基于整车的充电控制流程设计

刘宝泉

(威马汽车科技集团有限公司，浙江温州 325000)

0 引言

纯电动汽车是新能源车的主要发展方向，其动力能源通过充电系统获得，包括直流充电系统(俗称“快充”)、交流充电系统(俗称“慢充”)等。直流充电时依托外部大功率的直流充电机，可直接对电池包充电，满足充电电流大、时间短的充电需求。交流充电时依托于内置的车载充电机，将外部充电桩提供的交流电转化为高压直流电，再对电池包充电，电流小、时间长，但对电池电化学损伤最小，更适用于广大车主日常充电需求。为安全、可靠、快捷地完成充电过程，本文作者将整车控制器VCU作为 “主机”，其他多个控制器作为“从机”，充电过程中接受VCU控制，实现紧密通信、联调和动作。

1 纯电动汽车充电电气系统架构

充电电气系统为整车电气架构的重要组成部分，可分为动力电池系统、车载充电机(OBC)、电池管理系统(BMS)、整车控制器(VCU)、高压附件等。

其中动力电池系统是核心，由若干个电芯通过不同的串并联方式连接组成的电池包，可以充电及放电;电池包的电压平台、充放电功率、充放电电流等参数是按照整车的动力需求配置的，通过选用不同类型的电芯、串并联组成方式，实现安全可靠的快速充电、大电流输出、较小的容量衰减等特性; 内含电池管理系统(BMS)、熔断器、接触器、汇流排、热管理组件、电池包箱体、采样及通讯线束、电流传感器等,并设置多个高压输入输出接口：输出+、输出-、快充+、快充-、慢充+、慢充-、高压附件+、高压附件-等。

充电系统满足相关国标要求，例如：GB/T 18487.1电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求[1]、GB/T 27930电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议。

表1为各部件缩略语及其定义，图1为充电电气系统架构图。

图1 纯电动汽车充电电气系统架构

表1 缩略语及其定义

2 交流充电控制流程

2.1 前期阶段

OBC对充电枪插入后CC、CP信号的识别[2]，安全起见VCU控制INV静止及判定其他控制器信号，确保整车处于静置状态，随后锁充电枪锁止，同时VCU进行高压自检,包括：OBC故障状态、BMS故障状态、绝缘值正常、高压互锁状态、空调故障状态等。OBC内部S2开关导通，BMS在VCU命令下闭合继电器，预充电后高压连接完成。为保障整车低压供电正常，VCU使能DCDC工作。

2.2 中期阶段

BMS在CAN总线上实时发送最大允许充电电流、电压，并控制交流充电继电器闭合。随后VCU允许交流充电并输出最大充电电流电压(即最大允许充电功率)。OBC反馈自身最大充电功率，并比较二者功率取其小作为实际输出功率。

充电开始后，OBC按照BMS、VCU输出的最大充电电流电压对充电功率进行实时调整。

2.3 后期阶段

当电芯电压达到截止条件，BMS向VCU发送充电停止请求，VCU命令OBC停机并解锁电子锁，BMS断开交流充电继电器。如果整车在ON挡，则按照驾驶员意图决定是否正常下电。如果处于OFF挡，则整车自主下电，包括DCDC停机、高压连接断开、各控制器休眠等。

详细交流充电控制流程如图2所示。

图2 交流充电控制流程

2.4 异常处理

前期阶段如遇到CC或CP信号异常、其他控制器存在故障码、车辆移动、绝缘值偏低、高压互锁断路等情况，VCU禁止OBC交流充电，电子锁解锁；如仅存在电子锁未锁止到位情况，为避免插接处接触不良引起过热或烧蚀，OBC将降低输出功率及电流。

中期阶段如遇到CP或CC信号值异常、电池过压、温度过高、充电座过热、OBC内部硬件故障、充电桩异常断电等情况，BMS、OBC报出故障码及故障等级并请求停止充电或降低功率，VCU允许后故障显示在仪表上提示驾驶员。

后期阶段，如遇到电子锁无法自动解锁情况，OBC将状态反馈VCU，后者强制解锁或仪表提示驾驶员手动解锁。

3 直流充电控制流程

3.1 充电过程

当充电枪插入，A+硬线唤醒BMS，判定CC2信号正常后硬线唤醒VCU。VCU控制INV静止及判定其他控制器信号，确保整车处于静置状态。BMS向VCU发送充电请求，VCU开始高压自检，包括：绝缘值正常、高压互锁未断路、各控制器无严重故障码等。无异常后命令BMS高压连接，继电器在BMS控制下依次闭合，预充电后高压连接完成。BMS发送PACK当前最大允许充电电压电流。VCU使能DCDC工作，为蓄电池补电及整车低压供电。VCU允许直流充电，随后BMS与充电桩通信交互，握手、充电参数配置，闭合充电正继电器，开始充电。

充电中BMS请求的电压电流实时变动[3]，充电桩输出的电压电流随之调整。二者监控充电过程中的异常状态。当达到充电截止或异常终止条件时，BMS或充电桩反馈充电停止，直流充电继电器断开，状态反馈VCU。如果整车在ON挡，则按照驾驶员意图决定是否正常下电。如果处于OFF挡，则整车自主下电，包括DCDC停机、高压连接断开、各控制器休眠等。

详细直流充电控制流程如图3所示。

图3 直流充电控制流程

3.2 异常处理

如遇到CC2信号异常、A+唤醒失败、BMS或VCU存在故障码、车辆移动、绝缘值偏低、高压互锁断路等情况，VCU禁止直流充电。

如遇到电池过压、温度超限、电流超限、充电座过热、桩车连接异常、充电桩内部异常等情况，充电桩与BMS通过CAN通讯相互反馈[4]，同时BMS报出故障码及故障等级，停止充电或降低功率，故障显示在仪表上提示驾驶员。

4 结束语

通过提升整车控制器VCU控制等级，在充电各个阶段中VCU参考多个维度的信号值去判断整车状态，允许或禁止充电、开始或结束充电，其他控制器服从其控制，从而使整个充电过程信息周全、快捷有效、安全可靠。文中论述的基于整车的充电控制策略，为纯电动汽车充电控制流程设计提供了一种新的思路。