浅析电动汽车交流充电系统的工作原理及故障诊断

深圳市龙岗职业技术学校 易小彪

1 电动汽车交流充电系统工作原理

《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》（GB/T 18487.1—2015）将电动汽车充电模式分为4种，充电模式1是使用家用交流电直接对车辆进行充电，由于没有加装缆上控制保护装置（IC-CPD，执行控制功能和安全功能），该充电模式已经被禁止使用；充电模式2是在充电模式1的基础上加装IC-CPD，使车辆可以安全使用家用交流电进行充电；充电模式3是使用交流充电桩对车辆进行充电；充电模式4是使用直流充电桩对车辆进行充电（即快充）。GB/T 18487.1—2015中将车辆充电连接方式分为3种，连接方式A是将电缆组件集成在车辆上，该连接方式较少被使用；连接方式B是使用独立的电缆组件，电缆组件两端为可拔插的车辆插头和供电插头，该连接方式适用于单相交流电，充电电流小于32 A；连接方式C是将电缆组件集成在充电桩上，该连接方式适用于三相交流电（也适用于单相交流电），充电电流大于32 A。另外，连接方式A、连接方式B、连接方式C适用于充电模式3。

如图1所示，电动汽车交流充电控制系统主要由电动汽车交流充电装置、车载充电机、动力电池管理系统（BMS）、高压配电箱、高压动力电池、直流电压转换器（DC/DC）及低压蓄电池等部件组成，除电动汽车交流充电装置外，其他部件都安装在车辆内部。

电动汽车单相交流充电工作电路如图2所示，该电路由供电控制装置、剩余电流保护装置、接触器（K1、K2）、电阻（R1、R2、R3、R4、RC）、二极管（D1）、开关（S1、S2、S3）、车载充电机及车辆控制装置等部件组成，在给车辆充电时，仅需十几秒即可完成充电连接过程。

图1 电动汽车交流充电控制系统示意图

电动汽车充电过程包括车辆与充电枪连接、车辆与充电装置确认充电、车辆开始充电及车辆解除充电4个步骤。

（1）车辆与充电枪连接时，充电枪中的电阻RC通过接口CC与接口PE连接到电路中，车辆控制装置（集成在车载充电机或其他车载控制单元中）通过测量检测点3与接口PE之间的电阻大小，判断充电枪是否已经与车辆插座连接。当连接完成后，车辆控制装置通过CAN网络向组合仪表发出连接完成信号，组合仪表上的充电指示灯点亮。

（2）在充电枪与车辆连接完成后，供电控制装置与开关S1、电阻R1、二极管D1、电阻R3及车身搭铁之间形成回路。通过检测点1的12 V电压经R3分压成9 V电压，电动汽车交流充电装置测量到检测点1的电压变化后，控制开关S1接通到PWM端。供电控制装置通过接口CP给车辆控制装置提供一个±12 V的方波脉冲控制信号，在充电时，车载充电机将通过测量传递到车辆控制装置的方波脉冲信号，来监控车辆的充电状态，确保充电过程安全。

图2 电动汽车单相交流充电工作电路

（3）在车辆与充电枪连接完成、车辆与充电装置确认充电后，还需开关S2闭合才可以开始充电。开关S2是车辆内部开关，受车辆控制装置控制，只有在充电枪与车辆完全连接，充电枪接口电子锁完全被锁止且车载充电机、BMS、DC/DC等高压控制单元完成自检，确认没有故障后，车辆控制单元才会控制开关S2闭合。开关S2闭合后，电阻R2与电阻R3并联，检测点1处的电压由9 V变成6 V，电动汽车交流充电装置测量到检测点1的电压变化后，控制接触器K1与接触器K2闭合，此时车载充电机接通220 V交流电，220 V交流电经车载充电机升压整流后给高压动力电池进行充电。BMS实时监控充电过程中高压动力电池电压及高压动力电池温度等数据（单节电池电压为3.6 V～3.7 V，单节电池的电压差小于0.5 V；单节电池温度温度为0 ℃～50 ℃，单节电池温度差小于15 ℃），确保充电过程安全，如果发现故障，可以立即停止充电。

（4）解除充电可分为未充电完成直接将充电枪与车辆脱开及充电完成后车辆交流充电装置自动断开充电两种。若未充电完成直接将充电枪与车辆脱开，此时需要按下充电枪上的下压按钮（用以触发机械锁装置），此时开关S3将断开（解除充电开关，为常闭状态，与充电枪上下压按钮联动），充电将停止并解除充电枪接口电子锁；若充电完成车辆交流充电装置自动断开充电，BMS通过CAN网络与车辆控制装置通信，开关S2断开，此时检测点1的电压将由6 V变成9 V，电动汽车交流充电装置测量到检测点1的电压变化后，控制接触器K1与接触器K2断开，此时充电将停止并解除充电枪接口电子锁。

2 电动汽车交流充电系统故障诊断

故障现象 一辆2017款比亚迪E5车无法使用交流电充电，直流电充电正常。

故障诊断 接车后首先试车，按下起动按钮对车辆上电，车辆可行驶信号灯（OK灯）点亮，由此说明车辆已经满足可以行使的必要条件。将充电枪与车辆连接，组合仪表充电指示灯不点亮，由此说明车辆无法正常充电。

将充电枪与车辆连接后，使用故障检测仪检测，故障检测仪无法进入双向逆变充放电式电机控制器（VTOG）、BMS、DC/DC等高压控制单元，并无法读取系统故障代码及数据流。

查看比亚迪E5车交流充电控制原理图（图3），与前文介绍的交流电充电原理相同，但在结构分布上有所差别，充电过程主要分为以下2个阶段。

（1）充电枪连接确认阶段。充电枪与车辆连接后，VTOG检测到充电枪中的电阻RC连入电路中，VTOG输出充电枪连接完成信号给车身控制单元（BCM），BCM接收到VTOG传输过来的信号后，控制双路继电器（在车辆起动上电及车辆充电时，该继电器均工作）给VTOG、BMS、DC/DC等高压控制单元提供12 V电压，各控制单元接收到12 V电压后便进行自检。

（2）充电枪供电充电阶段。当各控制单元自检完成，便会进入充电阶段。BMS控制高压动力电池内的接触器、配电箱中的预充接触器吸合进行预充，预充完成后，VTOG通过接口CP传输过来的方波脉冲控制信号控制交流充电枪内交流接触器吸合，并断开配电箱中的预充接触器，交流充电枪输出的220 V电压进入VTOG输入端，经升压整流后给高压动力电池进行充电。

根据比亚迪E5车交流充电控制原理，初步判断故障产生的可能原因有随车充电枪及相关电路故障、VTOG及其相关电路故障、双路继电器及其相关电路故障等。

首先检查随车充电枪及其相关电路是否故障（图4），将随车充电枪供电插头连接完成，使用万用表测量充电枪车辆插头端，测得随车充电枪接口CC与随车充电枪接口PE之间的电阻为1.5 kΩ，正常；随车充电枪接口CP与随车充电枪接口PE之间的电压为12.3 V，正常；随车充电枪接口L与随车充电枪接口N之间的电压为0 V，正常。由于随车充电枪接口CP端的方波脉冲控制信号是在车辆充电情况下由供电控制装置进行控制，所以通过检测随车充电枪接口CP端的静态电压不能完全确定随车充电枪是否故障。正好有新的随车充电枪，便将新的随车充电枪与车辆连接，结果故障依旧，由此说明随车充电枪没有故障。

使用万用表测得车身接口L与车身接口N到VTOG线路导通性正常，车身接口PE与车身搭铁之间导通性也正常。脱开VTOG导线连接器B28A（图5），使用万用表测得车身接口CC与VTOG导线连接器B28A端子13及车身接口CP与VTOG导线连接器B28A端子47之间的线路电阻均小于1 Ω，电阻正常。

图3 比亚迪E5车交流充电控制原理图

图4 随车充电枪接口图

图5 VTOG相关电路

图6 双路继电器相关电路

接着检测VTOG供电线路，由于VTOG是由双路继电器进供电，因此检查双路继电器及其相关电路是否正常。查看双路继电器相关电路（图6），发现双路继电器直接由BCM控制，车辆起动上电时，由钥匙和进入系统确认后，BCM控制双路继电器工作给高压电控单元供电；车辆充电时，由供电控制装置与VTOG确认后，BCM控制双路继电器工作给VTOG、BMS、DC/DC等高压控制单元供电，实现车辆交流充电。

将充电枪与车辆连接，使用万用表测得熔丝F2/4两端电压为12 V，电压正常，熔丝F2/32与熔丝F2/33两端电压均为0 V（充电情况下应为13.6 V），不正常，说明双路继电器在充电情况下并没有工作。因为车辆上电后OK灯可以正常点亮，所以双路继电器是正常的，因此重点检测VTOG至双路继电器之间的控制电路。检测BCM导线连接器G2P端子5与车身搭铁之间电压，为0 V（正常值为12 V），不正常；将充电枪与车辆脱开，并脱开BCM导线连接器G2P，测得BCM导线连接器G2P端子5与车身搭铁之间的电阻约为76 Ω（双路继电器控制线圈），正常，由此说明BCM并没有输出电压控制双路继电器工作。

脱开VTOG导线连接器B28A及BCM导线连接器G2R，使用万用表测得VTOG导线连接器B28A端子12与BCM导线连接器端子17之间的电阻为∞，不正常。脱开导线连接器BJG05，测得VTOG导线连接器B28A端子12与导线连接器BJG05端子26之间电阻小于1 Ω，正常，由此确定导线连接器BJG05端子26与BCM导线连接器G2R端子17之间线路断路。

故障排除 检查导线连接器BJG05端子26及BCM导线连接器G2R端子17，发现导线连接器BJG05端子26退针松脱（图7）。将导线连接器BJG05端子26复位，装复各导线连接器，将充电枪与车辆连接，此时充电正常，使用万用表测量熔丝F2/32、熔丝F2/33之间电压均为13.8 V，正常，至此故障排除。

因为电动汽车充电不当会埋下高压动力电池着火的隐患，因此确保充电安全十分重要，以安全优先的原则设计逻辑控制关系，交流充电涉及的控制单元较多，充电逻辑关系复杂，因此在遇到故障维修时，需要厘清工作原理，再对故障进行排查。

图7 导线连接器BJG05端子26退针松脱