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,，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開關(guān)（槍頭）是斷開時(shí),，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(shí),，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(shí),，槍頭和底座狀態(tài)為結(jié)合；
- 當(dāng)4V時(shí),，S開關(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(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(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無故障,；
2）需要確動(dòng)力電池供電（保險(xiǎn)絲）、搭鐵正常,，BMS無故障,，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,。如果沒有連接好，檢測(cè)點(diǎn)4就沒有搭鐵,，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CC檢測(cè)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(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(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(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。
