簡介

隨著純電動汽車的使用越來越廣，充電需求越來越多，市場對車輛的充電安全性和便利性提出越來越高的要求，便利、安全且快速的充電是市場對車輛的一致需求。

本文主要介紹純電動汽車的充電系統的組成、電氣原理和控制策略。純電動汽車的充電系統方式主要有兩種，一是交流充電方式，即為慢充，二是直流充電方式，即為快充，兩種充電方式的組成、電氣原理和控制方式各不相同。

2 交流充電系統

2.1 交流充電的組成

交流充電指電網輸入給車輛的電壓為交流電，可以是220V AC單向電或380V AC三相電。交流電通過標準充電插頭和充電插座，進入車載充電機，車載充電機再把交流電轉化為直流電，給動力電池充電，完成基本的交流充電。

交流充電的部件主要有車載充電機、交流充電插座（交流充電插座線束）、充電線、交流充電樁或220V交流電源和車輛控制器（VCU、BMS）等組成，如圖1為各部件示圖。

圖1 交流充電的組成

其中交流充電插座和車載充電機固定在車輛上，充電線隨車配送，交流充電樁固定在停車場，各部件的作用如下：

（1）車載充電機是交流充電系統的關鍵部件，其根據控制指令把交流電轉化為直流電給電池充電。

（2）交流充電插座是國家標準件，是車輛連接外部電網的接口，其接口有2個信號回路，1個接地回路，1個零線回路和3個火線回路，共7個接口，根據輸入的電壓是220V AC或380V AC，應用相應的火線接口。

（3）車輛控制器是實施監控車輛的狀態，并發出控制指令給車載充電機，使其工作或停止工作，控制其工作電流和電壓等，是車輛充電的控制大腦。

（4）模式2充電線是連接外部電網和車輛的充電線，直接給車載充電機提供220V AC電源。其線纜上的功能盒可檢測車輛和電網狀態，連接或斷開給車輛的供電，具有一定的保護功能。根據標準要求其輸入的充電電流限制在13A以內，輸入電壓為220V AC，所以采用模式2的充電線充電時，車載充電機的輸入最大功率為2860W，即充電時間會延長。

（5）交流充電樁也是車輛連接外部電網的部件，直接給車載充電機提供220V AC或380V AC電源。其也具有檢測車輛和電網狀態，連接或斷開給車輛供電的功能。充電樁的供電電壓有220V AC和380V AC，根據充電樁的輸出功率而定。根據標準要求，如交流充電樁的輸出電流大于32A時，供電電壓必須采用380V AC。因此采用交流充電樁充電時，充電功率較大，即充電時間會縮短。

2.2 交流充電的電氣原理

交流充電方式總共有三種充電模式，分別為模式1、模式2和模式3。根據國家標準要求和充電安全，其中模式1嚴禁使用，模式3一般采用連接方式C的模式，其模式2和模式3連接方式C的交流充電工作原理電氣圖如圖2和圖3所示。

圖2 模式2充電的電氣原理圖

交流充電是國家標準的充電方式，其電氣原理圖、檢測和控制要滿足標準GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求》的要求，如圖2和圖3所示。除了滿足國家標準要求外，不同汽車廠會根據項目需求，增加充電提示或顯示的功能，方便客戶的查看充電狀態。

根據標準要求，CC信號是充電插頭和充電插座是否連接的判斷信號，同時車輛根據CC的信號值，判斷RC阻值，確定線束的容量。CP信號是判斷供電設備的供電能力，通過PWM值確定。電氣原理圖中的各電阻值和PWM值都必須滿足標準要求，且控制器必須按照標準進行判斷，以滿足車輛在市場上的充電需求。

圖3 模式3充電的電氣原理圖

2.3 交流充電的控制策略

根據圖2和圖3所示，無論是模式2還是模式3，原理圖基本相同，只是電網的交流供電方式不同。以某項目的為例，簡述其控制策略，其電氣原理圖、檢測和控制即滿足標準要求，同時為了便于客戶使用，交流充電的控制策略和順序如下：

①車載充電機檢測CC和CP信號，車載充電機可根據CC信號判斷充電線的容量，根據CP信號，判斷供電設備的供電能力。

②車輛處于休眠或停車狀態時，當充電插頭插上充電插座時，車載充電機檢測到CC或CP，自身喚醒。

③車載充電機自喚醒后，喚醒VCU和BMS。

④VCU和BMS被喚醒后，開始進入交流充電模式，并檢測車輛狀態，即車輛是否有故障，電池是否滿電。

⑤車載充電機反饋充電線束狀態和供電設備信息給BMS。

⑥BMS根據車載充電機反饋的信息和車輛的狀態，發送開始充電或停止充電指令給車載充電機。

⑦充電線或交流充電樁的供電控制裝置，通過CP信號判斷車輛狀態，連接或斷開K1和K2，即連接或斷開交流電的輸入。

⑧車載充電機根據接收到的指令，開始或停止工作，給車輛充電或停止充電進入休眠。

以上是充電過程的控制簡述，而在整個充電的伊始，車輛和交流充電樁（或充電線）都會先判斷充電接口是否連接完好，車輛才會判斷是否啟動充電，所以客戶必須插搶到位，此也是為了保證充電安全。在使用上，客戶只需插搶，無需執行其他操作，車輛隨即進入充電模式，開始充電，提高了客戶使用的便利性。在實際使用中，如果車輛在充電過程，當電網沒有電時，車輛會自動進入休眠，減少自身的能耗；當又來電時，車輛也會自動喚醒，并檢測車輛狀態，如車輛未滿電時會繼續充電，如已滿電，會停止充電并進入休眠，減少能量消耗。例如模式3充電方式，其充電過程的電壓變化如圖4所示。

圖4 交流充電過程視圖

3 直流充電系統

3.1 直流充電的組成

直流充電是指外部電網輸入給車輛的電壓為直流電，即直流充電樁把380V AC三相電轉化為直流電，通過標準直流充電插頭和充電插座輸送給車輛，直接給動力電池充電，完成基本的直流充電。

直流充電的部件主要有直流充電插座（直流充電插座線束）、車輛控制器（VCU、BMS）和直流充電樁等，如圖5所示。

圖5 直流充電的組成

其中直流充電插座固定在車輛上，直接連接動力電池，直流充電樁固定在停車場，各部件的作用如下：

（1）直流充電插座是國家標準件，是車輛連接外部電網的接口，其有1路CAN通訊回路（2個接口），1路低壓輔助供電回路（2個接口），2個信號回路，1個接地回路和1正1負的2個高壓回路，共9個接口。

（2）車輛控制器是實時監控車輛狀態，并根據國家標準GB/T 27930-2015《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》協議格式和內容，發出控制指令給直流充電樁，使其工作或停止工作，控制其輸出電流和電壓等，是車輛充電的控制大腦。

（3）直流充電樁是一個大功率的非車載充電機，其把380V AC交流電轉化為直流電后，通過標準充電插頭和充電插座連接，直接給動力電池充電。其工作功率一般都較大，因此大大縮短充電時間。

3.2 直流充電的電氣原理

直流充電方式只有一種模式，即為國標所述的充電模式4，其電氣原理圖如圖6所示。

圖6 模式4直流充電的電氣原理圖

直流充電是國家標準的充電方式，其電氣原理圖、檢測和控制要滿足標準GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統 第1部分：通用要求》的要求，如圖6所示。

根據標準要求，CC1信號是直流充電樁判斷充電插頭和充電插座是否連接的信號；CC2是車輛判斷充電插頭和插座是否連接的信號；S+和S-是CAN信號通道；A+和A-是輔助電源，以乘用車為例是12V，以大巴車為例是24V。直流充電樁可通過A+和A-提供輔助電源，但在標準里并未強調一定要使用此輔助電源，車輛可根據實際需求應用。電氣原理圖中的各電阻值都必須滿足標準要求，且控制器必須按照標準進行判斷，以滿足車輛在市場上的充電需求。

3.3 直流充電的控制策略

直流充電的電氣原理圖不僅要滿足標準要求，且與車輛的控制器的通訊協議也必須符合國標格式和內容，車輛才可實現在市場上充電。以某個項目為例，充電是給動力電池充電，為了便于執行控制，直接使用動力電池的BMS與直流充電樁進行信息交互和檢測，VCU只作為輔助判斷，其控制策略和順序如下：

①車輛未使用A+和A-輔助電源，因為此電源為車輛外部電壓，其可靠性不穩定，因此未使用。

②BMS檢測CC2信號和通過S+和S-與直流充電樁進行信息交互。

③車輛在休眠或停車狀態時，當直流充電插頭和直流充電插座插合時，BMS檢測到CC2信號，自喚醒。

④BMS自喚醒后喚醒VCU，車輛進入直流充電模式。

⑤直流充電樁通過檢測到CC1信號，判斷充電插座和插頭是否連接完全。

⑥BMS和直流充電樁進行信息交互。

⑦BMS根據直流充電樁反饋的信息和車輛狀態進行判斷，發送開始充電或停止充電給直流充電樁。

⑧直流充電樁根據CC1信號和BMS反饋信息，執行充電或停止充電。

⑨當充電完成或停止充電后，整車進入休眠，減少能量的消耗。

以上是簡單的控制過程，在使用和操作要求上與交流充電相似。但直流充電過程，當停止充電后，需重新拔槍再插搶，才可進行第二次充電，此方式區別于交流充電，也是為了保證充電安全。其充電過程的電壓變化如圖7所示。

圖7 直流充電過程視圖

總結

無論是純電動汽車或可充電混合動力汽車的充電系統，基本都按照標準要求執行，才能滿足車輛在市場上的充電需求。

交流充電電流相對較小，有利于電池的使用壽命，且不易過熱和發生故障。直流充電雖然能更快的完成充電，但對車輛的電池損傷較大，也易發生過熱，從而起火，因此建議車輛多采用交流充電模式，可有效延長電池壽命和減少事故發生。

除了標準要求外，車輛控制器需實時監控車輛的狀態，例如電池是否過熱、過壓、過充、過流、絕緣阻值是否下降等，是整車廠需要完善的控制策略，以保證充電安全。