孫煥新

摘要：電動汽車是未來北京市新能源汽車的發(fā)展方向，而綠色環(huán)保的電動汽車其動力能源補給情況備受社會關(guān)注，本文針對純電動汽車的充電模式做了詳細的介紹，以北汽EV200純電動車為例，分析了慢充與快充兩種充電模式的結(jié)構(gòu)與原理，結(jié)合電動汽車在交流充電過程中系統(tǒng)控制策略，對交流充電系統(tǒng)導(dǎo)引電路具體分析，并闡述了充電過程中的判斷連接狀態(tài)、識別承載電流、監(jiān)測充電過程、安全保護等功能。

關(guān)鍵詞：電動汽車；充電模式；電路分析

電動汽車的充電系統(tǒng)是汽車動力的能源補給系統(tǒng)，保障車輛持續(xù)行駛提供動力能源，動力電池的剩余電量決定了電動車的行駛里程，而其充電時效性和便捷性則影響了使用者的行車計劃。對于純電動汽車來說，充電系統(tǒng)會依據(jù)動力電池的實時狀態(tài)進行控制啟動充電和停止充電，同時依據(jù)動力電池的電量、溫度控制調(diào)節(jié)充電電流及電池加熱。操作者可以根據(jù)電動汽車充電時長的需求來選擇相應(yīng)的充電模式。

1.充電模式介紹

總所周知，制約純電動汽車普及發(fā)展的主要因素為續(xù)航里程短、充電時間長、購買價格昂貴。其中，與我們消費者息息相關(guān)、涉及到操作安全性的那就是電動車的充電了。依據(jù)國際標準IEC61851-1中規(guī)定的電動汽車不同的充電模式（見表1），我們可以初步了解一下這幾種常見的充電模式。

充電模式1——由于家用充電插座內(nèi)不帶控制導(dǎo)線和接近導(dǎo)線，充電模式1無法與車輛建立通信，充電時無法限制和確認最大電流強度，所以大部分廠家都不采用。

充電模式2——這是一種通過控制導(dǎo)線將家用電源與車輛建立連接與通信的充電模式。相比充電模式l增加了充電電纜對電動汽車進行充電，車內(nèi)車載充電機可以與交流電網(wǎng)建立連接，由于車載充電機的主要作用是將交流220V電壓轉(zhuǎn)換為高壓直流電（約440V左右）給動力電池，因此這種充電模式滿足了對車輛充電的基本要求。家用插座中可使用16A的空調(diào)插座。因此充電模式2適用非常廣泛，可設(shè)立在家里及公共充電站等。

充電模式3——這是一種主要用在公共交流充電樁的充電模式（見圖2）。與車輛通信協(xié)議跟充電模式2類似，只是兩者相比在充電模式2中，家用電源插頭連接集成式電纜箱，然后與車端充電口連接；而充電模式3中樁端充電接口直接與車端充電接口連接。在公共交流充電樁多數(shù)采用這種充電模式為電動汽車充電。

充電模式4——這種充電模式主要是應(yīng)用于直流充電樁對電動汽車進行快速充電，由于是380V的DC直流供電，電壓可以直接通過車輛端的快充口進入車輛，這種充電方式與慢充最大的區(qū)別是電流電壓較高，時間較短，不通過車載充電機而直接到達高壓控制盒，在充電樁與整車控制器VCU、動力電池管理系統(tǒng)BMS之間通訊正常后，便可以直接為動力電池充電。但這種充電方式對電池的損害較大，對電池保護散熱方面要求更高，所以并不是每款車型都可快速充電。直流充電樁僅部分車型支持，如特斯拉、北汽新能源等車型。動力電池長期快速充電會影響電池的使用壽命。因此并不建議常使用直流充電樁進行充電。

以上是電動汽車常用的充電模式。通過對比國內(nèi)外電動汽車充電接口與標準，可以總結(jié)出如圖3所示的供電設(shè)備的充電插頭與插座連接方式，以及車輛充電接口處的結(jié)構(gòu)示意圖，為后續(xù)分析充電系統(tǒng)控制電路作參考。

電動汽車的充電模式按接口類型可以分為交流充電（俗稱慢充）及直流充電（俗稱快充）兩種方式。慢充系統(tǒng)使用交流220V單相民用電，通過整流變換，將交流電變換為高壓直流電給動力電池進行充電。慢充系統(tǒng)主要由供電設(shè)備（電纜保護盒、充電樁、充電線等）、慢充接口、車載充電機、高壓控制盒、動力電池、整車控制器、高壓線束和低壓控制線束等組成。如圖4所示?？斐湎到y(tǒng)一般使用工業(yè)380V三相電，通過功率變換后，直接將高壓大電流通過母線直接給動力電池進行充電?？斐湎到y(tǒng)主要由充電設(shè)備（充電樁）、快充接口、高壓控制盒、動力電池、整車控制器、高壓線束和低壓控制線束等組成。

2.充電模式結(jié)構(gòu)原理分析

2.1慢充模式結(jié)構(gòu)原理分析

以北汽EV200純電動車為例，當(dāng)車輛處于慢充狀態(tài)時，其慢充模式結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。首先將充電槍與車輛慢充口連接，車載充電機在充電開始時與整車控制器（VCU）進行通訊，當(dāng)車輛慢充口與充電線導(dǎo)通之后，車載充電機會對整車控制器發(fā)出信號，整車控制器再喚醒儀表顯示連接狀態(tài)，車載充電機同時喚醒整車控制器和動力電池的BMS，整車控制器喚醒儀表啟動顯示充電狀態(tài)；整車控制器發(fā)出指令給動力電池的BMS，使其控制動力電池內(nèi)部的正、負主繼電器閉合，進而使動力電池充電。

2.2快充模式結(jié)構(gòu)原理分析

與慢充模式相比，快充模式則不需要借助車載充電機來完成充電。因為直流快充樁可以提供的較高的電流和電壓以實現(xiàn)電動汽車對快充的需求?？斐溥^程的控制流程如下：首先在整車控制器VCU初始化后，喚醒電池BMS低壓供電，低壓自檢完成后CAN發(fā)出信號，快充繼電器閉合，電池高壓負繼電器閉合，電池高壓檢測后高壓系統(tǒng)預(yù)充電，高壓系統(tǒng)檢測完畢進行動力電池高壓充電。

3.充電系統(tǒng)控制電路分析

動力電池的充電過程是一個先連接通信及后監(jiān)控實施的過程。在這里將充電系統(tǒng)的控制策略做一下簡要的分析介紹。以圖3中充電模式3連接方式c為例，即通過交流充電樁內(nèi)的充電插頭與車輛連接進行充電的方式，進行充電系統(tǒng)控制電路分析，其電路原理圖如圖7所示。該控制電路主要有以下功能判斷連接狀態(tài)、識別承載電流、監(jiān)測充電過程、安全保護。

3.1判斷連接狀態(tài)

充電連接狀態(tài)可以通過對電路內(nèi)檢測點的電壓變化以及兩點間的電阻來判斷。在使用交流充電樁充電時，交流充電樁的供電端需與車輛端連接，在充電槍插入車輛端之前需要先按下充電槍上面的機械鎖，電路中的s3是動作響應(yīng)開關(guān)，此時檢測點3的電壓會因s3的閉合而變化，車輛控制裝置會檢測出充電槍已經(jīng)連接的狀態(tài)信號。另外，車輛控制裝置也可以通過測量PE與檢測點3的電阻方法來判斷車輛插頭與車輛插座是否完全連接。未連接時PE與檢測點3之間電阻無窮大，而按下充電槍上的機械鎖之后阻值僅為充電連接裝置的內(nèi)阻。

3.2識別承載電流

在標準GBT20234.2-2011的控制電路（見圖7）中，供電設(shè)備的輸出電壓為220V，但供電電流并未確定，目前有16A和32A兩種。決定供電電流的裝置就是充電連接裝置的內(nèi)置電阻，其電阻值和電纜承載電流的大小相匹配。在交流充電連接裝置可分為16 A和32A的兩種功率充電環(huán)境下，通過分別對兩組充電樁充電時內(nèi)置電阻與PWM信號進行測試，測得的數(shù)據(jù)就可以說明這個問題。當(dāng)充電樁電流為16A時，車輛控制裝置通過測量檢測點3與PE之間的電阻約680歐，檢測點2的PWM信號占空比73.4%頻率1.0KHZ；當(dāng)充電樁電流為32A時，車輛控制裝置通過測量檢測點3與PE之間的電阻約220歐，檢測點2的PWM信號占空比46.6%頻率1.0KHZ；可見充電樁設(shè)定的額定電流，與確認當(dāng)前供電設(shè)備的最大供電電流成低位倍率關(guān)系，因此可以確定充電電流的上限。

3.3監(jiān)測充電過程

充電過程中，檢測點可以將頻率、占空比信號及各狀態(tài)下的電壓變化反饋給供電控制裝置和車輛控制裝置。操作者啟動充電設(shè)置后，若供電設(shè)備無故障，則檢測點1處電壓應(yīng)為12V；操作者取下供電設(shè)備端的充電槍并按下機械鎖時s3閉合，但車輛接口并未完全連接時，檢測點1處電壓為9V；當(dāng)充電槍已經(jīng)完全連接到車輛充電端口后s2閉合，此時檢測點l處電壓急速下降，供電設(shè)備通過CC連接確認信號并檢測充電線可耐受的電流，把s1開關(guān)從12V端切換到PWM端；當(dāng)檢測點1電壓降到6V時，供電設(shè)備K1和K2開關(guān)閉合輸出電流，則供電回路導(dǎo)通，當(dāng)電動汽車和供電設(shè)備建立電氣連接后，車輛控制裝置通過判斷檢測點2的PWM信號占空比確認供電設(shè)備的最大可供電能力，如充電樁16A則以占空比為73.4%，因此CP端電壓在6V至.12V之間波動，而CC端電壓從4.9V（連接狀態(tài)）下降至1.4V（充電狀態(tài)）。當(dāng)車輛控制裝置判斷充電連接裝置已完全連接（即s3、s2閉合），并完成車載充電機最大允許輸入電流設(shè)置（s1切換到PWM端、K1和K2閉合）后，車載充電機開始對電動汽車進行充電。

3.4安全保護

在充電過程中，由于誤操作或意外，都會導(dǎo)致觸電及人身傷亡等事故發(fā)生。為了降低或避免危害產(chǎn)生，會在非正常條件下進行充電結(jié)束或停止的安全保護。例如在交流充電過程中，機械鎖開關(guān)s3斷開并持續(xù)了一段時間，那么在檢測點3處或CC端電壓就會出現(xiàn)明顯的變化，車輛控制裝置則判斷出充電系統(tǒng)處于未連接狀態(tài)，從而控制車載充電機停止充電，同時斷開s2，提前降低或切斷電流輸出，避免在此過程中由于誤拔充電槍而產(chǎn)生的拉弧及其他危害。