交流充電樁的工作原理

直流充電系統(tǒng)的握手過程是通過CAN報文實(shí)現(xiàn)的。交流充電系統(tǒng)沒有通信協(xié)議，交流充電樁和車輛之間“握手”是通過模擬電平實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樯婕暗綆追N模擬信號在不同階段、不同場景下的不同跳變，邏輯設(shè)計如果不夠嚴(yán)謹(jǐn)，很容易出問題。特別是，現(xiàn)在市面上的交流樁邏輯處理不盡相同！

本文將和大家分享幾點(diǎn)：

1.交流充電控制引導(dǎo)電路

2.CC信號和S3開關(guān)

3.電磁鎖

4.CP與S1、S2開關(guān)

1交流充電控制引導(dǎo)電路

交流充電模式可采用模式2和模式3。模式2就是使用“纜上控制器”進(jìn)行充電，一頭為交流插頭，一頭為充電槍，中間的小黑盒為“纜上控制器”（現(xiàn)在慢慢都稱為模式二充電盒）。模式3使用交流樁進(jìn)行充電。最常見的連接方式有連接方式B和連接方式C。連接方式B指的是交流槍線可以從交流樁上取出來，方式C則是固定在交流樁上的。市面上常見的是方式C。在電路原理上模式2，模式3的連接方式B和連接方式C是一樣的。

 握手信號包括確認(rèn)插槍物理連接的CC信號和充電引導(dǎo)的CP信號。充電槍槍頭內(nèi)有電阻R4、RC和機(jī)械開關(guān)S3。 S3就是用戶可以手按的機(jī)械開關(guān)。按下，表示S3斷開。松開，表示S3閉合。 

充電槍插到車輛的慢充槍座后，車輛控制裝置（CC/CP電路板）通過檢測檢測點(diǎn)3處的CC阻值來確認(rèn)充電槍的連接狀態(tài)。 連接狀態(tài)被區(qū)分為“完全連接、半連接、未連接”。在“完全連接”狀態(tài)下，通過阻值大小來判斷充電槍線的輸入限流值。這個細(xì)節(jié)，想想是挺有意思的。 

交流樁通過圖示檢測點(diǎn)1處的電平值來確認(rèn)充電槍是否連接完好。 在初始狀態(tài)下，S1接通12V。 插槍成功后，車輛端的R1和交流樁里面的R3分壓，檢測點(diǎn)1處電平值由12V變?yōu)?V(有效范圍為8.2V~9V)電平后，交流樁將S1切換到PWM狀態(tài)。附錄的標(biāo)稱值為：R1阻值為1KΩ,R3阻值為2.74KΩ。12V*R3/（R1+R3）=8.79V。

CC/CP電路板通過檢測點(diǎn)2的PWM占空比來確定交流樁可以提供的的供電電流：

當(dāng)充電條件滿足后，CC/CP電路閉合S2，車輛端的R2和R3并聯(lián)，再和交流樁里面的R1串聯(lián)，通過12V分壓，檢測電1的PWM電平由9V變成6V。交流樁收到“6V”PWM信號閉合K1和K2。通俗地說，這時候電網(wǎng)開始給交流樁供電。 充電過程中，CC/CP電路實(shí)時檢測CP占空比是否正常。 

下文將詳述CC，CP，S1，S2，S3之間的關(guān)聯(lián)性。

2CC信號和S3開關(guān)

CC全稱Connection confirm，連接確認(rèn)。車輛端根據(jù)該信號來判斷充電槍是否完成物理插接。 

1）連接確認(rèn)之樁與車

如前所述，對于車輛而言，CC信號連通后，CC/CP電路通過檢測3的電平計算當(dāng)前被串入的阻值是否符合18487.1的表格A.3表格中阻值范圍。對于交流樁而言，CP信號連通后，交流樁通過檢測點(diǎn)1的電平是否從12V變?yōu)?V來判定是否完成物理連接。

不過，對于模式3的連接方式B，不僅要判斷車輛端的充電接口已連接好，還需要判斷充電線纜與充電樁的接口是否接好，通過圖1的檢測點(diǎn)4來判定設(shè)備地和車身地這兩端的PE是否連接在一起了。

這里還涉及到一個概念，就是插槍喚醒。 CC/CP電路需要先工作起來，處在待機(jī)狀態(tài)，才可能識別CC信號。 如果一直通過車輛端的蓄電池供電，長時間很容易讓蓄電池虧電。因此，需要一個電路， 在插槍之前只檢測CC的一小部分低功耗電路供電（一般要求靜態(tài)休眠電流<1mA）,當(dāng)充電槍插入后，可以喚醒輔助電源給整個CC/CP電路供電。知道這個思路，具體的實(shí)現(xiàn)就比較簡單了，這里不做表述。只需檢測檢測點(diǎn)3串入CC檢測電路的阻值正常（1.5KΩ/10A,680Ω/16A,220Ω/32A,100Ω/32A），就認(rèn)為充電槍和慢充槍座處在“完全連接”狀態(tài)。

完成了物理連接后，整車還需要做一件事情，就是實(shí)現(xiàn)互鎖，使得此時車輛處于不可運(yùn)行狀態(tài)。也就是充電不能開車，開車不能充電。那如果車輛在插槍之前就已經(jīng)置于動力Ready檔位，然后去插充電槍，此時還是應(yīng)該要實(shí)現(xiàn)車輛不能運(yùn)行電機(jī)，或者不能進(jìn)行充電。

2）CC阻值

國標(biāo)還賦予了CC信號一個新的功能，就是通過阻值的不同來判斷充電線纜的過電流能力。最常見的交流供電電流分為10A（普通10A交流插座）、16A（家用空調(diào)插座）、32A三檔，64A的就很少見了。對于節(jié)約社會資源、樁企物料成本和減輕重量，對槍線設(shè)置不同規(guī)格是很有必要的。特別是對新興事物---小功率直流充電設(shè)備的充電線纜更有必要。但是筆者認(rèn)為特意使用CC信號阻值來識別線纜過電流能力，主要還是考慮到充電模式3的連接方式B的應(yīng)用場景。因?yàn)樵谶B接方式C中，充電樁企在設(shè)計時就已經(jīng)知道線纜的過電流能力，只需要在CP信號中對總的過電流能力予以體現(xiàn)就可以了。

國標(biāo)18487.1附錄A中，規(guī)定了對應(yīng)三檔電流匹配阻值R4和RC，這里不做表述，有興趣的可以去查閱這個表格。CC/CP電路的設(shè)計只需要按照這個規(guī)定的阻值去識別就可以了。

這里還有一個問題，就是這三個檔位的識別范圍，在設(shè)計中需要基于蓄電池的電壓范圍。因?yàn)檎麄€CC/CP電路建立在蓄電池電平基礎(chǔ)上。蓄電池的電壓值影響到CC檢測結(jié)果。如果沒有考慮到這一點(diǎn)，就會出現(xiàn)在某個蓄電池電壓點(diǎn)，CC檢測異?，F(xiàn)象。這是交流充電系統(tǒng)沒有通信協(xié)議，完全基于模擬信號傳遞充電信息的嚴(yán)重弊端。

隨著電力電子技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)的最新成果逐漸被車企理解，落后的交流充電系統(tǒng)及其低劣的信息傳遞方式必將被直流充電系統(tǒng)全面代替。

3）半連接與S3

如前所述，按下S3開關(guān)時，R4和RC同時串入CC/CP電路。松開S3開關(guān)時，R4被短路，只有RC被串入CC/CP電路。當(dāng)充電槍插好后，S3被按下，我們稱之為“半連接”狀態(tài)，S3松開時成為完全連接。

這里對半連接這種情況的處理，每家車廠要求是不一樣的。最常見的處理是，當(dāng)按下S3半連接，在任何階段都認(rèn)為是用戶需要結(jié)束充電，因此中斷充電，彈開電磁鎖，允許拔槍。比較少見的是為了防盜，按下S3半連接，也不允許拔槍，除非做另外的確認(rèn)操作，比如刷卡。這里的S3開關(guān)本身是無法阻止拔槍這個動作的，阻止它的是電磁鎖，這個會在后面講到。

半連接后合理的處理方式為，CC/CP電路通知OBC停止充電（應(yīng)當(dāng)在100ms內(nèi)將充電電流降到<1A），然后控制斷開S2開關(guān)，通知充電樁停止供電。拔槍斷鎖的這個時間最好控制在1S內(nèi)，以不至于影響用戶拔槍體驗(yàn)。

4）CC異常處理

除了半連接帶來的CC異常。如果車輛檢測到CC異常，一般是檢測電路工作不正常，譬如收到電磁干擾，或者CC信號的識別范圍沒有設(shè)計好。對于CC斷針或者PE斷針這種現(xiàn)象極少出現(xiàn)，除非沒有電磁鎖的充電槍，在充電過程中突然被拔槍。

CC的任何異常都需要終止充電操作。

3電磁鎖

1）電磁鎖的鎖止與斷開

國標(biāo)要求對于連接方式C中的充電接口和連接方式B中的供電接口，都要有鎖止裝置，也就是電磁鎖。交流供電電流為10A和16A檔位的供電設(shè)備可以沒有電磁鎖。主要考慮到大電流的強(qiáng)拔帶來的觸點(diǎn)氧化和不正常拔槍可能帶來的觸電風(fēng)險。交流充電接口的電磁鎖是配置在車輛接口里的（直流充電接口電磁鎖是配置在槍頭上的），它的作用就是，通過彈針卡住充電槍頭或者S3開關(guān)，使得充電槍無法拔出。

那么電磁鎖應(yīng)該在什么時候鎖上，什么時候斷開。國標(biāo)要求：“完全連接后，如果車輛插座內(nèi)配備有電子鎖，電子鎖應(yīng)在開始供電（K1與K2閉合）前鎖定車輛插頭并在整個過程中（狀態(tài)3）保持”。也就是一旦檢測CC正常后，就可以閉合電磁鎖了。國標(biāo)并沒有規(guī)定何時斷開電磁鎖。筆者認(rèn)為斷開電磁鎖滿足條件為：充電被終止（人為按下S3、充電樁斷開CP、電動汽車斷開S2）、和其他故障。這里并沒有強(qiáng)調(diào)是什么故障，有的充電機(jī)內(nèi)部故障是可以一段時間內(nèi)的自恢復(fù)的，或者CP故障的自恢復(fù)。

2）電磁鎖驅(qū)動與反饋

充電接口中的鎖止電磁鎖按照驅(qū)動方式主要分為脈沖式和保持式。脈沖式就是電磁鎖的鎖止和解鎖需要一個正向和反向的脈沖驅(qū)動電平即可。這個驅(qū)動脈寬時間不宜過長，一般為300ms~1000ms。保持式就是電磁鎖的鎖止是需要一個持續(xù)的高電平驅(qū)動的。保持式的電磁鎖的優(yōu)勢在于，可以防止出現(xiàn)因?yàn)橐馔鈹嚯妼?dǎo)致電磁鎖無法拔出這種尷尬的情況。脈沖式的電磁鎖優(yōu)勢在于功耗會更小。交流充電座中的電磁鎖一般為脈沖式的。它的驅(qū)動電路也不難，用H橋驅(qū)動就可以了。

車載充電機(jī)的研發(fā)工程師可能比較了解電磁鎖的信號線，有的有兩個反饋信號，有的只有一個。電磁鎖的反饋原理其實(shí)很簡單，就是一個開關(guān)信號。當(dāng)電磁鎖鎖止，這個開關(guān)閉合短路。當(dāng)電磁鎖解鎖，這個開關(guān)斷開開路。如果反饋信號有兩個線，那么這個反饋開關(guān)是獨(dú)立的，開關(guān)兩端就是兩根反饋信號。如果只有一個反饋信號線，那么這個反饋開關(guān)一頭和電磁鎖驅(qū)動負(fù)（Lock-）相連，一頭就是反饋信號。兩種反饋的原理是一樣的，但是對于CCCP控制器檢測電磁鎖反饋電路上做相應(yīng)區(qū)分就可以了。

3）電磁鎖故障處理

對于脈沖式電磁鎖的邏輯一定要處理好。如果處理不好，電磁鎖反復(fù)鎖止斷開，或者持續(xù)的正負(fù)電平，都會損壞電磁鎖。對于電磁鎖反饋信號檢測到的電磁鎖故障，一般是不做故障處理，不應(yīng)影響正常的充電進(jìn)行的，但是可以對電磁鎖故障上報VCU處理。那如果發(fā)現(xiàn)交流充電槍突然鎖死在槍座上，而電磁鎖無法解鎖怎么辦呢。一般在充電座后面電磁鎖上有一個強(qiáng)制解鎖的拉環(huán)，把手通過輪胎上面伸進(jìn)去就可以拉開，如果實(shí)在不行就只能去4S店處理了。

4CP與S1、S2

CP全稱Control Pilot,控制引導(dǎo)。對車輛端CP信號只檢測它的占空比，得到充電樁的最大供電電流能力，并且通過S2開關(guān)改變CP信號的電平。對充電樁而言，只檢測CP信號的電平，通過CP電平判斷充電狀態(tài)。

1）CP與S1

CP信號由交流供電設(shè)備發(fā)出，有兩個來源，一個是12V的高電平，一個是12V的PWM。CP信號取哪個源輸出取決于S1開關(guān)的切換。交流充電樁供電后，CP信號初始為S1切到12V電平輸出。當(dāng)充電槍與車輛端插接好后，車輛內(nèi)部CCCP控制器的電阻R3串入到電路中來，12V電平通過回路中的充電樁內(nèi)部電阻R1和車輛內(nèi)部電阻R3分壓，檢測點(diǎn)1處電平由12V變?yōu)?V。此時，充電樁判斷充電槍已和車輛插接良好。

S1的投切到PWM輸出的時間取決于充電樁的設(shè)計邏輯。有的設(shè)計為只要檢測點(diǎn)1電平由12V變?yōu)?V即投切S1開關(guān)到12V的PWM輸出。有的設(shè)計為需要刷卡操作后才投切。

2）CP與S2

S2開關(guān)置于車輛內(nèi)部的CCCP電路中。S2閉合后，將CCCP內(nèi)電阻R2與R3并聯(lián)在一起，因此檢測點(diǎn)1的電平從9V被拉到6V電平。S2開關(guān)的動作對整個充電引導(dǎo)握手至關(guān)重要。

對于充電樁而言，所有的握手信息都來源于檢測點(diǎn)1的信號。檢測點(diǎn)1的電平從12V變?yōu)?V，充電槍已插接好；檢測點(diǎn)1電平充9V變?yōu)?V，車輛已準(zhǔn)備好充電，充電樁閉合K1、K1交流接觸器，給車輛供給交流電；檢測點(diǎn)1電平從6V變?yōu)?V，收到車輛結(jié)束充電通知，斷開K1，K2，斷開交流電（這個時間需在100ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)）。

對于車輛端CC/CP控制器而言，檢測CP占空比的動作在檢測CC正常、閉合電磁鎖動作之后。當(dāng)檢測CP占空比正常后，CC/CP檢測到車輛端無系統(tǒng)故障，已準(zhǔn)備好充電，則閉合S2開關(guān)，拉低CP電平，通知充電樁車輛已準(zhǔn)備好充電。

充電樁檢測到CP檢測點(diǎn)1為9V到6V后，供給交流電，車輛端內(nèi)部充電機(jī)開啟對動力電池的充電。整個充電過程中，CC/CP控制器保持監(jiān)測各個信號是否正常。

3）CP占空比

CP的占空比用來體現(xiàn)了交流充電樁的最大供電電流能力，車輛端的充電功率使得交流電流超過此限值。國標(biāo)規(guī)定CP占空比的識別有效值區(qū)間為8%到90%。不在這個區(qū)間內(nèi)的值都為不正常，不能充電。國標(biāo)詳細(xì)規(guī)定了CP信號的頻率，上升下降時間，阻值有效電平范圍，具體的對應(yīng)電流關(guān)系等，有表格可以查閱，這里不做表述。

充電過程中，當(dāng)CC/CP電路檢測到CP占空比發(fā)生變化，需要通知充電機(jī)在5S內(nèi)對此電流限制做出響應(yīng)并達(dá)到要求。當(dāng)檢測到CP占空比變?yōu)?00%或其他異常時，需要通知充電機(jī)停止充電，并且在3S內(nèi)實(shí)現(xiàn)充電電流<1A.

4）CP異常處理

CP信號的異常處理不能太敏感，否則可能產(chǎn)生誤判。設(shè)計者需要保證CP檢測電路的可靠，特別是高溫、低溫環(huán)境下。充電過程中如果持續(xù)一段時間檢測到CP異常，需要做出故障處理，斷開S2開關(guān)，通知交流樁斷開K1，K2交流供應(yīng)開關(guān)。當(dāng)然故障判斷時間需要3S內(nèi)實(shí)現(xiàn)充電電流<1A。

5）刷卡

在模式3的充電樁中，絕大部分是需要刷卡上下電的。充電刷卡對應(yīng)的操作為切換S1到PWM信號，或者閉合K1，K2供給交流電。結(jié)束充電刷卡對應(yīng)的操作為斷開S1開關(guān)，或者斷開K1，K2斷開交流電。這里的兩個或者就是市面上交流充電樁的差異。因?yàn)閲鴺?biāo)并沒有對刷卡這一動作進(jìn)行規(guī)范，所以才有了這些差異性。

絮絮叨叨講了這么多，最后再和大家分析一個案例。在使用交流充電樁充電過程中，使用磁卡刷卡交流充電樁結(jié)束充電，此時斷開了K1，K2開關(guān)，交流電斷開，但是S1開關(guān)并未動作，CP占空比仍然正常。那么此時車輛端是否應(yīng)該解開電磁鎖呢？

答案是都可以。因?yàn)榘凑罩暗倪壿?，只要CC檢測正常，就需要閉合電磁鎖，那么此時CC是正常的，當(dāng)然閉合電磁鎖，如果要拔槍只需要再按下S3開關(guān)即可。如果按照另外一個角度，用戶使用刷卡下電，就是希望結(jié)束充電，應(yīng)該解鎖。

之所以把這個案例單獨(dú)提出來，就是實(shí)際這兩種情況都遇到了。設(shè)計在實(shí)際工程應(yīng)用中沒有絕對的邏輯，還會有些約定俗成的應(yīng)用。