电动汽车充电网关控制器开发

王 鸣，张振东

（1. 上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2. 上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201805）

随着石油资源紧缺和汽车污染问题的加剧，电动汽车的发展成为必然趋势，我国也将以电动汽车为主的新能源汽车列为战略性新兴产业之一［1-3］。对于纯电动车来说，外接充电是其获取能量的唯一途径，而各国快速充电标准存在较大差异。目前电动车的充电方式主要有快充（直流充电）和慢充（交流充电）两种，各国家和地区对快充都有各自的标准。主流的快速充电接口标准有北美标准（SAE）［4］、欧洲标准（IEC）［5］和中国国家标准（GB）［6-9］等。近年来，随着国家充电标准，尤其是快充标准的完善和推广，在中国销售的车型须符合国家快充标准。因此，很多国外电动车在国内都遇到充电标准不匹配的问题，从而影响国外电动车在国内的销售和使用。因此，如何利用国家标准充电桩对国外电动车进行快速充电成为急需解决的问题。

实现对国外电动车的快充功能，关键是要在国家标准充电桩与国外生产的电动车的电池管理系统之间建立正常的通讯联系。可通过在电动车上增加一个充电网关模块，在不影响原车充电功能的前提下，增加国家标准快充功能，即在同一辆车上实现两种充电协议。充电网关控制器对充电接口协议进行转换，而不改变充电过程中的电流、电压控制等内容。可以在现有的汽车控制器的基础上对充电网关控制器的硬件进行开发，通过对硬件进行配置和优化，使用多个端口复用的方式可实现充电过程中复杂控制信号的硬件输出，这样就能对某些国外电动车进行本土化设计，以适应中国市场并符合各项法规的要求。

1 国家标准和北美标准快充接口对比

在国家快充标准中车辆端控制器接口信号包括渐进开关信号（CCL2）、J1939局域网络信号（CAN）、12 V唤醒信号。车辆端通过CCL2确认与充电桩连接，在充电过程中信息完全通过CAN进行传递。在北美快充标准中车辆端控制器接口信号包括电池管理系统电源信号（CP信号）、电池管理系统信号（Prox信号）等。车辆S端控制器通过Prox信号确认充电桩连接，通过CP信号的电压、PWM（脉冲宽度调制）状态进行握手，并由CP信号的PLC（载波通讯信号）进行信息交互。车辆中的控制器需对CP信号电压、PWM状态进行控制，信息交互利用HPCC（混合动力控制模块）将 PLC翻译为GMLAN CAN信号（通用局域网络信号）。

1.1 充电网关控制器的作用

无论从硬件接口还是从充电时序方面来看，北美快充标准和国家快充标准之间存在非常大的差异，两者之间无兼容的可能。为了使按照北美快充标准开发的车型能够进行国家标准快充，设计了充电网关控制模块。加入充电网关后的充电部分零部件结构，充电网关和充电桩之间的接口完全按照相关国家标准设计，而在车辆端方面，利用通用局域网络信号、CP信号、Prox信号同车辆控制模块进行信息交互。由于充电过程中的交互信息由充电网关直接翻译为局域网络信号信号，原有高压控制模块与高压局域网络信号的连接线路断开，由充电网关代替原有高压控制模块的局域网络信号和ID（局域网络信号的节点）。

充电网关通过模拟J1939 CAN信号，并检测CCL2信号。对国家标准充电桩来说，充电网关相当于车辆的电池管理系统；另一方面，由于充电网关向电池管理系统模拟输出CP信号和Prox信号，对车辆来说，充电网关相当于充电桩。

1.2 充电网关电路接口

充电网关需同时满足国家标准充电桩及北美标准车辆控制器接口的要求，因此需按照各自标准对充电网关两侧的接口电路进行设计。所开发的国家标准CCL2端口如图1所示，图中R1、R2均为电阻。该端口通过一个上拉到12 V的电阻对快充插头状态进行检测。充电网关通过测量上拉电阻端的电压，确定国家标准充电插头是否连接。所开发的北美标准CP端口如图2所示，图中：R3～R7均为电阻；S2为继电器开关。该端口包括PWM、电压及频率采集等电路。当完成充电握手，充电网关收到充电桩握手信号后，切换为PWM波发送，直至充电结束为止。在充电过程中充电网关实时检测PWM信号的电压幅值、频率和占空比，一旦出现异常，将停止充电。另外，在充电网关控制器中还设置了Prox端口，其作用是模拟北美标准中的渐进开关信号（电压信号）。在充电网关检测到国家标准充电插头插上时，控制开关导通，否则控制开关断开。

图1 国家标准 CCL2端口Fig.1 GB CCL2port

图2 北美标准的 CP 端口Fig.2 SAE CP port

在CP信号的输出控制中，采用闭环反馈控制算法对信号输出电压和PWM占空比进行采集并调节输出。实验测试结果如图3所示，在6、9 V两种状态下，CP信号输出PWM波的峰值电压均比较稳定，波动范围在 ± 0.2 V以内，完全满足北美标准中 ± 0.6 V的波动范围要求。

2 网关控制器及充电协议转换逻辑开发

2.1 网关控制器

图3 CP 信号输出 PWM 波Fig.3 PWM wave from CP signal

为了节省开发成本、缩短开发周期，通过对某发动机控制模块进行改装，构建了充电网关控制器。该控制器正常工作电压范围为9～16 V，可工作的电压范围为6.3～16 V。当系统输入电压低于9 V时，只有一些特殊的功能起作用。工作温度范围为-40～105℃。低电压信号和高电压信号分别布置在不同的线束内，在网关的供电电路上配置保护电路。另外，网关控制器的外壳和底盘均不用作跨接启动车子的连接点，网关的接地端子直接与蓄电池负极连接。

2.2 充电协议转换逻辑

充电过程中充电网关分别按照国家标准、北美标准与充电桩及车辆控制器进行握手和通讯，完成上电、预充电、充电、下电等操作。充电网关和国家标准充电桩的物理连接完成后，进入充电握手阶段，通过总线进行握手信号的交互。确认连接正常后，对充电过程中的最大电流、电压等参数进行配置。完成参数配置后，进入充电阶段。充电网关和国家标准充电桩之间通过总线发送目标电流、目标电压、实际电流、实际电压等信息，并实时监控充电状态。在充电结束阶段，充电网关和国家标准充电桩之间通过总线发送充电结束标志报文。充电结束后，充电网关和国家标准充电桩互相发送充电统计报文。

充电过程中充电网关和车辆控制器之间的通讯流程如图4所示。根据不同的CP信号峰值电压，将充电过程分为A、B、C三个阶段。阶段A表示未握手状态，当握手完成后，跳入阶段B。当充电网关将CP信号切换为PWM波输出时，即表示充电桩完成就绪准备。在充电网关和车辆控制器之间交换充电限制值之后，车辆控制器闭合继电器对充电线路进行绝缘检查，检查通过后切换至阶段C。在阶段C中，车辆控制器向充电网关发送电流和电压需求，从而完成从预充电至充电的转化。在充电过程中，车辆控制器和充电网关之间通过局域网络信号对充电电流、电压进行交互。当出现故障或者需要停止充电时，车辆控制器断口继电器，从而结束充电。

图4 充电握手通讯流程Fig.4 Flowchart of charging communication

2.3 充电时序

充电网关在检测到CCL2信号标志充电枪插上后，向车辆控制器模拟CP信号和Prox信号。同时通过总线和国家标准充电站发送握手信号，通过高压局域网络信号总线和车辆控制器发送握手信号，完成初步握手状态。之后，充电网关转发充电站和车辆控制器的电流限制、电压限制、功率限制等。充电站通过充电限制检查后会通过总线发送充电准备好的信号，车辆控制器在通过充电限制检查后会通过CP信号的电压状态表示充电准备好并进行绝缘检查。

完成充电准备工作后，进入充电过程。充电网关转发车辆控制器的电流、电压请求值，以及充电站的实际输出电流、电压。当操作人员手动按下停止开关或者车辆控制器认为电池电量已满时，充电网关转发充电站或车辆控制器的停机命令，并对充电站和车辆控制器分别按照国家标准和美国标准的下电流程进行下电处理。充电停止后，充电网关停止CP信号和Prox信号的输出。

充电网关还对非正常的充电过程进行诊断。如果在充电过程中检测到任何信号异常或通讯丢失，充电网关将同时向充电站和车辆控制器发送停机命令，从而对整个快充系统进行保护。

2.4 局域网络信号通讯

充电网关控制器设有2路高速局域网络信号，其中：局域网络信号1与车辆端的高压局域网络信号相连，按照通用局域网络信号要求，其波特率为500 kbit·s-1；局域网络信号2与充电桩的局域网络信号口相连，按照国家标准GB/T27930—2011［6］，其波特率为 250 kbit·s-1。

3 实验分析

为了验证充电网关控制器开发的有效性，对一辆北美标准的纯电动车进行了改装，加装了网关控制器，选用符合国家标准的直流充电桩进行试验。选用泰坦公司的TEV-M系列直流充电桩和配套充电电源模块。该模块采用三相有源PFC（功率因数矫正）技术，主要由EMI（电磁干扰）滤波器、软启动及整流滤波、APFC（功率因数补偿校正）电路、直流变换、整流滤波、监控接口以及保护电路等组成，其输入谐波电流 ≤ ±5%，整机效率高达94%。原车所用电池为日立公司生产的电动汽车磷酸铁锂电池，电池标准电压380 V，标称容量为10 A.h。

电池放电过程遵循电动汽车性能测试中广泛使用的UDDS （城市循环）模拟行程，利用可编程直流电子负载模拟车辆在城市道路行驶时所需要的负载功率。在试验过程中，采用INCA、Canne等工具对电动车的充电过程参数进行数据采集和分析。试验装置如图5所示。

在充电过程中测试得到的电流、电压和SOC（电池荷电状态）如图6所示。

图5 试验装置示意图Fig.5 Diagram of the test apparatus

图6 充电过程中 SOC 与电流、电压的变化Fig.6 Evolution of SOC,current and voltage in the charging process

由图6中可见，所开发的充电网关控制器能够在国家标准充电桩与北美标准电动车控制器之间建立有效的通信联系。该网关控制器按照国家标准流程和充电桩之间进行握手、通讯，按照北美标准流程和车辆控制器进行握手、通讯，通过协议转换有效实现了国家标准充电桩对其他标准电动车的快速充电功能。

4 结 论

（1）所开发的充电网关控制器仅对充电接口协议进行转换，而不改变充电过程中的电流、电压控制等内容。通过对成熟的ECM（发动机控制器）硬件结构进行优化配置，利用端口复用方式实现了充电过程中各种控制信号的硬件输出，有效缩短了开发周期并降低了开发费用。

（2）通过增加充电网关模块，在北美标准电动车上同时实现了北美标准的充电和国家标准的充电协议，通过对国外电动车进行本土化设计，使其更好地适应中国市场并符合各项法规的要求。