劉 新， 王建平， 程 堯， 蘇 磊， 李 燕， 肖 恩

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院， 湖北 武漢 430056）

1 概述

新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)， 近幾年得以蓬勃發(fā)展， 尤其是純電動(dòng)汽車， 已經(jīng)具有一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模與先發(fā)優(yōu)勢(shì)。 在國(guó)家大力支持下， 國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車立足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)， 逐步進(jìn)軍海外市場(chǎng)， 旨在實(shí)現(xiàn)彎道超車。 中國(guó)電動(dòng)汽車在全球化推廣和使用中， 面臨著國(guó)內(nèi)外充電接口標(biāo)準(zhǔn)、 充電數(shù)字通信方式、 控制方法不統(tǒng)一等制約， 導(dǎo)致按國(guó)標(biāo)開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)汽車在海外市場(chǎng)無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)充電互聯(lián)互通， 需要做適應(yīng)性設(shè)計(jì)變更。 本文以某純電動(dòng)汽車為例， 研究并制定適配歐美市場(chǎng)的充電解決方案。

2 充電技術(shù)差異

國(guó)內(nèi)外充電技術(shù)差異， 主要表現(xiàn)在充電接口、 充電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、 充電控制方式等差異。

2.1 充電接口

國(guó)內(nèi)充電接口分為交流充電接口與直流接口， 交直流充電接口分離。 歐美市場(chǎng)充電接口普遍采用交直流一體化接口， 美標(biāo)與歐標(biāo)充電口存在一定差異， 但較為接近。 如圖1～圖4所示。

圖1 歐標(biāo)充電插座

圖4 國(guó)標(biāo)直流充電插座

2.2 充電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車充電主要按照GB/T 20234—2015、 GB/T 27930、 GB/T 18487—2015等系列標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)。 其中， GB/T 27930是針對(duì)GB/T 20234.3—2015直流充電接口定制的通信協(xié)議， 交流充電通信協(xié)議由車企自定義。

圖2 美標(biāo)充電插座

圖3 國(guó)標(biāo)交流充電插座

歐美國(guó)家的聯(lián)合充電系統(tǒng) (Combined Charging System）， 即 “CCS” 標(biāo)準(zhǔn)， 由SAE以及8家歐美車企制定， 其一體化交直流充電接口標(biāo)準(zhǔn)被IEC采納， 其參考的標(biāo)準(zhǔn)主要是ISO 15118、 DIN 70121等。

2.3 充電控制方式

國(guó)標(biāo)直流充電按照GB/T 27930進(jìn)行CAN通信， 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)充電流程， 依次是物理連接、 低壓上電、 充電握手、 充電參數(shù)配置、 充電階段、 充電結(jié)束階段。 從握手到結(jié)束， 以互發(fā)標(biāo)準(zhǔn)定義的報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行信息交互， 保證充電的進(jìn)行。

歐美CCS充電通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)ISO 15118、 DIN 70121是基于PLC通信， 和國(guó)標(biāo)充電通信方式完全不同。 CCS充電接口連接美標(biāo)充電槍獲取電能， 電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并控制充電過(guò)程， CCS充電樁與整車的控制信息交互是基于插槍連接信號(hào)PP與控制導(dǎo)引信號(hào)CP， 根據(jù)PWM確認(rèn)充電電流大小等。

2.4 其他

除了充電接口、 充電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、 充電控制方式3個(gè)方面， 國(guó)內(nèi)外充電技術(shù)還表現(xiàn)在喚醒方式、 充電策略、 電子鎖控制等方面， 后文將詳細(xì)展開(kāi)。

3 CCS充電方案

基于國(guó)內(nèi)外充電技術(shù)的差異， 為適配歐美市場(chǎng)充電，本方案增加通信轉(zhuǎn)化模塊 （EVCC）。 CCS充電原理如圖5所示， 整個(gè)CCS充電系統(tǒng)由充電口、 充電連接線纜、 BMS、EVCC、 充電機(jī) （OBC） 電池包 （pack） 等組成。 其中， 電池管理系統(tǒng) （BMS） 檢測(cè)充電連接信號(hào) （PP） 與充電口溫度， EVCC檢測(cè)CP信號(hào)及控制電子鎖， BMS與EVCC之間仍以CAN通信方式進(jìn)行交互， EVCC與美標(biāo)充電樁交互的信息， 主要是將控制引導(dǎo)信號(hào) （CP） 轉(zhuǎn)化成符合GB/T 27930的CAN信號(hào)， 共同完成充電流程。 下文從以下幾個(gè)方面將充電方案詳細(xì)展開(kāi)。

圖5 CCS充電原理圖

3.1 喚醒方式

整 車 向EVCC、 OBC、 BMS 供12V 常 電。 插 槍 之 后，EVCC由CP信號(hào)喚醒， EVCC被喚醒后輸出喚醒信號(hào)到整車控制器 （簡(jiǎn)稱VCU）， VCU輸出喚醒信號(hào)到電池管理系統(tǒng)(BMS） 及其他控制器。 BMS喚醒后， 發(fā)出電子鎖上鎖和S2閉合指令， 交流220V輸入到車載充電機(jī) （OBC）， OBC檢測(cè)到220V并自檢無(wú)問(wèn)題后， 完成低壓上電。

3.2 電子鎖控制策略

3.2.1 電子鎖原理

如圖6所示， 本方案采用4芯電子鎖， 電子鎖共計(jì)4根線。 其中， 紅白線束為電子鎖12V供電線束， 藍(lán)黃為信號(hào)反饋線束。 EVCC執(zhí)行上鎖時(shí)， 紅色線束接+12V， 白色接搭鐵， 接通時(shí)間約500ms， 電子鎖內(nèi)部微電機(jī)正轉(zhuǎn)， 且電子鎖推桿與微動(dòng)開(kāi)關(guān)聯(lián)動(dòng)， 藍(lán)黃輸出導(dǎo)通狀態(tài)反饋到EVCC。EVCC執(zhí)行解鎖與之相反。 在整車斷電情況下， 如果電子鎖處于鎖止?fàn)顟B(tài)， 可拉動(dòng)手動(dòng)解鎖繩索， 以便充電槍拔出。

圖6 電子鎖原理圖

3.2.2 直流充電模式電子鎖控制策略

EVCC被喚醒后， 根據(jù)有效PWM大小再判斷直流還是交流充電模式， 有效PWM 為3%～7%， 則判斷為直流充電（DC） 模式， 有效PWM為9.5%～96.5%， 則判斷為交流充電（AC） 模式。

直流充電中， 區(qū)別于國(guó)標(biāo)直流充電的電子鎖安裝在充電槍端， 電子鎖由供電設(shè)備控制。 CCS充電電子鎖由車輛端EVCC根據(jù)充電流程直接控制， 在充電準(zhǔn)備階段， EVCC直接閉合電子鎖， 充電結(jié)束后， EVCC會(huì)直接斷開(kāi)電子鎖?；蛘連MS接收到儀表臺(tái)電子鎖解鎖信號(hào)， 會(huì)主動(dòng)向EVCC發(fā)出BST報(bào)文， EVCC也會(huì)斷開(kāi)電子鎖。

3.2.3 交流充電模式電子鎖控制策略

交流充電中， 和國(guó)標(biāo)接近， 電子鎖控制由車輛端控制器控制， 這個(gè)控制器可以是OBC、 EVCC或者BMS。 本方案電子鎖由BMS控制， 當(dāng)BMS被喚醒后， 充電槍連接正常，BMS會(huì)發(fā)出電子鎖上鎖指令， EVCC根據(jù)指令閉合電子鎖。充電結(jié)束后， 當(dāng)充電電流降為0， BMS會(huì)主動(dòng)發(fā)出電子鎖解鎖指令， 或者BMS接收到儀表臺(tái)電子鎖解鎖信號(hào)， 會(huì)主動(dòng)向EVCC發(fā)出開(kāi)鎖指令， EVCC也會(huì)斷開(kāi)電子鎖。

3.3 插槍信號(hào)(CC2/PP）檢測(cè)

CCS充電除了控制方式和充電座與國(guó)標(biāo)有較大的差異，插槍信號(hào) (CC2/PP） 檢測(cè)電路也和國(guó)標(biāo)不同， 需要重新設(shè)計(jì)。 同時(shí)， 雖然歐標(biāo)和美標(biāo)的控制方式基本一致， 但是在PP檢測(cè)方面也存在差異。 本方案基于歐標(biāo)和美標(biāo)PP硬件檢測(cè)電路通用化的理念， 設(shè)計(jì)以下方案。

國(guó)標(biāo)直流插槍檢測(cè)電路如圖7所示， 車輛端和充電接口端分別設(shè)計(jì)1kΩ電阻， 上拉電壓為12V， 充電槍插槍完成后， BMS檢測(cè)到6V的電壓信號(hào)， 表示插槍連接正常， 可進(jìn)入充電流程。 國(guó)標(biāo)交流插槍檢測(cè)電路如圖8所示， S3閉合后， 根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)與PE之間電阻判斷插槍連接與交流充電槍的容量。

圖7 國(guó)標(biāo)直流插槍檢測(cè)電路

圖8 國(guó)標(biāo)交流插槍檢測(cè)電路

CCS充電口是交流直流一體化的， 所以交流與直流PP電路完全一樣。 其中， 歐標(biāo)與美標(biāo)供電接口的電阻及電路有較大差異， 詳見(jiàn)圖9與圖10。 美標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)注明了車輛端上拉電阻為330Ω， 除了車輛端檢測(cè)PP電壓， 供電端也會(huì)檢測(cè)， 故上拉電壓是特定值， 美標(biāo)定義為5V。 歐標(biāo)槍頭PP與槍尾接線端不連通， 樁端不需要檢測(cè)PP電壓.所以對(duì)于車端的檢測(cè)電壓源和上拉電阻沒(méi)有做要求， 理論上任意電壓與電阻均可， 只要車端可以判斷插槍已連接即可。

圖9 美標(biāo)插槍檢測(cè)電路

圖10 歐標(biāo)插槍檢測(cè)電路

基于國(guó)標(biāo)、 CCS歐標(biāo)與CCS美標(biāo)的差異， 車輛端參考美標(biāo)設(shè)計(jì)5V上拉電壓與330Ω上拉電阻， 以便確保車輛端硬件電路的一致性， 但由于槍端電阻不同， 需要BMS軟件對(duì)歐標(biāo)與美標(biāo)檢測(cè)電壓作區(qū)分。

3.4 充電流程

插槍之后， CP喚醒EVCC， EVCC輸出喚醒信號(hào)到VCU，進(jìn)而間接喚醒BMS與儀表等。 詳細(xì)充電流程參見(jiàn)圖11。

1） 直流充電模式下， EVCC自檢無(wú)故障后， 閉合電子鎖。 當(dāng)EVCC 持續(xù)監(jiān)測(cè)到一個(gè)峰值電壓為6V 的CP 信號(hào)(PWM）， 會(huì)發(fā)送CHM信號(hào)進(jìn)入GB/T 27930充電流程。 充電中， EVCC通過(guò)PWM占空比獲取充電樁的電流輸出能力，BMS的請(qǐng)求電流通過(guò)CAN通信發(fā)送給EVCC。 充電結(jié)束后，包括人為終止充電， BMS收到來(lái)自儀表臺(tái)解鎖開(kāi)關(guān)的高電平信號(hào)， BMS發(fā)送BST報(bào)文， 斷開(kāi)接觸器， EVCC會(huì)斷開(kāi)電子鎖， BMS和EVCC分別延時(shí)2s、 5s后休眠， 如圖11、 圖12所示。

圖11 充電流程圖

圖12 直流充電報(bào)文

2） 交流模式下， BMS自檢無(wú)故障， 且插槍信號(hào) (PP）有效， 會(huì)向EVCC發(fā)送上鎖指令和S2閉合指令， EVCC執(zhí)行以上指令并將狀態(tài)反饋給BMS。 S2 閉合后， 充電樁AC 220V輸出到車載充電機(jī) （OBC）， OBC被喚醒后處于待命狀態(tài)。 BMS收到電子鎖上鎖與S2閉合狀態(tài)信號(hào)后， 且收到整車上高壓指令， 會(huì)依次閉合主負(fù)繼電器與充電接觸器 （即圖5中的K1、 K3）。 同時(shí)， BMS基于自身充電能力、 EVCC反饋的供電設(shè)備能力向OBC發(fā)送開(kāi)機(jī)指令與請(qǐng)求電流電壓。OBC比較BMS請(qǐng)求電流電壓與OBC功率， 輸出合適的充電電流。 充電結(jié)束后， 包括人為終止充電， BMS收到來(lái)自儀表臺(tái)解鎖開(kāi)關(guān)的高電平信號(hào)， BMS向EVCC發(fā)送斷開(kāi)電子鎖、S2指令， 向OBC發(fā)出停機(jī)指令， 同時(shí)請(qǐng)求電流降為0， 斷開(kāi)接觸器， 在執(zhí)行以上系列動(dòng)作后， BMS和EVCC分別延時(shí)2s、 5s后休眠， 如圖11、 圖13所示。

圖13 交流充電報(bào)文

3.5 充電故障保護(hù)機(jī)制

充電過(guò)程中， BMS發(fā)生一般故障或者其他系統(tǒng)發(fā)生故障向BMS反饋后， BMS向OBC或者EVCC發(fā)送降流請(qǐng)求， 限制充電。

若BMS或其他系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障， 例如過(guò)溫、 過(guò)壓、電子鎖故障， 未進(jìn)入充電則不進(jìn)入充電流程。 已處于充電中， 則BMS執(zhí)行故障停止充電流程， 分別向VCU發(fā)出斷開(kāi)接觸器請(qǐng)求， 向OBC和EVCC發(fā)出降流為0請(qǐng)求， 電流降為0之后， 且收到VCU允許下電指令， 則斷開(kāi)接觸器， EVCC斷開(kāi)電子鎖， 充電結(jié)束。

4 總結(jié)

本文詳細(xì)論述了海外市場(chǎng)主流的CCS充電與國(guó)標(biāo)充電的差異， 以及CCS下歐標(biāo)與美標(biāo)的部分差異， 主要表現(xiàn)在充電接口、 充電標(biāo)準(zhǔn)、 控制方式、 插槍檢測(cè)電路等方面。 基于以上差異， 展示了現(xiàn)有已開(kāi)發(fā)某車型適配歐美市場(chǎng)的充電解決方案。 以上方案詳細(xì)介紹了喚醒方式、 電子鎖控制、插槍檢測(cè)電路、 充電流程、 故障保護(hù)機(jī)制等， 并附上大量圖表以便加強(qiáng)理解。 本方案已在本公司部分車型實(shí)施， 為后期其它車型開(kāi)發(fā)出口車提供了可行的充電方案。