纯电动汽车适配欧美市场充电解决方案

刘 新， 王建平， 程 尧， 苏 磊， 李 燕， 肖 恩

（东风汽车股份有限公司商品研发院， 湖北 武汉 430056）

1 概述

新能源汽车产业作为国家战略性支柱产业， 近几年得以蓬勃发展， 尤其是纯电动汽车， 已经具有一定的产业规模与先发优势。 在国家大力支持下， 国内纯电动汽车立足国内市场， 逐步进军海外市场， 旨在实现弯道超车。 中国电动汽车在全球化推广和使用中， 面临着国内外充电接口标准、 充电数字通信方式、 控制方法不统一等制约， 导致按国标开发的纯电动汽车在海外市场无法直接实现充电互联互通， 需要做适应性设计变更。 本文以某纯电动汽车为例， 研究并制定适配欧美市场的充电解决方案。

2 充电技术差异

国内外充电技术差异， 主要表现在充电接口、 充电设计标准、 充电控制方式等差异。

2.1 充电接口

国内充电接口分为交流充电接口与直流接口， 交直流充电接口分离。 欧美市场充电接口普遍采用交直流一体化接口， 美标与欧标充电口存在一定差异， 但较为接近。 如图1～图4所示。

图1 欧标充电插座

图4 国标直流充电插座

2.2 充电设计标准

国内电动汽车充电主要按照GB/T 20234—2015、 GB/T 27930、 GB/T 18487—2015等系列标准开发。 其中， GB/T 27930是针对GB/T 20234.3—2015直流充电接口定制的通信协议， 交流充电通信协议由车企自定义。

图2 美标充电插座

图3 国标交流充电插座

欧美国家的联合充电系统 (Combined Charging System）， 即 “CCS” 标准， 由SAE以及8家欧美车企制定， 其一体化交直流充电接口标准被IEC采纳， 其参考的标准主要是ISO 15118、 DIN 70121等。

2.3 充电控制方式

国标直流充电按照GB/T 27930进行CAN通信， 执行标准充电流程， 依次是物理连接、 低压上电、 充电握手、 充电参数配置、 充电阶段、 充电结束阶段。 从握手到结束， 以互发标准定义的报文数据进行信息交互， 保证充电的进行。

欧美CCS充电通信协议标准ISO 15118、 DIN 70121是基于PLC通信， 和国标充电通信方式完全不同。 CCS充电接口连接美标充电枪获取电能， 电池管理系统监测并控制充电过程， CCS充电桩与整车的控制信息交互是基于插枪连接信号PP与控制导引信号CP， 根据PWM确认充电电流大小等。

2.4 其他

除了充电接口、 充电设计标准、 充电控制方式3个方面， 国内外充电技术还表现在唤醒方式、 充电策略、 电子锁控制等方面， 后文将详细展开。

3 CCS充电方案

基于国内外充电技术的差异， 为适配欧美市场充电，本方案增加通信转化模块 （EVCC）。 CCS充电原理如图5所示， 整个CCS充电系统由充电口、 充电连接线缆、 BMS、EVCC、 充电机 （OBC） 电池包 （pack） 等组成。 其中， 电池管理系统 （BMS） 检测充电连接信号 （PP） 与充电口温度， EVCC检测CP信号及控制电子锁， BMS与EVCC之间仍以CAN通信方式进行交互， EVCC与美标充电桩交互的信息， 主要是将控制引导信号 （CP） 转化成符合GB/T 27930的CAN信号， 共同完成充电流程。 下文从以下几个方面将充电方案详细展开。

图5 CCS充电原理图

3.1 唤醒方式

整 车 向EVCC、 OBC、 BMS 供12V 常 电。 插 枪 之 后，EVCC由CP信号唤醒， EVCC被唤醒后输出唤醒信号到整车控制器 （简称VCU）， VCU输出唤醒信号到电池管理系统(BMS） 及其他控制器。 BMS唤醒后， 发出电子锁上锁和S2闭合指令， 交流220V输入到车载充电机 （OBC）， OBC检测到220V并自检无问题后， 完成低压上电。

3.2 电子锁控制策略

3.2.1 电子锁原理

如图6所示， 本方案采用4芯电子锁， 电子锁共计4根线。 其中， 红白线束为电子锁12V供电线束， 蓝黄为信号反馈线束。 EVCC执行上锁时， 红色线束接+12V， 白色接搭铁， 接通时间约500ms， 电子锁内部微电机正转， 且电子锁推杆与微动开关联动， 蓝黄输出导通状态反馈到EVCC。EVCC执行解锁与之相反。 在整车断电情况下， 如果电子锁处于锁止状态， 可拉动手动解锁绳索， 以便充电枪拔出。

图6 电子锁原理图

3.2.2 直流充电模式电子锁控制策略

EVCC被唤醒后， 根据有效PWM大小再判断直流还是交流充电模式， 有效PWM 为3%～7%， 则判断为直流充电（DC） 模式， 有效PWM为9.5%～96.5%， 则判断为交流充电（AC） 模式。

直流充电中， 区别于国标直流充电的电子锁安装在充电枪端， 电子锁由供电设备控制。 CCS充电电子锁由车辆端EVCC根据充电流程直接控制， 在充电准备阶段， EVCC直接闭合电子锁， 充电结束后， EVCC会直接断开电子锁。或者BMS接收到仪表台电子锁解锁信号， 会主动向EVCC发出BST报文， EVCC也会断开电子锁。

3.2.3 交流充电模式电子锁控制策略

交流充电中， 和国标接近， 电子锁控制由车辆端控制器控制， 这个控制器可以是OBC、 EVCC或者BMS。 本方案电子锁由BMS控制， 当BMS被唤醒后， 充电枪连接正常，BMS会发出电子锁上锁指令， EVCC根据指令闭合电子锁。充电结束后， 当充电电流降为0， BMS会主动发出电子锁解锁指令， 或者BMS接收到仪表台电子锁解锁信号， 会主动向EVCC发出开锁指令， EVCC也会断开电子锁。

3.3 插枪信号(CC2/PP）检测

CCS充电除了控制方式和充电座与国标有较大的差异，插枪信号 (CC2/PP） 检测电路也和国标不同， 需要重新设计。 同时， 虽然欧标和美标的控制方式基本一致， 但是在PP检测方面也存在差异。 本方案基于欧标和美标PP硬件检测电路通用化的理念， 设计以下方案。

国标直流插枪检测电路如图7所示， 车辆端和充电接口端分别设计1kΩ电阻， 上拉电压为12V， 充电枪插枪完成后， BMS检测到6V的电压信号， 表示插枪连接正常， 可进入充电流程。 国标交流插枪检测电路如图8所示， S3闭合后， 根据检测点与PE之间电阻判断插枪连接与交流充电枪的容量。

图7 国标直流插枪检测电路

图8 国标交流插枪检测电路

CCS充电口是交流直流一体化的， 所以交流与直流PP电路完全一样。 其中， 欧标与美标供电接口的电阻及电路有较大差异， 详见图9与图10。 美标相关标准注明了车辆端上拉电阻为330Ω， 除了车辆端检测PP电压， 供电端也会检测， 故上拉电压是特定值， 美标定义为5V。 欧标枪头PP与枪尾接线端不连通， 桩端不需要检测PP电压.所以对于车端的检测电压源和上拉电阻没有做要求， 理论上任意电压与电阻均可， 只要车端可以判断插枪已连接即可。

图9 美标插枪检测电路

图10 欧标插枪检测电路

基于国标、 CCS欧标与CCS美标的差异， 车辆端参考美标设计5V上拉电压与330Ω上拉电阻， 以便确保车辆端硬件电路的一致性， 但由于枪端电阻不同， 需要BMS软件对欧标与美标检测电压作区分。

3.4 充电流程

插枪之后， CP唤醒EVCC， EVCC输出唤醒信号到VCU，进而间接唤醒BMS与仪表等。 详细充电流程参见图11。

1） 直流充电模式下， EVCC自检无故障后， 闭合电子锁。 当EVCC 持续监测到一个峰值电压为6V 的CP 信号(PWM）， 会发送CHM信号进入GB/T 27930充电流程。 充电中， EVCC通过PWM占空比获取充电桩的电流输出能力，BMS的请求电流通过CAN通信发送给EVCC。 充电结束后，包括人为终止充电， BMS收到来自仪表台解锁开关的高电平信号， BMS发送BST报文， 断开接触器， EVCC会断开电子锁， BMS和EVCC分别延时2s、 5s后休眠， 如图11、 图12所示。

图11 充电流程图

图12 直流充电报文

2） 交流模式下， BMS自检无故障， 且插枪信号 (PP）有效， 会向EVCC发送上锁指令和S2闭合指令， EVCC执行以上指令并将状态反馈给BMS。 S2 闭合后， 充电桩AC 220V输出到车载充电机 （OBC）， OBC被唤醒后处于待命状态。 BMS收到电子锁上锁与S2闭合状态信号后， 且收到整车上高压指令， 会依次闭合主负继电器与充电接触器 （即图5中的K1、 K3）。 同时， BMS基于自身充电能力、 EVCC反馈的供电设备能力向OBC发送开机指令与请求电流电压。OBC比较BMS请求电流电压与OBC功率， 输出合适的充电电流。 充电结束后， 包括人为终止充电， BMS收到来自仪表台解锁开关的高电平信号， BMS向EVCC发送断开电子锁、S2指令， 向OBC发出停机指令， 同时请求电流降为0， 断开接触器， 在执行以上系列动作后， BMS和EVCC分别延时2s、 5s后休眠， 如图11、 图13所示。

图13 交流充电报文

3.5 充电故障保护机制

充电过程中， BMS发生一般故障或者其他系统发生故障向BMS反馈后， BMS向OBC或者EVCC发送降流请求， 限制充电。

若BMS或其他系统发生严重故障， 例如过温、 过压、电子锁故障， 未进入充电则不进入充电流程。 已处于充电中， 则BMS执行故障停止充电流程， 分别向VCU发出断开接触器请求， 向OBC和EVCC发出降流为0请求， 电流降为0之后， 且收到VCU允许下电指令， 则断开接触器， EVCC断开电子锁， 充电结束。

4 总结

本文详细论述了海外市场主流的CCS充电与国标充电的差异， 以及CCS下欧标与美标的部分差异， 主要表现在充电接口、 充电标准、 控制方式、 插枪检测电路等方面。 基于以上差异， 展示了现有已开发某车型适配欧美市场的充电解决方案。 以上方案详细介绍了唤醒方式、 电子锁控制、插枪检测电路、 充电流程、 故障保护机制等， 并附上大量图表以便加强理解。 本方案已在本公司部分车型实施， 为后期其它车型开发出口车提供了可行的充电方案。