汽車研發(fā)：充電槍結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制及測試要求解析！
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充電槍結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制及測試要求解析
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純電動汽車的充電方式有快充和慢充兩種，這兩者是相對的概念，一般快充為大功率直流充電，一小時以內(nèi)可以充滿電池80%的電量，慢充指交流充電，充電過程需6~8小時。而電動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，對于槍的設(shè)計都有相關(guān)的法規(guī)和技術(shù)要求。
我們先來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?，從30KW到幾百KW不等。目前大功率的充電特斯拉的超級充電樁是典型代表，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)，這個設(shè)備的作用就是將充電樁進(jìn)來的交流電轉(zhuǎn)化成直流電，就是所謂的AC-DC轉(zhuǎn)化。之所以需要這個交直流的轉(zhuǎn)化，原因就是動力電池僅支持直流充電。也就是說，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個接頭（交流樁）和9個接頭（直流樁），每個接頭代表了不同的電源或控制信號，具體國標(biāo)都有規(guī)定。下面主要針對快充和慢充的接口定義及原理做說明。
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充電樁檢測原理圖如下所示。
- 當(dāng)檢測點1的電壓是12V，S開關(guān)（槍頭）是斷開時，槍頭和底座狀態(tài)為斷開；
- 當(dāng)電壓為6V，S開關(guān)（槍頭）閉合時，槍頭和底座狀態(tài)為斷開；
- 當(dāng)電壓為6V，S開關(guān)（槍頭）斷開時，槍頭和底座狀態(tài)為結(jié)合；
- 當(dāng)4V時，S開關(guān)（槍頭）閉合時，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)行舉例說明：
下圖為北汽EV200的快充電路圖。當(dāng)VCU通過CC2確認(rèn)連接；快充接口把喚醒信號發(fā)送給VCU；VCU接收到信號后喚醒BMS，輸送信號至BMS繼電器，就可以開始充電了。這里需要說明的是：CAN線主要是是車輛發(fā)送充電需求用的。充電樁根據(jù)車輛的需求來供應(yīng)電量。整個控制上需要確保如下部件正常工作：
1）需要確保VCU供電（保險絲）、搭鐵正常，VCU無故障；
2）需要確動力電池供電（保險絲）、搭鐵正常，BMS無故障，電流互感器正常，動力電池電壓、電流、溫度等正常；
3）高壓控制盒繼電器正常，VCU的控制信號正常；
4）CAN通訊正常；
5）快充接口喚醒VCU信號正常，VCU喚醒BMS信號正常，VCU控制BMS繼電器信號正常。CC1連接其信號正常輸入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”會通過CP檢測點1與檢測點4檢測電壓是否為12V。如果沒有連接好，檢測點4就沒有搭鐵，就檢測不出電壓，如果連接好了，檢測點4通過PE就與車輛搭鐵相通了，這時電壓就是12V，有12V電后“纜上控制盒”就會讓S1與PWM接通，否則S1是與+12接通；
2）?車輛控制裝置會通過CC檢測R3電阻來確認(rèn)充電槍與車輛插座是否連接，如果未連接好，電阻為無窮大，否則有相應(yīng)電阻值；
3）?最后，車輛控制裝置計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)信號發(fā)送給VCU；
- 車載充電機(jī)把喚醒信號發(fā)送給VCU；
- VCU接收到信號后喚醒BMS輸送信號至BMS繼電器，連接后就可以充電了。
下圖為《GBT20234.3-2015電動汽車傳導(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)計中，應(yīng)確保能順利插撥，同時需要保證一定的插撥力。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中的圖紙規(guī)范，按極值法計算一下動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。二個極限孔位的狀態(tài)如下圖所示。
2）插頭正負(fù)極的最大實體狀態(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，針與孔會發(fā)生干涉，其裝配時最大干涉量達(dá)到0.4mm。比對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題，在實際應(yīng)用可能會出現(xiàn)接插不正常的現(xiàn)象，導(dǎo)致接插松動、接觸不良、觸頭彎斜等問題，并最終造成溫升燒槍和應(yīng)用壽命短的現(xiàn)象。針對此標(biāo)準(zhǔn)，目前企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上相對要比國標(biāo)更加苛刻才能避免因為結(jié)構(gòu)設(shè)計上出現(xiàn)的不匹配導(dǎo)致充電槍的各種問題。
不論是快充槍還是慢充槍，作為充電設(shè)備與電動汽車充電電池的接口作用，國家是有強(qiáng)制規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的，所有充電樁和電動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)驗和充電槍新國標(biāo)的要求概括出四點：
- 接口通用性檢查
- 機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性測試
- 材料性能測試
- 電氣安全測試
下面以慢充槍為例做深入詳細(xì)解讀。
充電槍的設(shè)計與開發(fā)，雖然有強(qiáng)制的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，但隨著技術(shù)的迭代，為了覆蓋整個行業(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，考慮到各廠家的兼容性，在設(shè)計時候也要充分考慮滿足性能、尤其耐久等要求，以滿足產(chǎn)品平臺化。
