电动汽车交流充电过程解析

何鹏林，蔡志涛，李文帅，石昊天，王伏雨，薛 刚

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

电动汽车交流充电过程解析

何鹏林，蔡志涛，李文帅，石昊天，王伏雨，薛 刚

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

随着电动汽车推广及规模化发展，充电问题日益受到研究者及消费者的广泛关注。交流充电被认为是电动汽车电能补充的重要方式之一。本文介绍电动汽车交流充电典型系统构成，分析研究整个充电过程，为进一步研究交流充电的适应性兼容性等问题提供参考。

电动汽车；交流充电；过程解析

目前，对于PHEV及EV而言，其电能补充的方式有交流充电（俗称“慢充”）、直流充电（俗称“快充”）以及机械换电等方式，在面向个人用户的私家车中，交流充电的方式尤为普遍。据不完全统计，截止目前，中国电动汽车的存量已超过100万辆，而根据国务院《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》的规划，到2020年，中国电动汽车的累计产销量将超过500万辆；充电设施方面，中国目前在运营的充电设施数量已超过15万个，而根据《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年）》，到2020年，中国仅分散式充电桩数量将超过480万个。由此可见，电动汽车的规模化发展趋势已然显现。然而，近年来屡屡发生电动汽车和充电设施无法充电，甚至出现充电过程中起火等安全事故，频频引发社会关注，造成消费者的“充电焦虑”，极大地影响了用户体验以及产业的发展，对电动汽车交流充电的研究尤为必要。本文以电动汽车交流充电为研究对象，选取典型的交流充电系统构成进行分析说明，并对整个充电过程进行详细解析，为后续对交流充电的适应性兼容性等问题的进一步研究提供参考。

1 电动汽车交流充电系统

电动汽车交流充电是指通过传导的方式，按照一定的充电模式，将交流电源调整为校准的电压或电流，为电动汽车动力电池等储能装置提供电能。其中，充电模式有模式1、模式2、模式3三种。图1为电动汽车交流充电系统典型结构，系统构成主要包括了交流充电设施、充电连接装置以及车载充电机3部分。

交流充电设施是为电动汽车提供交流电源的装置，一般由继电器/接触器、控制导引电路、漏电保护电路、过流过压保护电路、计量模块、防雷模块、通信模块、人机交互界面等组成，有便携式、落地式、壁挂式等多种安装方式，其额定容量有2.2 kW（220 VAC，10 A）、3.3 kW（220 VAC，16 A）、6.6 kW（220 VAC，32 A）及22.4 kW（380 VAC，63 A）等几类。充电连接装置是充电装置与电动汽车之间的物理传输媒介。

交流充电时，将工频50 Hz单相或三相交流电经充电设施及充电连接装置传输至车载充电机，经车载充电机整流、滤波等处理后转换为直流电，为车载储能装置充电。充电设施通过PWM告知电动汽车允许最大可用电流，该电流不应超过其额定电流、连接点额定电流、电源额定电流中的最小值。

充电所使用的充电连接装置的物理尺寸、机械结构、电气特性等应符合GB/T 20234.1—2015 《电动汽车传导充电用连接装置 第1部分：通用要求》、GB/T 201234.2—2015 《电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口》的相关要求，以保证充电连接物理适应性。连接装置的连接方式有A、B、C3种。按照目前最新实施的标准GB/T 18487.1—2015 《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》规定，只有充电模式2、模式3适用于交流充电，表1为2种充电模式使用条件。不符合条件的充电将导致电动汽车无法充电，严重者或引起安全事故。

表1 电动汽车交流充电模式使用条件

2 电动汽车交流充电过程解析

物理接口耦合是电动汽车开始充电的先决条件。耦合时，接口保护地端子（PE）最先接通，控制导引端子（CP）与充电连接确认端子（CC）最后接通；与之对应，在充电结束物理接口解耦脱开时，CP端子与CC端子最先断开，PE端子最后断开。电动汽车交流充电系统应具有控制导引电路，以实现以下功能：对保护地导体连续性的持续监测、电动汽车与充电设施正确连接的确认、供电控制功能、断电控制功能以及充电电流的持续监测等。图2所示为充电模式2、3与不同连接方式的充电系统控制导引原理图。

图3为电动汽车交流充电整体流程。当充电物理接口连接后，车辆控制装置将通过测量检测点3与PE之间的电阻值来判断车辆接口是否完全连接，确认完全连接后，车辆接口内的电子锁将在主供电开关K1、K2闭合前将车辆接口锁定。充电设施内的供电控制装置将测量检测点1或4的电压值来判断供电接口是否完全连接，确认完全连接后，供电接口内的电子锁亦将在主供电开关K1、K2闭合前将供电接口锁定。如锁定失败或不能锁定，充电过程将被终止。此时，车载充电机启动自检，确认系统无故障且储能装置处于可充电状态时，车辆控制装置闭合开关S2，车辆充电准备就绪。充电设施通过判断检测点1的峰值电压为6 V时，充电设施准备就绪，供电控制装置闭合主供电开关K1、K2，交流供电回路导通。至此，电动汽车与充电设施间电气连接已经建立。

图2 充电模式2、3与不同连接方式的充电系统控制导引原理图

图3 电动汽车交流充电流程图

为了使电动汽车与充电设施间在确保安全的前提下能以最佳充电能力进行充电，需要使二者进行能力匹配。匹配时电动汽车控制装置基于图2中检测点2的PWM信号占空比D来判断当前充电设施可提供的最大充电电流IEVSE，同时基于检测点3与保护地端子之间的电阻值（仅适用于连接方式B、C）来判断当前充电接口是否已完全连接以及连接装置的额定电流ICABLE，而后对IEVSE、ICABLE以及IOBC（车载充电机自身额定输入电流）进行比较，并选取三者中最小值设置为车载充电机当前允许的最大充电输入电流，充电过程中的最大充电电流不得超过该电流值。匹配成功后即启动充电，匹配失败应提示操作人员结束充电或检查后重新进行充电流程。充电过程中如车辆或充电设施监测到有异常发生，比如车辆接口或供电接口连接断开、PWM信号中断、检测点1电压出现非6 V状态、剩余电流保护器动作等，即结束充电。同时，充电过程中，电动汽车周期性地对充电设施的供电能力进行监测，当供电能力变化时，电动汽车应监测到检测点2的PWM信号占空比发生变化，车辆控制装置即根据PWM信号占空比动态调整电动汽车的实际充电电流。如出现能力无法匹配，亦应停止充电。

在充电过程中，当到达预定的充电终止条件（如达到设定充电时间或到达设定SOC值等）或者操作人员主动对电动汽车发出了停止充电操作时，车辆控制装置断开内部开关S2，使车载充电机充电电流降为0停止充电；充电设施停止充电时，供电控制装置将控制开关S1切换至12 V连接状态，开关K1、K2断开切断主供电回路，车辆及充电设施接口锁定解锁，拔出充电接口后充电过程结束。

3 结束语

本文阐述了电动汽车交流充电系统典型构成，并基于此详细梳理和解析了整个充电过程。不难发现，电动汽车交流充电是一个复杂的协同过程，车辆、连接装置以及充电设施间任何时序错误或将导致无法充电甚至引发安全事故。

［1］ GB/T 20234.1—2015，电动汽车传导充电用连接装置第1部分:通用要求［S］.

［2］ GB/T 20234.2—2015，电动汽车传导充电用连接装置第2部分:交流充电接口［S］.

［3］ GB/T18487.1—2015，电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求［S］.

［4］ 张建伟，杨芳，秦俭，等.电动汽车交流充电控制导引系统设计［J］.电测与仪表，2014，51（5）：78-82.

［5］ 孙焕新. 电动汽车充电系统充电模式分析［J］.时代汽车，2017（6）：12-14.

（编辑 杨 景）

Analysis of AC Charging Process For Electric Vehicles

HE Peng-lin，CAI Zhi-tao，LI Wen-shuai，SHI Hao-tian，WANG Fu-yu，XUE Gang
（China Automotive Technology & Research Center，Tianjin 300300，China）

With the popularization and large-scale development of electric vehicles（EV），charging problem has attracted broad attention from both consumers and researchers. AC charging is considered one of the most important patterns of power supplement for EVs. This article introduces the typical structure of AC charging system for EVs，and analyzes the entire charging process，which can supply some references for further research such as adaptability and compatibility during charging.

electric vehicles；AC charging；process analysis

U467.19

A

1003-8639（2017）10-0001-03

2017-07-24

何鹏林（1988-），男，甘肃武威人，工程师，硕士，研究方向为新能源汽车及其测试技术；蔡志涛（1985-），男，天津人，助理工程师，研究方向为新能源汽车及其测试技术；李文帅（1992-），男，河北保定人，助理工程师，硕士，研究方向为新能源汽车及其测试技术；石昊天（1989-），男，内蒙古人，助理工程师，硕士，研究方向为新能源汽车及其测试技术；王伏雨（1988-），男，天津人，助理工程师，研究方向为新能源汽车及其测试技术；薛刚（1988-），男，天津人，助理工程师，硕士，研究方向为新能源汽车及其测试技术。