纯电动汽车学习入门(六)——充电系统(下)

◆文/北京 李玉茂

(接上期)

5.快充系统工作原理

快充系统如图17所示，下面介绍充电桩、快充口、车辆的各部件作用。

①充电桩

主电源开关：接通或断开充电机供电。

充电机：将交流380V或220V变成高压直流。

电流传感器：监测充电电流。

高压继电器：接通或断开充电主回路。

电压传感器：监测充电电压。

高压绝缘监测：监测充电线与PE之间的绝缘电阻。

辅助电源开关：接通或断开辅助电源供电。

辅助电源：将交流220V变成12V直流，送到唤醒信号继电器。

充电桩控制单元：控制充电机工作，与BMS之间通过快充CAN交换信息。

唤醒信号继电器：闭合后发出唤醒信号，唤醒VCU、数据采集终端、仪表ECU，VCU再发出唤醒信号用来唤醒BMS。

K1、K2：高压正继电器触点、高压负继电器触点。

K3、K4：唤醒信号正极继电器触点、唤醒信号负极继电器触点。

U1：12V。

R1：1 000Ω。

②快充口

S：常闭开关，按下充电枪按钮S断开，松开充电枪按钮S闭合。

S+、S-：CAN-h线、CAN-l线。

R2、R3、R4：均为1 000Ω。

③车辆快充高压继电器：接通或断开充电桩直流高压与电池包连接。K5、K6：快充高压正继电器触点、快充高压负继电器触点。电池包：包含动力电池、单体电池电压监测、模块温度监测、湿度监测。

BMS：电池管理控制单元，与充电桩、数据采集终端之间通过快充CAN交换信息。

U2：12V。

R5：1 000Ω。

①检测快充线与充电桩连接。充电桩控制单元读取检测点1电压，快充线未连接充电桩时为U1(悬空电压12V)，连接后是R1与R2的分压，由于R1、R2均为1 000Ω，检测点1是6V，说明充电枪内的CC1与PE构成回路。只有更换快充线时才断开快充线与充电桩连接，此时充电机不会启动。

②检测充电枪与快充口连接。按下充电枪按钮S断开，插入充电枪，检测点1是R1和R4的分压，仍然是6V；松开充电枪按钮S闭合，此时R2与R4并联，由于R2与R4均为1 000Ω，并联等效电阻是500Ω，检测点1是4V(1 000Ω与500Ω的分压)，充电桩控制单元确认充电枪与快充口已连接，并且充电枪的机械锁已经锁止。

③唤醒VCU。充电桩控制单元指令唤醒信号继电器的K3、K4闭合，输出12V唤醒VCU、数据采集终端、仪表ECU，VCU再发出唤醒信号用来唤醒BMS。

④BMS检测充电枪连接。BMS开始工作后，读取检测点2电压，快充枪如果未插入为U2(悬空电压12V)；插入后是R5与R3的分压，由于R5、R3均为1 000Ω，检测点1是6V，BMS确认充电枪与快充口已经连接。

⑤ “握手”阶段。充电桩控制单元向BMS发出“充电机通讯协议版本号”，BMS与充电桩两者互相身份辨认，称作“握手”。

⑥参数配置。“握手”成功后，BMS报送动力电池充电需求的报文，充电桩控制单元报送供电能力的报文，二者达成参数配置共识。

⑦快速充电。充电桩控制单元指令K1、K2闭合，BMS指令K5、K6闭合，进行快速充电。

⑧结束充电。当BMS及充电桩控制单元判定充电结束，充电桩断开K1、K2，车辆断开K5、K6，充电终止；充电桩断开K3、K4，取消唤醒信号。

⑨强制停止。充电过程中如果出现充电机故障，充电机在100ms内断开K1～K4。如果出现动力电池故障，车辆在300ms内断开K5、K6。如果出现CAN通讯超时，充电桩与车辆在10s内断开K1～K6。如果在充电中按动充电枪按钮，S断开，充电机在50ms内将充电电流降至5A或以下。如果强拔开充电枪，此时S断开，检测点1变为12V，充电机在1s内断开K1～K4。若充电电压大于动力电池最高允许电压，充电机在1s内断开K1～K4。以上这些措施都是保证快速充电期间的用电安全，防止火灾。

6.快速充电应具备的条件

(1)充电连接确认信号CC1、充电连接确认信号CC2正常；

(2)快充唤醒信号A+与A-之间12V输出电压正常；

(3)BMS低压供电及工作正常；

(4)充电桩、VCU、BMS之间快充CAN线通信正常；

(5)动力电池的电芯温度为5～45℃；

(6)单体电池最高温度与最低温度差＜15℃；

(7)单体电池最高电压不大于额定电压0.4V；

(8)单体电池最高电压与最低电压差＜300mV；

(9)高压正线、高压负线的绝缘性能＞500Ω/1V。

四、车载充电机

1.车载充电机的作用

将220V交流电转换为240～410V(EV200车型)高压直流电。分为风冷式和水冷式，相对于传统工业电源，车载充电机具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境等特点。车载充电机工作过程中需要协调充电桩、BMS等部件，EV200车载充电机如图18所示，技术参数见表6。

2.充电机指示灯

充电机上的3个指示灯，如图19所示，①POWER灯—电源指示灯，接通220V交流电点亮。②RUN灯—充电指示灯，当充电机电流流入动力电池，进入充电状态点亮。③FAULT灯—报警灯，当充电机内部有故障时点亮。

实际状态：①充电正常，POWER灯与RUN灯点亮。②启动30s后只有POWER灯点亮，蓄电池无充电请求或已经充满。③FAULT灯点亮，系统存在故障。④POWER灯、RUN灯、FAULT灯均不亮，说明充电桩、充电线束、插接器有问题。

3.充电机插座定义

充电机插座定义见表7。

五、慢充系统

1.慢充系统的作用

慢充系统是使用单相交流充电桩或220V单相交流民用电，通过车载充电机，将交流电变换为高压直流电，对动力电池充电的。

2.慢充系统的组成

车外设备：交流充电桩、慢充线或辅助交流慢充线。车辆设备：慢充口、慢充线束、车载充电机、高压盒、动力电池、BMS。国家标准中规定4种充电模式：第一种是家用8A插座，适合电动自行车，不准许给电动汽车充电；第二种是家用16A或10A插座，准许电动汽车充电；第三种是交流电网供电的交流充电桩；第四种是交流电网供电的直流充电桩。

第二种模式采用辅助交流慢充线，16A三孔插座的供电电流不能超过13A，10A三孔插座的供电电流不能超过8A。插座具有相线、零线和保护地线，且具备漏电保护和过流保护功能。辅助交流慢充线是购车时的配置，如图20所示，一端是连接电源插座的插头，中间是自动断电保护装置，另一端是连接车辆慢充口的弯头，俗称慢充电枪。

按照交流充电桩的安装方式分为立式、壁挂式、便携式，按充电枪个数分为单枪、双枪，如图21所示。采用单相供电时，交流供电电流不大于32A或16A，应具有漏电保护功能。交流充电桩带有电量计量、自动断电保护装置。某型号交流充电桩技术参数见表8，操作者刷卡为电动车充电。

慢充口连接到车载充电机的线束，如图22所示，慢充线束插头定义见表9。

3.新能源CAN总线系统

新能源CAN总线系统传递慢充电信息，如图23所示，该系统连接的模块有VCU、压缩机控制器、BMS、充电机ECU、数据采集终端、驱动电机控制器、高压盒ECU、动力转向ECU、空调ECU。另外，由车身ECU、组合仪表ECU等组成原车CAN总线系统。

4.慢充系统电路图

如图24所示，慢充口有7个端子，实际使用5个端子：L相线、N零线、PE保护地线、CC充电连接确认线、CP控制确认线。备留2个端子：NC1是V相、NC2是W相，用于输入三相交流电，可增大充电电流。

充电机高压插座：“DC+”、“DC-”分别通过高压附件线束连接高压盒的“DC+”、“DC-”，DC+线设有16A熔断器。

充电机交流插座：通过慢充线束与慢充口连接，1连接L线，2连接N线，3连接PE线，5连接CC信号，6连接CP信号。

充电机直流插座：A1是新能源CAN-l，A2是CAN线屏蔽接地线，A8是12V供电负极，A9是新能源CAN-h，A11是慢充连接确认线通往VCU，A12是12V供电正极，A13是高低压互锁线通往高压盒，A14是高低压互锁线通往空调压缩机，A15是慢充唤醒信号线的正极。

5.慢充系统工作原理

慢充系统如图25所示，下面介绍充电桩、慢充插头、车辆内部的各部件作用。

①充电桩内部

K1、K2：按照充电桩控制器的指令接通或断开主电路。

漏电保护器：监控除地线之外所有供电线的电流矢量和，正常充电且不漏电时，进入漏电保护器的电流和流出漏电保护器的电流矢量和等于0。当发生漏电时，漏电电流从漏电支路流走，电流矢量和不等于0，当超过设定的阈值时执行件动作，切断K1、K2。

检测点4：控制器监测该点电压为0，确认慢充线已连接充电桩。

CC：充电连接确认信号。

检测点1：未连接慢充线，控制器监测该点为12V，不可以充电；S1切换至PWM，S2断开时，该点为9V不可以充电；S2闭合时，该点为6V可以充电。

S1：受充电桩控制器控制，接通12V或接通PWM。

R1：等效电阻为1 000Ω。

CP：控制确认信号，S1接通12V时告知车载充电机低压上电，S1接通PWM时表示供电设备的容量。

PWM：脉冲宽度调制信号，频率为1 000Hz。

②慢充插头

RC：电阻值代表慢充线的电缆容量，有4种规格：1.5kΩ，电缆容量10A；680Ω，电缆容量16A，充电设备3.3kW；220Ω，电缆容量32A，充电设备7kW；100Ω，电缆容量63A，充电设备40kW。

R4：电阻值对应RC有4种规格，1.8kΩ、2.7kΩ、3.3kΩ、3.3kΩ。

S3：常闭开关，与充电枪机械锁联动，当按下充电枪按钮S3断开，插入充电枪，检测点3与PE之间的电阻为RC+R4，说明充电枪已连接，但是机械锁未锁止。松开充电枪按钮，S3闭合将R4短路，检测点3与PE之间的电阻为RC，说明充电枪的机械锁已经锁止。

③车辆内部

CC：充电连接确认信号。是一个电阻信号，一个作用是确认慢充线已连接慢充口，另一个作用是感知慢充线的电缆容量。

检测点3：未连接充电枪，该点与PE之间电阻无穷大。半连接(按下充电枪按钮，插入充电枪)，S3断开，检测点3与PE之间电阻为RC+R4。完全连接(松开充电枪按钮)，S3闭合，检测点3与PE之间电阻为RC。

检测点2：12V时车载充电机低压上电，PWM信号时接收充电桩容量数据。

S2：车辆控制装备经自检后没有故障，指令S2闭合。

R2：等效电阻为1 300Ω。

R3：等效电阻值为2 740Ω。

二极管：单向通过信号，电压降为0.7V。

①检测慢充线连接。充电桩控制器通过检测点4，判断慢充线是否与充电桩连接(充电桩CC检测)。车辆控制装备通过检测点2，收到12V后车载充电机低压上电。通过检测点3，确认慢充线已连接慢充口(充电机CC检测)；然后唤醒VCU、仪表控制单元、数据采集终端，VCU再唤醒BMS，VCU指令主负继电器闭合，BMS控制主正继电器闭合，仪表盘充电线连接指示灯点亮。

②PWM检测。充电桩控制器指令S1从12V切换至PWM，通过检测点1判断是PWM信号。车辆控制装备通过检测点2，确认收到PWM信号(CP检测)。

③充电握手。车辆控制装备经自检后没有故障，指令S2闭合，允许动力电池充电。

④参数匹配。车辆控制装备通过检测点2的PWM，确认充电桩的最大供电能力；通过RC电阻值确认电缆额定容量。

⑤慢速充电。车辆控制装备根据充电桩的最大供电能力、慢充电缆容量、车载充电机额定输入电流，将输入电流设定为充电机最大允许电流。充电桩控制器指令K1、K2闭合，进行慢速充电。

⑥结束充电。BMS检测电池电量升高到满电状态(表明充电完成)，给充电机发送停止充电指令，充电机收到指令后停止工作并向VCU发送停止充电信息。拔开充电枪，仪表盘充电线连接指示灯熄灭，高压主正、高压主负继电器断开。

⑦强制停止。慢充电过程中如打开点火开关或强行拔开充电枪，高压下电，充电停止；必须将点火开关关闭或重新插入充电枪，高压上电，继续充电。如果动力电池电量不足警告灯点亮，必须关闭点火开关，高压下电后才能进行慢充电。

5.慢充需满足的条件

(1)充电连接确认信号CC正常，控制确认信号CP正常；

(2)交流220V供电正常，车载充电机12V供电正常，充电机工作正常；

(3)充电机发出唤醒信号正常(正触发，12V)；

(4)充电机、VCU、BMS之间CAN通信正常，动力电池包正常；

(5)动力电池的电芯温度0～45℃；

(6)单体电池最高与最低温度差＜15℃；

(7)单体电池最高电压不大于额定电压0.4V；

(8)单体电池最高与最低电压差＜300mV；

(9)绝缘性能＞500Ω/V；

(10)高、低压电路连接正常，远程控制开关位于关闭状态。

六、DC-DC变换系统

1.DC-DC的作用

12V铅酸蓄电池为灯光照明、电动车窗、雨刷器、除霜、电控系统、仪表系统、娱乐系统等12V设备供电。DC-DC转换器相当于传统的发电机，作用是将动力电池290～420V高压直流电，转换成13.8～14V直流电，对用电设备供电和为蓄电池充电。

DC-DC转换器由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管、电容器构成，通过重复通断开关，把直流电压转换成高频方波电压，再经整流平滑变为直流电压输出，电动车DC-DC采用的是降压型。

DC-DC可以单独安装，也可以集成在PDU或PEU内部。DC-DC分为自然冷却和水冷却，DC-DC转换器具有输入过电压、欠电压保护，输出过电压、欠电压保护，输出过载、短路保护，过温保护。DC-DC内部的高压部分和低压部分是隔离分开的，低压部分输出负极仍采用与车身搭铁，这样使得低压用电设备的12V供电网络与燃油汽车保持一样。

DC/DC转换流程如图26所示。高压部件有：动力电池、高压线束、高压盒、DC/DC。低压部件有：蓄电池正极电缆、蓄电池、蓄电池负极电缆。

北汽新能源EV200的DC/DC技术参数，见表10。当钥匙开到ON档，或充电机被唤醒，完成动力电池预充电流程，VCU发给DC-DC转换器12V使能信号，DC/DC开始转换工作。

2.DC-DC插座的定义

EV200的DC-DC插座定义见表11。低压输出插头：输出正极、输出负极。低压控制插头：A是使能信号，9～14V时DC-DC启动转换；0～1V时DC-DC停止转换；B通往组合仪表T32/12，输出DC-DC状态信号(故障信号)，12V为故障，低电平为正常；C连接蓄电池负极。

3.DC-DC电路图

如图27所示，高压输入插座：“高压+”“高压-”通过高压附件线束，连接到高压盒的“高压+”“高压-”。低压插座：连接蓄电池正极、负极。低压控制插座：A1是VCU发来的使能信号，A2是DC-DC故障信号，去往VCU和组合仪表，A3通往接地。DC-DC控制单元不连接CAN总线，而是接收VCU发来的使能信号执行工作。

4.DC-DC的工作流程及工作条件

①点火开关拨到ON档或充电机唤醒；

②动力电池完成高压系统预充电流程；

③VCU发给DC-DC转换器使能信号；

④DC-DC转换器收到使能信号开始转换。

①高压输入范围：DC 290～420V；

②低压使能信号输入范围：DC 9～14V。

①保证整车线束正常连接的情况下，高压上电前使用万用表测量铅酸蓄电池电压，并记录；

②点火开关拨到ON档，高压上电，测量铅酸蓄电池电压，查看电压变化情况，如果电压在13.8～14V 之间，判断DC-DC工作。

(未完待续)