汽車研發(fā)：充電槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制及測(cè)試要求解析！
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充電槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制及測(cè)試要求解析
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純電動(dòng)汽車的充電方式有快充和慢充兩種，這兩者是相對(duì)的概念，一般快充為大功率直流充電，一小時(shí)以內(nèi)可以充滿電池80%的電量，慢充指交流充電，充電過(guò)程需6~8小時(shí)。而電動(dòng)車上正常也都配快充槍和慢充槍，以方便用戶選擇（有的車按高低配置區(qū)分有的也只有快充或慢充），不論是快充還是慢充，對(duì)于槍的設(shè)計(jì)都有相關(guān)的法規(guī)和技術(shù)要求。
我們先來(lái)看看什么是快充和慢充。
所謂的快充，就是將AC-DC轉(zhuǎn)化器外接到充電樁上，這樣充電槍輸出的電流就直接是直流了?？斐涞碾姽β示涂梢宰龅煤艽螅瑥?0KW到幾百KW不等。目前大功率的充電特斯拉的超級(jí)充電樁是典型代表，其Ssuper Charger V3就支持250kW，旗下Model3、ModelS和ModelX等車型都支持該充電功率。另外，還有保時(shí)捷的Taycan甚至支持350kW的充電功率。
所謂慢充就是充電樁連接的是OBC，即車載充電機(jī)，這個(gè)設(shè)備的作用就是將充電樁進(jìn)來(lái)的交流電轉(zhuǎn)化成直流電，就是所謂的AC-DC轉(zhuǎn)化。之所以需要這個(gè)交直流的轉(zhuǎn)化，原因就是動(dòng)力電池僅支持直流充電。也就是說(shuō)，充電功率的大小是由OBC的功率直接決定的。目前市面上主流的OBC功率是在7kW，也有11kW和22kW的。
充電槍分7個(gè)接頭（交流樁）和9個(gè)接頭（直流樁），每個(gè)接頭代表了不同的電源或控制信號(hào)，具體國(guó)標(biāo)都有規(guī)定。下面主要針對(duì)快充和慢充的接口定義及原理做說(shuō)明。
下圖為快充槍的接口定義，其中：
- DC+：直流電源正
- DC-：直流電源負(fù)
- PE：接地（搭鐵）
- S+：通訊CAN-H
- S-：通訊CAN-L
- CC1：充電連接確認(rèn)
- CC2：充電連接確認(rèn)
- A+：12V+
- A-：12V-
那么CC1、CC2是如何確認(rèn)是否連接正常呢？CC1和CC2充電樁檢測(cè)原理圖如下所示。
- 當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)1的電壓是12V，S開(kāi)關(guān)（槍頭）是斷開(kāi)時(shí)，槍頭和底座狀態(tài)為斷開(kāi)；
- 當(dāng)電壓為6V，S開(kāi)關(guān)（槍頭）閉合時(shí)，槍頭和底座狀態(tài)為斷開(kāi)；
- 當(dāng)電壓為6V，S開(kāi)關(guān)（槍頭）斷開(kāi)時(shí)，槍頭和底座狀態(tài)為結(jié)合；
- 當(dāng)4V時(shí)，S開(kāi)關(guān)（槍頭）閉合時(shí)，槍頭和底座狀態(tài)為結(jié)合（完全結(jié)合）；
- 當(dāng)CC1接通后，兩電阻分壓獲得6V電壓，否則獲得12V電壓。
下面進(jìn)行舉例說(shuō)明：
下圖為北汽EV200的快充電路圖。當(dāng)VCU通過(guò)CC2確認(rèn)連接；快充接口把喚醒信號(hào)發(fā)送給VCU；VCU接收到信號(hào)后喚醒BMS，輸送信號(hào)至BMS繼電器，就可以開(kāi)始充電了。這里需要說(shuō)明的是：CAN線主要是是車輛發(fā)送充電需求用的。充電樁根據(jù)車輛的需求來(lái)供應(yīng)電量。整個(gè)控制上需要確保如下部件正常工作：
1）需要確保VCU供電（保險(xiǎn)絲）、搭鐵正常，VCU無(wú)故障；
2）需要確動(dòng)力電池供電（保險(xiǎn)絲）、搭鐵正常，BMS無(wú)故障，電流互感器正常，動(dòng)力電池電壓、電流、溫度等正常；
3）高壓控制盒繼電器正常，VCU的控制信號(hào)正常；
4）CAN通訊正常；
5）快充接口喚醒VCU信號(hào)正常，VCU喚醒BMS信號(hào)正常，VCU控制BMS繼電器信號(hào)正常。CC1連接其信號(hào)正常輸入VCU。
下圖為慢充槍的接口定義，其中：
- CC：車輛控制裝置連接確認(rèn)
- CP：充電樁連接確
- PE：接地（搭鐵）
- L：三相交流電“U”
- N：三相交流電“中性”
- NC1：三相交流電“V”
- NC2：三相交流電“W”
- 通常NC1與NC2是空的、L、N就是接的家用220V的兩根線。
同樣，和快充一樣，如何保證CC、CP能夠連接正常呢？
1）?首先，“纜上控制盒”會(huì)通過(guò)CP檢測(cè)點(diǎn)1與檢測(cè)點(diǎn)4檢測(cè)電壓是否為12V。如果沒(méi)有連接好，檢測(cè)點(diǎn)4就沒(méi)有搭鐵，就檢測(cè)不出電壓，如果連接好了，檢測(cè)點(diǎn)4通過(guò)PE就與車輛搭鐵相通了，這時(shí)電壓就是12V，有12V電后“纜上控制盒”就會(huì)讓S1與PWM接通，否則S1是與+12接通；
2）?車輛控制裝置會(huì)通過(guò)CC檢測(cè)R3電阻來(lái)確認(rèn)充電槍與車輛插座是否連接，如果未連接好，電阻為無(wú)窮大，否則有相應(yīng)電阻值；
3）?最后，車輛控制裝置計(jì)算充電電纜額定容量與纜上控制盒的電流后，把車載充電機(jī)最大功率設(shè)為他們的最小值。慢充接口原理如下所示。
同樣以北汽EV200為例說(shuō)明慢充電路如何控制的，具體如下圖所示。具體控制原理為：
- 車載充電機(jī)與充電樁成功連接后，車載充電機(jī)把CC連接確認(rèn)信號(hào)發(fā)送給VCU；
- 車載充電機(jī)把喚醒信號(hào)發(fā)送給VCU；
- VCU接收到信號(hào)后喚醒BMS輸送信號(hào)至BMS繼電器，連接后就可以充電了。
下圖為《GBT20234.3-2015電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第3部分直流充電接口》中關(guān)于插頭的公差標(biāo)注。
根據(jù)裝配要求，觸頭與插座在公差設(shè)計(jì)中，應(yīng)確保能順利插撥，同時(shí)需要保證一定的插撥力。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的圖紙規(guī)范，按極值法計(jì)算一下動(dòng)力觸頭接插部分正負(fù)二極的裝配尺寸鏈。
1）插座正負(fù)極最大實(shí)體狀態(tài)下的極限位置
正負(fù)二極距離的理論正確尺寸為34mm，二孔的位置度為Φ0.3mm，二孔的最小尺寸為Φ12.2mm。二個(gè)極限孔位的狀態(tài)如下圖所示。
2）插頭正負(fù)極的最大實(shí)體狀態(tài)下的極限位置
正負(fù)二極距離的理論正確尺寸為34mm，二孔的位置度為Φ0.3mm，二插針的最大直徑為Φ12mm。二個(gè)極限針位的狀態(tài)如下圖所示。
3）GB標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)注的正負(fù)極裝配尺寸鏈分析結(jié)論
按目前GB的公差標(biāo)注，在極限狀態(tài)下，針與孔會(huì)發(fā)生干涉，其裝配時(shí)最大干涉量達(dá)到0.4mm。比對(duì)GB和SAE標(biāo)準(zhǔn)（SAEJ1772：2010SAE Electric Vehicle and Plugin Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler）可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的精度要求遠(yuǎn)低于SAE，再加上裝配尺寸鏈的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)接插不正常的現(xiàn)象，導(dǎo)致接插松動(dòng)、接觸不良、觸頭彎斜等問(wèn)題，并最終造成溫升燒槍和應(yīng)用壽命短的現(xiàn)象。針對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)，目前企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上相對(duì)要比國(guó)標(biāo)更加苛刻才能避免因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上出現(xiàn)的不匹配導(dǎo)致充電槍的各種問(wèn)題。
不論是快充槍還是慢充槍，作為充電設(shè)備與電動(dòng)汽車充電電池的接口作用，國(guó)家是有強(qiáng)制規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的，所有充電樁和電動(dòng)汽車廠家都必須共同遵守，以保證樁和槍的連接一致性。
根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和充電槍新國(guó)標(biāo)的要求概括出四點(diǎn)：
- 接口通用性檢查
- 機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性測(cè)試
- 材料性能測(cè)試
- 電氣安全測(cè)試
下面以慢充槍為例做深入詳細(xì)解讀。
充電槍的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，雖然有強(qiáng)制的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但隨著技術(shù)的迭代，為了覆蓋整個(gè)行業(yè)的需求，從充電樁到充電槍的標(biāo)準(zhǔn)也需要隨之更新完善。同時(shí)，考慮到各廠家的兼容性，在設(shè)計(jì)時(shí)候也要充分考慮滿足性能、尤其耐久等要求，以滿足產(chǎn)品平臺(tái)化。
