單體電池最高與最低電壓差＜300mV；

(9)絕緣性能＞500Ω/V；

(10)高、低壓電路連接正常，遠(yuǎn)程控制開關(guān)位于關(guān)閉狀態(tài)。

六、DC-DC變換系統(tǒng)

1.DC-DC的作用

12V鉛酸蓄電池為燈光照明、電動車窗、雨刷器、除霜、電控系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)等12V設(shè)備供電。DC-DC轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，作用是將動力電池290～420V高壓直流電，轉(zhuǎn)換成13.8～14V直流電，對用電設(shè)備供電和為蓄電池充電。

DC-DC轉(zhuǎn)換器由控制芯片、電感線圈、二極管、三極管、電容器構(gòu)成，通過重復(fù)通斷開關(guān)，把直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻方波電壓，再經(jīng)整流平滑變?yōu)橹绷麟妷狠敵觯妱榆嘍C-DC采用的是降壓型。

DC-DC可以單獨(dú)安裝，也可以集成在PDU或PEU內(nèi)部。DC-DC分為自然冷卻和水冷卻，DC-DC轉(zhuǎn)換器具有輸入過電壓、欠電壓保護(hù)，輸出過電壓、欠電壓保護(hù)，輸出過載、短路保護(hù)，過溫保護(hù)。DC-DC內(nèi)部的高壓部分和低壓部分是隔離分開的，低壓部分輸出負(fù)極仍采用與車身搭鐵，這樣使得低壓用電設(shè)備的12V供電網(wǎng)絡(luò)與燃油汽車保持一樣。

DC/DC轉(zhuǎn)換流程如圖26所示。高壓部件有：動力電池、高壓線束、高壓盒、DC/DC。低壓部件有：蓄電池正極電纜、蓄電池、蓄電池負(fù)極電纜。

北汽新能源EV200的DC/DC技術(shù)參數(shù)，見表10。當(dāng)鑰匙開到ON檔，或充電機(jī)被喚醒，完成動力電池預(yù)充電流程，VCU發(fā)給DC-DC轉(zhuǎn)換器12V使能信號，DC/DC開始轉(zhuǎn)換工作。

2.DC-DC插座的定義

EV200的DC-DC插座定義見表11。低壓輸出插頭：輸出正極、輸出負(fù)極。低壓控制插頭：A是使能信號，9～14V時DC-DC啟動轉(zhuǎn)換；0～1V時DC-DC停止轉(zhuǎn)換；B通往組合儀表T32/12，輸出DC-DC狀態(tài)信號(故障信號)，12V為故障，低電平為正常；C連接蓄電池負(fù)極。

3.DC-DC電路圖

如圖27所示，高壓輸入插座：“高壓+”“高壓-”通過高壓附件線束，連接到高壓盒的“高壓+”“高壓-”。低壓插座：連接蓄電池正極、負(fù)極。低壓控制插座：A1是VCU發(fā)來的使能信號，A2是DC-DC故障信號，去往VCU和組合儀表，A3通往接地。DC-DC控制單元不連接CAN總線，而是接收VCU發(fā)來的使能信號執(zhí)行工作。

4.DC-DC的工作流程及工作條件

①點(diǎn)火開關(guān)撥到ON檔或充電機(jī)喚醒；

②動力電池完成高壓系統(tǒng)預(yù)充電流程；

③VCU發(fā)給DC-DC轉(zhuǎn)換器使能信號；

④DC-DC轉(zhuǎn)換器收到使能信號開始轉(zhuǎn)換。

①高壓輸入范圍：DC 290～420V；

②低壓使能信號輸入范圍：DC 9～14V。

①保證整車線束正常連接的情況下，高壓上電前使用萬用表測量鉛酸蓄電池電壓，并記錄；

②點(diǎn)火開關(guān)撥到ON檔，高壓上電，測量鉛酸蓄電池電壓，查看電壓變化情況，如果電壓在13.8～14V 之間，判斷DC-DC工作。

(未完待續(xù))