基于电动汽车充电系统的几点分析

刘忠明

摘 要：随着《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》等相关文件的出台，进一步表明国家对加速发展电动汽车这一行业的决心，充电系统是电动汽车核心技术之一，它能够把外部的电能通过化学反应的方式储存在电池内部，以备车辆使用，而往往充电时间主要取决于充电机功率的大小，功率越大充电时间越短反之俞长。本文主要以比亚迪E5车型为对象，分别从充电系统的构成、充电枪电子锁、慢充控制策略、充电失效几个方面进行简要阐述分析，以供学习参考使用。

关键词：电动汽车 充电系统 比亚迪E5

1 充电系统的构成

1.1 结构构成

纯电动汽车的充电系统主要由车外的充电设施及车上的车载充电两大部分组成，车外部分主要包含直、交流充电桩，充电线束，充电枪以及随车充电宝组成，而车载充电装置主要由直、交流充电口、车载充电机OBC、高压分线盒、高压线束、动力电池、电池管理系统BMS以及接触器等组成。

1.2 充电流程

电动汽车充电方式可分成直流充电和交流充电两种，常用的交流充电桩功率为3.5KW、7KW，而直流充电桩功率为高达30KW-120KW，两者的充电流程也各有所异。如图1图中主正、主负继电器位于动力电池包内。预充接触器，直、交流充电接触器，主接触器位于高压电控总成箱内，它们均由BMS控制，当车辆进行快速充电时，充电电流流径：充电桩→快充口→直流充电接触器+→正极继电器→动力电池→负极接触器→直流充电接触器-→充电口→充电桩。慢充充电电流流径：充电桩→慢充口→车载充电机OBC→熔断器→正极接触器→动力电池→负极接触器→OBC→慢充口→充电桩。

2 充電枪电子锁

2.1 电子锁机械原理

充电电子锁是为防止充电过程中充电枪意外松动、脱落造成触电、车辆财产安全隐患，而在充电前必须锁止的一道堡垒。图2为慢充系统电子锁的结构构成，电子锁主要由锁舌、锁槽、锁销几个部分构成，当进行交流充电时，工作人员需要按下充电枪上的按钮，按钮与锁舌采用的是机械联动方式，当充电按钮被按压时锁舌将向上偏移打开，此时可以轻松将充电枪插入慢充口中，当松开手后锁舌正好落入锁槽内，同时检测到充电枪时锁止电机运转，锁销伸出压住锁舌，此时充电枪处于锁止状态，只有按下钥匙解锁键或拉动机械解锁开关时，促使锁销复位方能按压按钮取出充电枪。

2.2 电气原理

如图3所示，比亚迪e5的的充电枪电子锁由BCM模块管控，当电控总成通过到CC、CP信号确认充电枪已经连接后，通过硬线B28（A）-12∽G2R-17将充电连接信号传递给BCM模块，接收到充电信号后，BCM将供给电子锁B53（B）-3→B53（B）-4的短暂锁止电流，同理如果是车辆完成充电或接收到遥控解锁信号时，BCM则提供B53（B）-4→B53（B）-3的解锁电流，电子锁上还设有B53（B）-5的检测端子通过闭、开锁两种状态分别向BMS反馈高、低电平信号。

3 慢充控制策略

交流充电的时间长达8-10h之久，但是这种充电方式对电池的容量损耗、性能、寿命等影响均小，小电流还有利于电池充电均衡的进行，锂离子电池的充电可分成涓流、恒流、恒压、终止四个阶段，由于电池需要适宜的工作环境温度，所以在充电过程中可能会启动相关的热管理管控，交流充电主要经历以下几个环节（图4）：

（1）CC充电连接确认。cc主要通过检测点3的电压变化来判别充电枪的连接状态， 车辆控制装置、RC、R4、S3、PE构成了cc回路，通过cc能识别充电枪三种连接状态方式，当处于未连接时检测点3采集的是电路的开路电压，当处于半连接状态时，采集的是R3+R4两端电压，当处于全连接时，s3闭合，R4短接，采集的是Rc端的电压信号。此外通过cc回路中的R4阻值大小还能识别充电枪的阈值电流，根据GB/T 18487.1-2015《电动车辆传导充电系统 一般要求》可查得1.5KΩ对应10A，680Ω对应15A，220Ω对应32A，100Ω对应63A。

（2）CP充电控制确认。供电控制装置、R1、D1、R3、R2、S2、PE构成了CP回路，其中R1标称值为1000Ω，R2标称值为1300Ω，R3标称值为2740Ω，D1二极管的管压降为0.7V，CP同样兼具双重功能，一是确定充电枪的连接状态，当检测点1检测到的电压从开路的12V变成9V时，代表充电枪已经连接，接下来开关S1切换到幅值为12V的PWM信号源，检测点2检测到幅值为9v的PWM信号后对车载充电系统进行自检，满足充电要求时驱动S2闭合，监测点1检测到回路信号拉低成6v时且自检正常后接通K1、K2向车载充电机供电，二是根据PWM信号10%≤D≤85% IMAX=D*100*0.6可以获取充电桩的最大供电电流，并与充电枪阈值电流、车载充电机极限输出电流比较，取最小值储存在OBC内作为本次最大允许充电电流。

（3）充电过程管控。充电过程是车载充电机、VTOG、BMS、VCU等多模块相互协同工作的结果，BMS会实时发送电池电压、电量、温度信息，OBC会发送当前的充电电压电流信息，同时检测点2不间断采集PWM信号，当占空比发生变化时，OBC调整实时输出功率，充电设备又可以将监测的下游电流反应在PWM信号上，形成一个闭环反馈回路。

（4）充电停止。当OBC通过CAN总线获悉电池充满电时，切断S2，CP回路信号上拉至9V，S1切回12V处于待机状态，超过3s若s2无动作则断开K1、K2结束充电。

4 充电失效

导致车辆无法正常充电的因素是错综复杂的，在对充电系统进行故障排查时，为了便于检修，应先保证车辆能够正常上电运行的基础上结合仪表现象与检测工具进行分析，以下为车辆能Ready的情况下分几点进行探讨。

（1）插枪仪表无反应。车辆能ready代表车辆高压系统、仪表等低压供电及CAN网络正常，且相关双路电继电器正常，造成车辆仪表无法唤醒的因素最有可能是CC、CP回路信号失真，此时需要验证回路的电压、电阻是否异常，同时需要检查充电口、VTOG等插接件处的针脚是否出现退针、松动造成接触不良的现象。

（2）仪表能点亮但不能充电。可以通过借助解码仪读到充电口温度传感器、车载充电机相关故障代码，但如果是VTOG到OBC、BMS之间的的硬线唤醒线路故障、车载充电机熔断器被熔断等是读不到故障代码的，此时需要结合数据流作进一步分析，同时还可以采用启动车辆下充电的方式对BMS无唤醒怀疑对象进行排查。

（3）充电过程中跳枪。出现此种问题往往是动力电池不均衡所致，可以通过解码仪读取单体压差信息、系统电池电压，比对是否存在仪表电量虚标需重新标定以及车载充电机程序乱码均可导致跳枪现象。

5 结束语

随着电池技术不断改善提升，将来有望采用功率更大，效率更高的充电设备进行充电，特别是如果电动车融入超级电容、飞轮电池等技术后，将大大缩短充电时间，实现高效能的无线充电将是未来充电技术的主流方向，鉴于笔者经验有限，以上分析难免有谬误请多多指教。

参考文献：

[1]闫云敬.电动汽车充电系统故障诊断及检修[J].汽车实用技术，2020（06）：13-15.

[2]弋国鹏，魏建平.电动汽车控制系统及检修[M].北京：机械工业出版社，2020.4.

[3]GB/T 18487.1‐2015《电动车辆传导充电系统 一般要求》.

[4]比亚迪5AEV-18款-电器原理图册.