新能源汽车数字化充电座系统的设计

张艳　徐文强　孙志军

摘 要：随着新能源汽车的推广和使用，市场上使用的新能源充电座仍然存在过热寿命短等问题，严重影响了充电安全。本文设计了一种新型的数字化充电座系统，该设计具备温度检测、温度升高主动保护、插入力检测和拔插寿命检测等功能，旨在保障充电安全及提高充电座的使用寿命。

关键词：新能源汽车;充电安全;V2X;数字化充电座

随着内燃机的发展，汽车成为了居家生活的主要交通工具。然而汽车的发展过大地消耗了地球资源，同时也引起了环境污染。新能源汽车作为发展可替代能源，建设可持续发展低碳社会的重要一部分，越来越受到各个国家的高度重视[1]。

新能源汽车若要跟上发展的脚步，其关键技术在于充电接口，而充电接口由插头和插座组成。现有的新能源汽车充电座在充电过程中还存在过热、密封性不好等缺陷，作者走访调查几家新能源汽车4S店，发现新能源汽车维修更换充电座或者更换插座内的冠簧端子的案例很多，媒体也报道了多起新能源汽车在充电时发生自燃或爆炸事故，严重威胁新能源汽车充电系统的安全性与稳定性，也严重威胁了社会和个人生命财产安全，不利于新能源汽车在市场上的推行和使用。本文对新能源汽车的充电座存在的问题进行分析，提出一种新型的新能源汽车数字化充电座，旨在有效提升新能源汽车充电座的安全性和使用寿命。

1 新能源汽车充电座存在问题及原因分析[2]

目前市场上的新能源汽车充电座主要存在的问题是过温以及拔插寿命短，其主要有原因如下：

一是使用环境恶劣或插拔不当。4S店内新能源汽车维修更换充电座的以网约车居多，这类车通常在公共充电站进行充电，这类场所一般灰尘、杂物较多;充电站也没有规范的充电操作管理，使用者充电结束后随地放置充电枪，对车辆充电座也缺乏规范的维护保养，使充电枪和充电座中都存在杂质，导致充电枪无法正常插入充电座中。如用力过大可能会导致端子产生形变，从而使端子与充电枪接触面变小，引起高压充电座温度过高，直接会导致充电座的损坏及烧蚀。

二是充电座的温度检测不到位。国标中已要求充电座必须有温度检测的功能[3-4]，但仅靠充电座的温度检测功能并不能准确地检测到充电的实际最高温度点，并且市场上部分温感布置于充电座壳体内部（并未与端子直接接触），其检测的温度与实际最高温度最大相差可达60℃以上。因为温度检测的偏差，直接导致车辆的保护程序无法准确保护车充电座，有可能导致充电座被击穿或其他充电安全问题等。

三是端子氧化的恶性循环。由于使用环境以及产品本身的原因和温度保护的缺失，导致充电座的端子温度不断升高产生氧化物，随着这些氧化物的持续堆积，端子表面有效接触面积也越来越小，接触电阻不断增加，而在下次充电时温度又会上升，形成恶性循环，最终将导致充电座氧化严重无法继续使用。

针对以上存在的问题，需要设计一个能够更加准确监测充电座充电时的温度和充电时的插拔力的装置，能够及时提醒驾驶员充电状态和充电座的使用寿命，避免充电安全故障。

2 新能源汽车数字化充电座系统的设计

新能源汽车充电过程中，必须有一些保护和检测措施来保障充电安全，防止发生故障时对车辆或设备甚至对人体造成伤害。作者设计的新能源汽车数字化充电座系统，架构如图1所示，主要包括带有MCU（微控制单元）充电座、各种智能传感器（温度传感器、压力传感器、微动开關、电子锁、GPS等）、车联网V2X（Vehicle to Everything）、手机APP等。其功能是在充电时如果出现充电座温度升高时进行主动保护，并且对充电座插入力和插拔寿命进行检测，从而保障充电安全，提高充电座的机械寿命。

2.1 面向5G-V2X车联网芯片技术

车联网（Vehicle to Everything，简称 V2X）是未来智能交通运输系统的关键技术。它是搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（人、车、路、后台等）智能信息的交换共享，具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能，可实现安全、舒适、节能、高效行驶，并最终可替代人来操作新一代汽车[5]。

随着5G时代的到来，面向5G-V2X车联网芯片技术是智能网联汽车的中枢神经系统，当前汽车普遍搭载微控制单元（MCU）用于车身电子、底盘电子以及智能座舱的子系统运算控制，汽车行驶中的安全控制等[6]。本设计是新能源汽车使用装有智能传感器的数字化充电座向动力电池充电时，依靠5G-V2X车联网芯片技术集合车载充电机、充电座状态、车辆状态、充电桩充电枪状态等信息传递给微控制单元（MCU），MCU经过一系列计算分析，调节车辆充电状态，保障充电安全。通过手机App与新能源汽车的互联，帮助车主掌握爱车的充电状态，也可以随时联系客户中心。如图2所示。目前中移智行OSCAR平台已经实现了一些具体功能，包括查看新能源汽车电池的充电状态;使用充电预测器预测电池充满电的时间和进度;通过点击手机屏幕，访问客户中心等等。

2.2 数字化充电座

这是一种新型的数字化充电座，在满足国标的要求下，充电座上安装有温度传感器、微动开关（计数）、压力传感器、电子锁等，同时在充电座内设有一个微控制单元MCU，当各传感器检测到端子温度、插入力和拔插次数等信息后传给MCU，MCU通过计算比较以后一方面通过仪表显示屏给驾驶员提供警示信息，另一方面反馈到电池管理系统BMS、整车控制器VCU、网关Gateway、远程车载处理器T-Box等系统作出及时反馈，确保充电时的安全。如图3所示。

（1）充电座温度升高主动保护检测。在新型的充电座中安装温度升高主动保护检测装置，在高压充电座连接器正负极端子之间安装PT1000温度传感器，温度传感器通过低压线缆连接低压继电器的控制端，低压继电器的开关端串联到整车的高压环路互锁回路，继电器的另一端接整车的低压12V电源。继电器的开关端串接在整车的充电HVIL中，通过控制端的温度传感器阻值的变化（阻值随温度的变化而变化），实现继电器开关端的闭合和断开。电池管理系统（BMS）有一个温度设定值T和电流设定值A。当插入充电枪，发出充电请求时，当充电端子的温度小于T时，继电器控制端的电流最小为A，继电器开关端闭合即VHIL回路闭合，BMS实现充电功能。当充电端子温度升高大于T时，则温度传感器阻值也升高，这样继电器控制端的电流低于A， 那么继电器的开关端断开和HVIL回路断开，BMS同时断开高压回路的充电继电器，整车即停止充电，同时BMS通过CAN总线输送信号到仪表盘上以提示驾驶员车辆充电系统有故障信号。