王 鳴，張振東

（1. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201805）

隨著石油資源緊缺和汽車污染問(wèn)題的加劇，電動(dòng)汽車的發(fā)展成為必然趨勢(shì)，我國(guó)也將以電動(dòng)汽車為主的新能源汽車列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一［1-3］。對(duì)于純電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，外接充電是其獲取能量的唯一途徑，而各國(guó)快速充電標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異。目前電動(dòng)車的充電方式主要有快充（直流充電）和慢充（交流充電）兩種，各國(guó)家和地區(qū)對(duì)快充都有各自的標(biāo)準(zhǔn)。主流的快速充電接口標(biāo)準(zhǔn)有北美標(biāo)準(zhǔn)（SAE）［4］、歐洲標(biāo)準(zhǔn)（IEC）［5］和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）［6-9］等。近年來(lái)，隨著國(guó)家充電標(biāo)準(zhǔn)，尤其是快充標(biāo)準(zhǔn)的完善和推廣，在中國(guó)銷售的車型須符合國(guó)家快充標(biāo)準(zhǔn)。因此，很多國(guó)外電動(dòng)車在國(guó)內(nèi)都遇到充電標(biāo)準(zhǔn)不匹配的問(wèn)題，從而影響國(guó)外電動(dòng)車在國(guó)內(nèi)的銷售和使用。因此，如何利用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁對(duì)國(guó)外電動(dòng)車進(jìn)行快速充電成為急需解決的問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外電動(dòng)車的快充功能，關(guān)鍵是要在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁與國(guó)外生產(chǎn)的電動(dòng)車的電池管理系統(tǒng)之間建立正常的通訊聯(lián)系?？赏ㄟ^(guò)在電動(dòng)車上增加一個(gè)充電網(wǎng)關(guān)模塊，在不影響原車充電功能的前提下，增加國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)快充功能，即在同一輛車上實(shí)現(xiàn)兩種充電協(xié)議。充電網(wǎng)關(guān)控制器對(duì)充電接口協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而不改變充電過(guò)程中的電流、電壓控制等內(nèi)容?？梢栽诂F(xiàn)有的汽車控制器的基礎(chǔ)上對(duì)充電網(wǎng)關(guān)控制器的硬件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)硬件進(jìn)行配置和優(yōu)化，使用多個(gè)端口復(fù)用的方式可實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程中復(fù)雜控制信號(hào)的硬件輸出，這樣就能對(duì)某些國(guó)外電動(dòng)車進(jìn)行本土化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)中國(guó)市場(chǎng)并符合各項(xiàng)法規(guī)的要求。

1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和北美標(biāo)準(zhǔn)快充接口對(duì)比

在國(guó)家快充標(biāo)準(zhǔn)中車輛端控制器接口信號(hào)包括漸進(jìn)開(kāi)關(guān)信號(hào)（CCL2）、J1939局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)（CAN）、12 V喚醒信號(hào)。車輛端通過(guò)CCL2確認(rèn)與充電樁連接，在充電過(guò)程中信息完全通過(guò)CAN進(jìn)行傳遞。在北美快充標(biāo)準(zhǔn)中車輛端控制器接口信號(hào)包括電池管理系統(tǒng)電源信號(hào)（CP信號(hào)）、電池管理系統(tǒng)信號(hào)（Prox信號(hào)）等。車輛S端控制器通過(guò)Prox信號(hào)確認(rèn)充電樁連接，通過(guò)CP信號(hào)的電壓、PWM（脈沖寬度調(diào)制）狀態(tài)進(jìn)行握手，并由CP信號(hào)的PLC（載波通訊信號(hào)）進(jìn)行信息交互。車輛中的控制器需對(duì)CP信號(hào)電壓、PWM狀態(tài)進(jìn)行控制，信息交互利用HPCC（混合動(dòng)力控制模塊）將 PLC翻譯為GMLAN CAN信號(hào)（通用局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)）。

1.1 充電網(wǎng)關(guān)控制器的作用

無(wú)論從硬件接口還是從充電時(shí)序方面來(lái)看，北美快充標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家快充標(biāo)準(zhǔn)之間存在非常大的差異，兩者之間無(wú)兼容的可能。為了使按照北美快充標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的車型能夠進(jìn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)快充，設(shè)計(jì)了充電網(wǎng)關(guān)控制模塊。加入充電網(wǎng)關(guān)后的充電部分零部件結(jié)構(gòu)，充電網(wǎng)關(guān)和充電樁之間的接口完全按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，而在車輛端方面，利用通用局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、CP信號(hào)、Prox信號(hào)同車輛控制模塊進(jìn)行信息交互。由于充電過(guò)程中的交互信息由充電網(wǎng)關(guān)直接翻譯為局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)信號(hào)，原有高壓控制模塊與高壓局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的連接線路斷開(kāi)，由充電網(wǎng)關(guān)代替原有高壓控制模塊的局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和ID（局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的節(jié)點(diǎn)）。

充電網(wǎng)關(guān)通過(guò)模擬J1939 CAN信號(hào)，并檢測(cè)CCL2信號(hào)。對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁來(lái)說(shuō)，充電網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于車輛的電池管理系統(tǒng)；另一方面，由于充電網(wǎng)關(guān)向電池管理系統(tǒng)模擬輸出CP信號(hào)和Prox信號(hào)，對(duì)車輛來(lái)說(shuō)，充電網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于充電樁。

1.2 充電網(wǎng)關(guān)電路接口

充電網(wǎng)關(guān)需同時(shí)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁及北美標(biāo)準(zhǔn)車輛控制器接口的要求，因此需按照各自標(biāo)準(zhǔn)對(duì)充電網(wǎng)關(guān)兩側(cè)的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。所開(kāi)發(fā)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CCL2端口如圖1所示，圖中R1、R2均為電阻。該端口通過(guò)一個(gè)上拉到12 V的電阻對(duì)快充插頭狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。充電網(wǎng)關(guān)通過(guò)測(cè)量上拉電阻端的電壓，確定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電插頭是否連接。所開(kāi)發(fā)的北美標(biāo)準(zhǔn)CP端口如圖2所示，圖中：R3～R7均為電阻；S2為繼電器開(kāi)關(guān)。該端口包括PWM、電壓及頻率采集等電路。當(dāng)完成充電握手，充電網(wǎng)關(guān)收到充電樁握手信號(hào)后，切換為PWM波發(fā)送，直至充電結(jié)束為止。在充電過(guò)程中充電網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)檢測(cè)PWM信號(hào)的電壓幅值、頻率和占空比，一旦出現(xiàn)異常，將停止充電。另外，在充電網(wǎng)關(guān)控制器中還設(shè)置了Prox端口，其作用是模擬北美標(biāo)準(zhǔn)中的漸進(jìn)開(kāi)關(guān)信號(hào)（電壓信號(hào)）。在充電網(wǎng)關(guān)檢測(cè)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電插頭插上時(shí)，控制開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，否則控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

圖1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) CCL2端口Fig.1 GB CCL2port

圖2 北美標(biāo)準(zhǔn)的 CP 端口Fig.2 SAE CP port

在CP信號(hào)的輸出控制中，采用閉環(huán)反饋控制算法對(duì)信號(hào)輸出電壓和PWM占空比進(jìn)行采集并調(diào)節(jié)輸出。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示，在6、9 V兩種狀態(tài)下，CP信號(hào)輸出PWM波的峰值電壓均比較穩(wěn)定，波動(dòng)范圍在 ± 0.2 V以內(nèi)，完全滿足北美標(biāo)準(zhǔn)中 ± 0.6 V的波動(dòng)范圍要求。

2 網(wǎng)關(guān)控制器及充電協(xié)議轉(zhuǎn)換邏輯開(kāi)發(fā)

2.1 網(wǎng)關(guān)控制器

圖3 CP 信號(hào)輸出 PWM 波Fig.3 PWM wave from CP signal

為了節(jié)省開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，通過(guò)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊進(jìn)行改裝，構(gòu)建了充電網(wǎng)關(guān)控制器。該控制器正常工作電壓范圍為9～16 V，可工作的電壓范圍為6.3～16 V。當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓低于9 V時(shí)，只有一些特殊的功能起作用。工作溫度范圍為-40～105℃。低電壓信號(hào)和高電壓信號(hào)分別布置在不同的線束內(nèi)，在網(wǎng)關(guān)的供電電路上配置保護(hù)電路。另外，網(wǎng)關(guān)控制器的外殼和底盤均不用作跨接啟動(dòng)車子的連接點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)的接地端子直接與蓄電池負(fù)極連接。

2.2 充電協(xié)議轉(zhuǎn)換邏輯

充電過(guò)程中充電網(wǎng)關(guān)分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、北美標(biāo)準(zhǔn)與充電樁及車輛控制器進(jìn)行握手和通訊，完成上電、預(yù)充電、充電、下電等操作。充電網(wǎng)關(guān)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁的物理連接完成后，進(jìn)入充電握手階段，通過(guò)總線進(jìn)行握手信號(hào)的交互。確認(rèn)連接正常后，對(duì)充電過(guò)程中的最大電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行配置。完成參數(shù)配置后，進(jìn)入充電階段。充電網(wǎng)關(guān)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁之間通過(guò)總線發(fā)送目標(biāo)電流、目標(biāo)電壓、實(shí)際電流、實(shí)際電壓等信息，并實(shí)時(shí)監(jiān)控充電狀態(tài)。在充電結(jié)束階段，充電網(wǎng)關(guān)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁之間通過(guò)總線發(fā)送充電結(jié)束標(biāo)志報(bào)文。充電結(jié)束后，充電網(wǎng)關(guān)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁互相發(fā)送充電統(tǒng)計(jì)報(bào)文。

充電過(guò)程中充電網(wǎng)關(guān)和車輛控制器之間的通訊流程如圖4所示。根據(jù)不同的CP信號(hào)峰值電壓，將充電過(guò)程分為A、B、C三個(gè)階段。階段A表示未握手狀態(tài)，當(dāng)握手完成后，跳入階段B。當(dāng)充電網(wǎng)關(guān)將CP信號(hào)切換為PWM波輸出時(shí)，即表示充電樁完成就緒準(zhǔn)備。在充電網(wǎng)關(guān)和車輛控制器之間交換充電限制值之后，車輛控制器閉合繼電器對(duì)充電線路進(jìn)行絕緣檢查，檢查通過(guò)后切換至階段C。在階段C中，車輛控制器向充電網(wǎng)關(guān)發(fā)送電流和電壓需求，從而完成從預(yù)充電至充電的轉(zhuǎn)化。在充電過(guò)程中，車輛控制器和充電網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)對(duì)充電電流、電壓進(jìn)行交互。當(dāng)出現(xiàn)故障或者需要停止充電時(shí)，車輛控制器斷口繼電器，從而結(jié)束充電。

圖4 充電握手通訊流程Fig.4 Flowchart of charging communication

2.3 充電時(shí)序

充電網(wǎng)關(guān)在檢測(cè)到CCL2信號(hào)標(biāo)志充電槍插上后，向車輛控制器模擬CP信號(hào)和Prox信號(hào)。同時(shí)通過(guò)總線和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電站發(fā)送握手信號(hào)，通過(guò)高壓局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)總線和車輛控制器發(fā)送握手信號(hào)，完成初步握手狀態(tài)。之后，充電網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)充電站和車輛控制器的電流限制、電壓限制、功率限制等。充電站通過(guò)充電限制檢查后會(huì)通過(guò)總線發(fā)送充電準(zhǔn)備好的信號(hào)，車輛控制器在通過(guò)充電限制檢查后會(huì)通過(guò)CP信號(hào)的電壓狀態(tài)表示充電準(zhǔn)備好并進(jìn)行絕緣檢查。

完成充電準(zhǔn)備工作后，進(jìn)入充電過(guò)程。充電網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)車輛控制器的電流、電壓請(qǐng)求值，以及充電站的實(shí)際輸出電流、電壓。當(dāng)操作人員手動(dòng)按下停止開(kāi)關(guān)或者車輛控制器認(rèn)為電池電量已滿時(shí)，充電網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)充電站或車輛控制器的停機(jī)命令，并對(duì)充電站和車輛控制器分別按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的下電流程進(jìn)行下電處理。充電停止后，充電網(wǎng)關(guān)停止CP信號(hào)和Prox信號(hào)的輸出。

充電網(wǎng)關(guān)還對(duì)非正常的充電過(guò)程進(jìn)行診斷。如果在充電過(guò)程中檢測(cè)到任何信號(hào)異常或通訊丟失，充電網(wǎng)關(guān)將同時(shí)向充電站和車輛控制器發(fā)送停機(jī)命令，從而對(duì)整個(gè)快充系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

2.4 局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通訊

充電網(wǎng)關(guān)控制器設(shè)有2路高速局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，其中：局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)1與車輛端的高壓局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)相連，按照通用局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)要求，其波特率為500 kbit·s-1；局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)2與充電樁的局域網(wǎng)絡(luò)信號(hào)口相連，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T27930—2011［6］，其波特率為 250 kbit·s-1。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證充電網(wǎng)關(guān)控制器開(kāi)發(fā)的有效性，對(duì)一輛北美標(biāo)準(zhǔn)的純電動(dòng)車進(jìn)行了改裝，加裝了網(wǎng)關(guān)控制器，選用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的直流充電樁進(jìn)行試驗(yàn)。選用泰坦公司的TEV-M系列直流充電樁和配套充電電源模塊。該模塊采用三相有源PFC（功率因數(shù)矯正）技術(shù)，主要由EMI（電磁干擾）濾波器、軟啟動(dòng)及整流濾波、APFC（功率因數(shù)補(bǔ)償校正）電路、直流變換、整流濾波、監(jiān)控接口以及保護(hù)電路等組成，其輸入諧波電流 ≤ ±5%，整機(jī)效率高達(dá)94%。原車所用電池為日立公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰電池，電池標(biāo)準(zhǔn)電壓380 V，標(biāo)稱容量為10 A.h。

電池放電過(guò)程遵循電動(dòng)汽車性能測(cè)試中廣泛使用的UDDS （城市循環(huán)）模擬行程，利用可編程直流電子負(fù)載模擬車輛在城市道路行駛時(shí)所需要的負(fù)載功率。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用INCA、Canne等工具對(duì)電動(dòng)車的充電過(guò)程參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

在充電過(guò)程中測(cè)試得到的電流、電壓和SOC（電池荷電狀態(tài)）如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 Diagram of the test apparatus

圖6 充電過(guò)程中 SOC 與電流、電壓的變化Fig.6 Evolution of SOC,current and voltage in the charging process

由圖6中可見(jiàn)，所開(kāi)發(fā)的充電網(wǎng)關(guān)控制器能夠在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁與北美標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)車控制器之間建立有效的通信聯(lián)系。該網(wǎng)關(guān)控制器按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)流程和充電樁之間進(jìn)行握手、通訊，按照北美標(biāo)準(zhǔn)流程和車輛控制器進(jìn)行握手、通訊，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換有效實(shí)現(xiàn)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁對(duì)其他標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)車的快速充電功能。

4 結(jié) 論

（1）所開(kāi)發(fā)的充電網(wǎng)關(guān)控制器僅對(duì)充電接口協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而不改變充電過(guò)程中的電流、電壓控制等內(nèi)容。通過(guò)對(duì)成熟的ECM（發(fā)動(dòng)機(jī)控制器）硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化配置，利用端口復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程中各種控制信號(hào)的硬件輸出，有效縮短了開(kāi)發(fā)周期并降低了開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

（2）通過(guò)增加充電網(wǎng)關(guān)模塊，在北美標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)車上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了北美標(biāo)準(zhǔn)的充電和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的充電協(xié)議，通過(guò)對(duì)國(guó)外電動(dòng)車進(jìn)行本土化設(shè)計(jì)，使其更好地適應(yīng)中國(guó)市場(chǎng)并符合各項(xiàng)法規(guī)的要求。