浅析电动汽车直流充电的工作原理及故障检修

深圳市龙岗职业技术学校 易小彪

1 电动汽车直流充电的工作原理

直流充电，俗称快充，常见输入的交流电有L1、L2、L3三相380 V和L1、N单相220 V两种形式。直流充电机把输入的交流电转换成直流电，并且电压和电流可以调节，充电确认阶段根据通信协议确认车辆动力电池的电压和功率，并调节匹配车辆的充电电压和电流。充电的主要控制装置都不装在车辆上也称非车载充电机。充电机与电动汽车二者通过车辆插座相连，充电枪插头和车辆充电插座如图1所示，各端子的作用见表1所列。

表1 充电枪插头和车辆充电插座各端子的作用

图1 充电枪插头和车辆充电插座

电动汽车直流充电的工作原理如图2所示，其中SA开关是一个常闭开关，与直流充电枪头上的按键（即机械锁）联动，按下充电枪头上的按键时，SA开关即断开；U1、U2是一个12 V上拉电压，R1、R2、R3、R4、R5都是阻值约1 kΩ的电阻，R1、R2、R3在充电枪上，R4、R5在车辆插座上。直流充电的过程如下。

图2 电动汽车直流充电工作原理示意

（1）拿起充电枪，按下头部按键，插入车辆插座，再松开按键。充电机的检测点1将检测到12 V-6 V-4 V的电压变化。一旦检测到4 V电压，充电机将判断充电枪插入成功，车辆接口完全连接，并将充电枪中的电子锁通电锁定，防止充电枪头松脱。

（2）在车辆接口完全连接后，充电机就会控制K1继电器触点闭合，使低压辅助供电回路导通，为电动汽车控制装置供电（有的车辆不需要供电），车辆得到供电后，将根据监测点2电压判断车辆接口是否连接。若电压为6 V，车辆装置开始周期发送通信握手报文，接着控制K2继电器触点闭合并进行绝缘检测。所谓绝缘检测，即检测DC线路的绝缘性能，避免后续充电过程中出现漏电、起火的安全隐患。绝缘检测结束后，将投入泄放回路泄放能量，并断开K2继电器，同时开始周期发送通信握手报文。

（3）充电连接确认后，接下来就是电动汽车与直流充电机相互配置的阶段。车辆控制K3继电器触点闭合，使充电回路导通，充电桩检测到车辆端电池电压正常（电压与通信报文描述的电池电压误差≤±5%，且在充电桩输出最大、最小电压的范围内）后控制K1继电器闭合触点，此时直流充电电路接通，电动汽车就准备开始充电了。

直流充电机能够对磷酸铁锂电池、三元锂电池等多种类型的动力电池充电，且充电控制器能自动识别并选择相应的充电程序和管理参数，其设计应满足《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》（GB/T 18487.1—2015）。

2 电动汽车直流充电常见故障及检修

常见故障1连接充电枪后，充电机显示未连接车辆。

（1）检查车辆充电插座端子CC1是否有磨损、烧蚀接触不良等情况。

（2）测量车辆快充插座端子CC1与端子PE之间的电阻，应为1 kΩ左右。

（3）测量充电枪插头端子CC1与端子PE之间的电压，应为7 V～12 V。

常见故障2连接充电枪后，车辆仪表未显示插枪信号。

（1）测量充电枪插头端子CC2与端子PE之间的电阻，应为1 kΩ左右。

（2）测量车辆充电座端子CC2与端子PE之间的电压（钥匙开关位于ON挡），应为7 V～12 V。

常见故障3钥匙开关处于ON挡或READY挡时能充电，OFF挡时不能充电。

测量充电机通过端子A+和端子A-是否输出辅助电源。OFF挡时，车辆模块处于休眠状态，充电机通过端子A+和端子A-输出辅助电源，唤醒车辆相关控制模块，从而进入充电模式。部分车辆可用诊断仪读取辅助电源的电压数据，有助于缩小故障范围。

常见故障4充电机报绝缘监测失败。

（1）查看充电机是否报相关故障代码。查阅充电机显示屏菜单栏读取故障代码定义，根据故障码定义确定故障范围，逐一排查。

（2）拔出充电枪插头，测量端子DC+、端子DC-对搭铁绝缘电阻，标准值≥20 MΩ。

（3）测量车辆充电插座端子DC+、DC-对搭铁绝缘电阻，标准值≥20 MΩ。

常见故障5充电开始，仪表充电连接指示灯点亮几秒钟后熄灭，且停止充电。

检查充电通信电路（端子S-和端子S+）是否正常。动力电池控制模块（BMS）已经控制点亮仪表充电连接指示灯，说明CC1、CC2充电连接已经连接确认完成，预充成功而且处于充电准备状态。如果通信异常或通信电路故障导致充电协议失败，虽然能够点亮充电连接指示灯，但不能正常充电，接通充电连接指示灯几秒后又停止充电。

常见故障6充电异常终止。

（1）查看充电机是否报相关故障代码，查阅充电机显示屏菜单栏读取故障代码定义。如计费器故障、充电机通信故障等都可能引起跳枪。

（2）更换其他充电机进行测试，如故障不出现，说明充电机问题。

（3）检查车辆内部与直流充电相关的部件是否发生故障。如图3所示，车辆内部与直流充电相关的部件主要有动力电池控制模块（BMS）、动力电池组（温度、电压传感器）、主正继电器、主负继电器、预充电阻、预充继电器、快充正继电器、快充预充电阻、快充预充继电器、电流传感器、输入/输出接口等。如图4所示，当BMS接到充电机的通信确认信号后，快充预充继电器闭合、主负继电器闭合，高压正电流经快充预充电阻，检测高压的绝缘性；绝缘值正常，闭合快充继电器、闭合预充继电器，然后断开快充预充继电器，这时充电机为动力电池充电。充电过程中BMS实时监控充电的单节电压、温度、总电压及总电流，正常充满后停充，如充电过程中充电机或动力电池控制模块BMS检测的数据异常，充电终止。

图3 车辆内部与直流充电相关的部件

图4 车辆内部快充的结构原理图

1）用诊断仪读取BMS中是否有故障代码，根据故障代码确定故障范围，排查相关故障。

2）用诊断仪读取BMS数据流，读取最高、最低单体电压及最高单体温度（图5），查看单体电压是否有跳变现象。磷酸铁锂电池单体充电电压上限约为3.7 V，放电终止电压约为2.6 V；三元锂电池单体充电电压上限约为4.2 V，放电终止电压约为3.2 V。充电过程中，如果磷酸铁锂电池单体电压突然跳变到3.7 V左右，三元锂电池单体电压突然跳变到4.2 V左右，电压到上限会导致过充，BMS检测到异常进入保护模式，停止充电。

图5 动力电池温度和电压动态数据流（截屏）

2）BMS监控单节电池电压、电池组温度、绝缘电阻、高压互锁、充电电流等重要的控制信号，出现以下情形时车辆均无法上电和充电：动力电池包中单节电池电压过低或过高，或者最低和最高电压相差太大；动力电池包温度过高（＞50 ℃），或者最低和最高温度相差超过5 ℃；绝缘电阻过低（＜20 MΩ）；高压互锁电路故障（虚接或断路）。