淺談電動汽車的充電系統

李新茹

淺談電動汽車的充電系統

李新茹

（一汽海馬汽車有限公司，海南 ?？?570216）

文章主要介紹純電動汽車的充電系統，包括交流充電系統和直流充電系統，簡述兩種充電系統的組成部件、電氣原理和控制策略，作為后續設計提供參考。

電動汽車；充電系統；工作模式；車載充電機；充電接口

1 前言

隨著純電動汽車的使用越來越廣，充電需求越來越多，市場對車輛的充電安全性和便利性提出越來越高的要求，便利、安全且快速的充電是市場對車輛的一致需求。

本文主要介紹純電動汽車的充電系統的組成、電氣原理和控制策略。純電動汽車的充電系統方式主要有兩種，一是交流充電方式，即為慢充，二是直流充電方式，即為快充，兩種充電方式的組成、電氣原理和控制方式各不相同。

2 交流充電系統

2.1 交流充電的組成

交流充電指電網輸入給車輛的電壓為交流電，可以是220V AC單向電或380V AC三相電。交流電通過標準充電插頭和充電插座，進入車載充電機，車載充電機再把交流電轉化為直流電，給動力電池充電，完成基本的交流充電。

交流充電的部件主要有車載充電機、交流充電插座（交流充電插座線束）、充電線、交流充電樁或220V交流電源和車輛控制器（VCU、BMS）等組成，如圖1為各部件示圖。

圖1 交流充電的組成

其中交流充電插座和車載充電機固定在車輛上，充電線隨車配送，交流充電樁固定在停車場，各部件的作用如下：

（1）車載充電機是交流充電系統的關鍵部件，其根據控制指令把交流電轉化為直流電給電池充電。

（2）交流充電插座是國家標準件，是車輛連接外部電網的接口，其接口有2個信號回路，1個接地回路，1個零線回路和3個火線回路，共7個接口，根據輸入的電壓是220V AC或380V AC，應用相應的火線接口。

（3）車輛控制器是實施監控車輛的狀態，并發出控制指令給車載充電機，使其工作或停止工作，控制其工作電流和電壓等，是車輛充電的控制大腦。

（4）模式2充電線是連接外部電網和車輛的充電線，直接給車載充電機提供220V AC電源。其線纜上的功能盒可檢測車輛和電網狀態，連接或斷開給車輛的供電，具有一定的保護功能。根據標準要求其輸入的充電電流限制在13A以內，輸入電壓為220V AC，所以采用模式2的充電線充電時，車載充電機的輸入最大功率為2860W，即充電時間會延長。

（5）交流充電樁也是車輛連接外部電網的部件，直接給車載充電機提供220V AC或380V AC電源。其也具有檢測車輛和電網狀態，連接或斷開給車輛供電的功能。充電樁的供電電壓有220V AC和380V AC，根據充電樁的輸出功率而定。根據標準要求，如交流充電樁的輸出電流大于32A時，供電電壓必須采用380V AC。因此采用交流充電樁充電時，充電功率較大，即充電時間會縮短。

2.2 交流充電的電氣原理

交流充電方式總共有三種充電模式，分別為模式1、模式2和模式3。根據國家標準要求和充電安全，其中模式1嚴禁使用，模式3一般采用連接方式C的模式，其模式2和模式3連接方式C的交流充電工作原理電氣圖如圖2和圖3所示。

圖2 模式2充電的電氣原理圖

交流充電是國家標準的充電方式，其電氣原理圖、檢測和控制要滿足標準GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求》的要求，如圖2和圖3所示。除了滿足國家標準要求外，不同汽車廠會根據項目需求，增加充電提示或顯示的功能，方便客戶的查看充電狀態。

根據標準要求，CC信號是充電插頭和充電插座是否連接的判斷信號，同時車輛根據CC的信號值，判斷RC阻值，確定線束的容量。CP信號是判斷供電設備的供電能力，通過PWM值確定。電氣原理圖中的各電阻值和PWM值都必須滿足標準要求，且控制器必須按照標準進行判斷，以滿足車輛在市場上的充電需求。

圖3 模式3充電的電氣原理圖

2.3 交流充電的控制策略

根據圖2和圖3所示，無論是模式2還是模式3，原理圖基本相同，只是電網的交流供電方式不同。以某項目的為例，簡述其控制策略，其電氣原理圖、檢測和控制即滿足標準要求，同時為了便于客戶使用，交流充電的控制策略和順序如下：

①車載充電機檢測CC和CP信號，車載充電機可根據CC信號判斷充電線的容量，根據CP信號，判斷供電設備的供電能力。

②車輛處于休眠或停車狀態時，當充電插頭插上充電插座時，車載充電機檢測到CC或CP，自身喚醒。

③車載充電機自喚醒后，喚醒VCU和BMS。

④VCU和BMS被喚醒后，開始進入交流充電模式，并檢測車輛狀態，即車輛是否有故障，電池是否滿電。

⑤車載充電機反饋充電線束狀態和供電設備信息給BMS。

⑥BMS根據車載充電機反饋的信息和車輛的狀態，發送開始充電或停止充電指令給車載充電機。

⑦充電線或交流充電樁的供電控制裝置，通過CP信號判斷車輛狀態，連接或斷開K1和K2，即連接或斷開交流電的輸入。

⑧車載充電機根據接收到的指令，開始或停止工作，給車輛充電或停止充電進入休眠。

以上是充電過程的控制簡述，而在整個充電的伊始，車輛和交流充電樁（或充電線）都會先判斷充電接口是否連接完好，車輛才會判斷是否啟動充電，所以客戶必須插搶到位，此也是為了保證充電安全。在使用上，客戶只需插搶，無需執行其他操作，車輛隨即進入充電模式，開始充電，提高了客戶使用的便利性。在實際使用中，如果車輛在充電過程，當電網沒有電時，車輛會自動進入休眠，減少自身的能耗；當又來電時，車輛也會自動喚醒，并檢測車輛狀態，如車輛未滿電時會繼續充電，如已滿電，會停止充電并進入休眠，減少能量消耗。例如模式3充電方式，其充電過程的電壓變化如圖4所示。

圖4 交流充電過程視圖

3 直流充電系統

3.1 直流充電的組成

直流充電是指外部電網輸入給車輛的電壓為直流電，即直流充電樁把380V AC三相電轉化為直流電，通過標準直流充電插頭和充電插座輸送給車輛，直接給動力電池充電，完成基本的直流充電。

直流充電的部件主要有直流充電插座（直流充電插座線束）、車輛控制器（VCU、BMS）和直流充電樁等，如圖5所示。

圖5 直流充電的組成

其中直流充電插座固定在車輛上，直接連接動力電池，直流充電樁固定在停車場，各部件的作用如下：

（1）直流充電插座是國家標準件，是車輛連接外部電網的接口，其有1路CAN通訊回路（2個接口），1路低壓輔助供電回路（2個接口），2個信號回路，1個接地回路和1正1負的2個高壓回路，共9個接口。

（2）車輛控制器是實時監控車輛狀態，并根據國家標準GB/T 27930-2015《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》協議格式和內容，發出控制指令給直流充電樁，使其工作或停止工作，控制其輸出電流和電壓等，是車輛充電的控制大腦。

（3）直流充電樁是一個大功率的非車載充電機，其把380V AC交流電轉化為直流電后，通過標準充電插頭和充電插座連接，直接給動力電池充電。其工作功率一般都較大，因此大大縮短充電時間。

3.2 直流充電的電氣原理

直流充電方式只有一種模式，即為國標所述的充電模式4，其電氣原理圖如圖6所示。

圖6 模式4直流充電的電氣原理圖

直流充電是國家標準的充電方式，其電氣原理圖、檢測和控制要滿足標準GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統 第1部分：通用要求》的要求，如圖6所示。

根據標準要求，CC1信號是直流充電樁判斷充電插頭和充電插座是否連接的信號；CC2是車輛判斷充電插頭和插座是否連接的信號；S+和S-是CAN信號通道；A+和A-是輔助電源，以乘用車為例是12V，以大巴車為例是24V。直流充電樁可通過A+和A-提供輔助電源，但在標準里并未強調一定要使用此輔助電源，車輛可根據實際需求應用。電氣原理圖中的各電阻值都必須滿足標準要求，且控制器必須按照標準進行判斷，以滿足車輛在市場上的充電需求。

3.3 直流充電的控制策略

直流充電的電氣原理圖不僅要滿足標準要求，且與車輛的控制器的通訊協議也必須符合國標格式和內容，車輛才可實現在市場上充電。以某個項目為例，充電是給動力電池充電，為了便于執行控制，直接使用動力電池的BMS與直流充電樁進行信息交互和檢測，VCU只作為輔助判斷，其控制策略和順序如下：

①車輛未使用A+和A-輔助電源，因為此電源為車輛外部電壓，其可靠性不穩定，因此未使用。

②BMS檢測CC2信號和通過S+和S-與直流充電樁進行信息交互。

③車輛在休眠或停車狀態時，當直流充電插頭和直流充電插座插合時，BMS檢測到CC2信號，自喚醒。

④BMS自喚醒后喚醒VCU，車輛進入直流充電模式。

⑤直流充電樁通過檢測到CC1信號，判斷充電插座和插頭是否連接完全。

⑥BMS和直流充電樁進行信息交互。

⑦BMS根據直流充電樁反饋的信息和車輛狀態進行判斷，發送開始充電或停止充電給直流充電樁。

⑧直流充電樁根據CC1信號和BMS反饋信息，執行充電或停止充電。

⑨當充電完成或停止充電后，整車進入休眠，減少能量的消耗。

以上是簡單的控制過程，在使用和操作要求上與交流充電相似。但直流充電過程，當停止充電后，需重新拔槍再插搶，才可進行第二次充電，此方式區別于交流充電，也是為了保證充電安全。其充電過程的電壓變化如圖7所示。

圖7 直流充電過程視圖

4 總結

無論是純電動汽車或可充電混合動力汽車的充電系統，基本都按照標準要求執行，才能滿足車輛在市場上的充電需求。

交流充電電流相對較小，有利于電池的使用壽命，且不易過熱和發生故障。直流充電雖然能更快的完成充電，但對車輛的電池損傷較大，也易發生過熱，從而起火，因此建議車輛多采用交流充電模式，可有效延長電池壽命和減少事故發生。

除了標準要求外，車輛控制器需實時監控車輛的狀態，例如電池是否過熱、過壓、過充、過流、絕緣阻值是否下降等，是整車廠需要完善的控制策略，以保證充電安全。

[1] GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統第1部分:通用要求》.

[2] GB/T 20234.1-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第1部分:通用要求》.

[3] GB/T 20234.2-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第2部分:交流充電接口》.

[4] GB/T 20234.3-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分:直流充電接口》.

[5] GB/T 27930-2015《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》.

Discussion on Charging System of Electric Vehicles

Li Xinru

( Faw haima automobile co. LTD., Hainan Haikou 570216 )

This paper mainly introduces the charging system of pure electric vehicle, including AC charging system and DC charging system, and briefly describes the components, electrical principle strains and control strategies of the two charging systems, as a reference for the subsequent design.

Electric vehicles;Charging systems;Operating modes;On-board chargers;Charging coupler

U469.72

A

1671-7988(2019)18-15-04

U469.72

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1671-7988(2019)18-15-04

李新茹（1988-），女，就職于一汽海馬汽車有限公司，從事新能源汽車充電系統和高壓集成系統等小三電設計開發工作，2018年開始從事氫燃料電池電動汽車的氫系統設計開發，現任氫燃料電池電動汽車項目氫系統設計開發工程師。主要研究純電動汽車高壓電器集成和氫燃料電池電動汽車的氫系統設計開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.005