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”是通過模擬電平實現(xiàn)的。因為涉及到幾種模擬信號在不同階段、不同場景下的不同跳變，邏輯設計如果不夠嚴謹，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：

1.交流充電控制引導電路

2.CC信號和S3開關

3.電磁鎖

4.CP與S1、S2開關

1交流充電控制引導電路

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。

 握手信號包括確認插槍物理連接的CC信號和充電引導的CP信號。充電槍槍頭內(nèi)有電阻R4、RC和機械開關S3。 S3就是用戶可以手按的機械開關。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3處的CC阻值來確認充電槍的連接狀態(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。這個細節(jié)，想想是挺有意思的。 

交流樁通過圖示檢測點1處的電平值來確認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2的PWM占空比來確定交流樁可以提供的的供電電流：

當充電條件滿足后，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之間的關聯(lián)性。

2CC信號和S3開關

CC全稱Connection confirm，連接確認。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4來判定設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，具體的實現(xiàn)就比較簡單了，這里不做表述。只需檢測檢測點3串入CC檢測電路的阻值正常（1.5KΩ/10A,680Ω/16A,220Ω/32A,100Ω/32A），就認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，就是實現(xiàn)互鎖，使得此時車輛處于不可運行狀態(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，此時還是應該要實現(xiàn)車輛不能運行電機，或者不能進行充電。

2）CC阻值

國標還賦予了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---小功率直流充電設備的充電線纜更有必要。但是筆者認為特意使用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的應用場景。因為在連接方式C中，充電樁企在設計時就已經(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18487.1附錄A中，規(guī)定了對應三檔電流匹配阻值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，在設計中需要基于蓄電池的電壓范圍。因為整個CC/CP電路建立在蓄電池電平基礎上。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，就會出現(xiàn)在某個蓄電池電壓點，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重弊端。

隨著電力電子技術(shù)已能實現(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開關時，R4和RC同時串入CC/CP電路。松開S3開關時，R4被短路，只有RC被串入CC/CP電路。當充電槍插好后，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，當按下S3半連接，在任何階段都認為是用戶需要結(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，除非做另外的確認操作，比如刷卡。這里的S3開關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（應當在100ms內(nèi)將充電電流降到<1A），然后控制斷開S2開關，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。

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檔位的供電設備可以沒有電磁鎖。主要考慮到大電流的強拔帶來的觸點氧化和不正常拔槍可能帶來的觸電風險。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，使得充電槍無法拔出。

那么電磁鎖應該在什么時候鎖上，什么時候斷開。國標要求：“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。國標并沒有規(guī)定何時斷開電磁鎖。筆者認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。這里并沒有強調(diào)是什么故障，有的充電機內(nèi)部故障是可以一段時間內(nèi)的自恢復的，或者CP故障的自恢復。

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)因為意外斷電導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很簡單，就是一個開關信號。當電磁鎖鎖止，這個開關閉合短路。當電磁鎖解鎖，這個開關斷開開路。如果反饋信號有兩個線，那么這個反饋開關是獨立的，開關兩端就是兩根反饋信號。如果只有一個反饋信號線，那么這個反饋開關一頭和電磁鎖驅(qū)動負（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，電磁鎖反復鎖止斷開，或者持續(xù)的正負電平，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，不應影響正常的充電進行的，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制解鎖的拉環(huán)，把手通過輪胎上面伸進去就可以拉開，如果實在不行就只能去4S店處理了。

4CP與S1、S2

CP全稱Control Pilot,控制引導。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計邏輯。有的設計為只要檢測點1電平由12V變?yōu)?V即投切S1開關到12V的PWM輸出。有的設計為需要刷卡操作后才投切。

2）CP與S2

S2開關置于車輛內(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1的電平從9V被拉到6V電平。S2開關的動作對整個充電引導握手至關重要。

對于充電樁而言，所有的握手信息都來源于檢測點1的信號。檢測點1的電平從12V變?yōu)?V，充電槍已插接好；檢測點1電平充9V變?yōu)?V，車輛已準備好充電，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，已準備好充電，則閉合S2開關，拉低CP電平，通知充電樁車輛已準備好充電。

充電樁檢測到CP檢測點1為9V到6V后，供給交流電，車輛端內(nèi)部充電機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。國標詳細規(guī)定了CP信號的頻率，上升下降時間，阻值有效電平范圍，具體的對應電流關系等，有表格可以查閱，這里不做表述。

充電過程中，當CC/CP電路檢測到CP占空比發(fā)生變化，需要通知充電機在5S內(nèi)對此電流限制做出響應并達到要求。當檢測到CP占空比變?yōu)?00%或其他異常時，需要通知充電機停止充電，并且在3S內(nèi)實現(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，通知交流樁斷開K1，K2交流供應開關。當然故障判斷時間需要3S內(nèi)實現(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)束充電刷卡對應的操作為斷開S1開關，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。因為國標并沒有對刷卡這一動作進行規(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，交流電斷開，但是S1開關并未動作，CP占空比仍然正常。那么此時車輛端是否應該解開電磁鎖呢？

答案是都可以。因為按照之前的邏輯，只要CC檢測正常，就需要閉合電磁鎖，那么此時CC是正常的，當然閉合電磁鎖，如果要拔槍只需要再按下S3開關即可。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，應該解鎖。

之所以把這個案例單獨提出來，就是實際這兩種情況都遇到了。設計在實際工程應用中沒有絕對的邏輯，還會有些約定俗成的應用。