交流充电桩的工作原理

交流充电桩的工作原理

直流充电系统的握手过程是通过CAN报文实现的。交流充电系统没有通信协议，交流充电桩和车辆之间“握手”是通过模拟电平实现的。因为涉及到几种模拟信号在不同阶段、不同场景下的不同跳变，逻辑设计如果不够严谨，很容易出问题。特别是，现在市面上的交流桩逻辑处理不尽相同！

本文将和大家分享几点：

1.交流充电控制引导电路

2.CC信号和S3开关

3.电磁锁

4.CP与S1、S2开关

1交流充电控制引导电路

交流充电模式可采用模式2和模式3。模式2就是使用“缆上控制器”进行充电，一头为交流插头，一头为充电枪，中间的小黑盒为“缆上控制器”（现在慢慢都称为模式二充电盒）。模式3使用交流桩进行充电。最常见的连接方式有连接方式B和连接方式C。连接方式B指的是交流枪线可以从交流桩上取出来，方式C则是固定在交流桩上的。市面上常见的是方式C。在电路原理上模式2，模式3的连接方式B和连接方式C是一样的。

 握手信号包括确认插枪物理连接的CC信号和充电引导的CP信号。充电枪枪头内有电阻R4、RC和机械开关S3。 S3就是用户可以手按的机械开关。按下，表示S3断开。松开，表示S3闭合。 

充电枪插到车辆的慢充枪座后，车辆控制装置（CC/CP电路板）通过检测检测点3处的CC阻值来确认充电枪的连接状态。 连接状态被区分为“完全连接、半连接、未连接”。在“完全连接”状态下，通过阻值大小来判断充电枪线的输入限流值。这个细节，想想是挺有意思的。 

交流桩通过图示检测点1处的电平值来确认充电枪是否连接完好。 在初始状态下，S1接通12V。 插枪成功后，车辆端的R1和交流桩里面的R3分压，检测点1处电平值由12V变为9V(有效范围为8.2V~9V)电平后，交流桩将S1切换到PWM状态。附录的标称值为：R1阻值为1KΩ,R3阻值为2.74KΩ。12V*R3/（R1+R3）=8.79V。

CC/CP电路板通过检测点2的PWM占空比来确定交流桩可以提供的的供电电流：

当充电条件满足后，CC/CP电路闭合S2，车辆端的R2和R3并联，再和交流桩里面的R1串联，通过12V分压，检测电1的PWM电平由9V变成6V。交流桩收到“6V”PWM信号闭合K1和K2。通俗地说，这时候电网开始给交流桩供电。 充电过程中，CC/CP电路实时检测CP占空比是否正常。 

下文将详述CC，CP，S1，S2，S3之间的关联性。

2CC信号和S3开关

CC全称Connection confirm，连接确认。车辆端根据该信号来判断充电枪是否完成物理插接。 

1）连接确认之桩与车

如前所述，对于车辆而言，CC信号连通后，CC/CP电路通过检测3的电平计算当前被串入的阻值是否符合18487.1的表格A.3表格中阻值范围。对于交流桩而言，CP信号连通后，交流桩通过检测点1的电平是否从12V变为9V来判定是否完成物理连接。

不过，对于模式3的连接方式B，不仅要判断车辆端的充电接口已连接好，还需要判断充电线缆与充电桩的接口是否接好，通过图1的检测点4来判定设备地和车身地这两端的PE是否连接在一起了。

这里还涉及到一个概念，就是插枪唤醒。 CC/CP电路需要先工作起来，处在待机状态，才可能识别CC信号。 如果一直通过车辆端的蓄电池供电，长时间很容易让蓄电池亏电。因此，需要一个电路， 在插枪之前只检测CC的一小部分低功耗电路供电（一般要求静态休眠电流<1mA）,当充电枪插入后，可以唤醒辅助电源给整个CC/CP电路供电。知道这个思路，具体的实现就比较简单了，这里不做表述。只需检测检测点3串入CC检测电路的阻值正常（1.5KΩ/10A,680Ω/16A,220Ω/32A,100Ω/32A），就认为充电枪和慢充枪座处在“完全连接”状态。

完成了物理连接后，整车还需要做一件事情，就是实现互锁，使得此时车辆处于不可运行状态。也就是充电不能开车，开车不能充电。那如果车辆在插枪之前就已经置于动力Ready档位，然后去插充电枪，此时还是应该要实现车辆不能运行电机，或者不能进行充电。

2）CC阻值

国标还赋予了CC信号一个新的功能，就是通过阻值的不同来判断充电线缆的过电流能力。最常见的交流供电电流分为10A（普通10A交流插座）、16A（家用空调插座）、32A三档，64A的就很少见了。对于节约社会资源、桩企物料成本和减轻重量，对枪线设置不同规格是很有必要的。特别是对新兴事物---小功率直流充电设备的充电线缆更有必要。但是笔者认为特意使用CC信号阻值来识别线缆过电流能力，主要还是考虑到充电模式3的连接方式B的应用场景。因为在连接方式C中，充电桩企在设计时就已经知道线缆的过电流能力，只需要在CP信号中对总的过电流能力予以体现就可以了。

国标18487.1附录A中，规定了对应三档电流匹配阻值R4和RC，这里不做表述，有兴趣的可以去查阅这个表格。CC/CP电路的设计只需要按照这个规定的阻值去识别就可以了。

这里还有一个问题，就是这三个档位的识别范围，在设计中需要基于蓄电池的电压范围。因为整个CC/CP电路建立在蓄电池电平基础上。蓄电池的电压值影响到CC检测结果。如果没有考虑到这一点，就会出现在某个蓄电池电压点，CC检测异常现象。这是交流充电系统没有通信协议，完全基于模拟信号传递充电信息的严重弊端。

随着电力电子技术已能实现的最新成果逐渐被车企理解，落后的交流充电系统及其低劣的信息传递方式必将被直流充电系统全面代替。

3）半连接与S3

如前所述，按下S3开关时，R4和RC同时串入CC/CP电路。松开S3开关时，R4被短路，只有RC被串入CC/CP电路。当充电枪插好后，S3被按下，我们称之为“半连接”状态，S3松开时成为完全连接。

这里对半连接这种情况的处理，每家车厂要求是不一样的。最常见的处理是，当按下S3半连接，在任何阶段都认为是用户需要结束充电，因此中断充电，弹开电磁锁，允许拔枪。比较少见的是为了防盗，按下S3半连接，也不允许拔枪，除非做另外的确认操作，比如刷卡。这里的S3开关本身是无法阻止拔枪这个动作的，阻止它的是电磁锁，这个会在后面讲到。

半连接后合理的处理方式为，CC/CP电路通知OBC停止充电（应当在100ms内将充电电流降到<1A），然后控制断开S2开关，通知充电桩停止供电。拔枪断锁的这个时间最好控制在1S内，以不至于影响用户拔枪体验。

4）CC异常处理

除了半连接带来的CC异常。如果车辆检测到CC异常，一般是检测电路工作不正常，譬如收到电磁干扰，或者CC信号的识别范围没有设计好。对于CC断针或者PE断针这种现象极少出现，除非没有电磁锁的充电枪，在充电过程中突然被拔枪。

CC的任何异常都需要终止充电操作。

3电磁锁

1）电磁锁的锁止与断开

国标要求对于连接方式C中的充电接口和连接方式B中的供电接口，都要有锁止装置，也就是电磁锁。交流供电电流为10A和16A档位的供电设备可以没有电磁锁。主要考虑到大电流的强拔带来的触点氧化和不正常拔枪可能带来的触电风险。交流充电接口的电磁锁是配置在车辆接口里的（直流充电接口电磁锁是配置在枪头上的），它的作用就是，通过弹针卡住充电枪头或者S3开关，使得充电枪无法拔出。

那么电磁锁应该在什么时候锁上，什么时候断开。国标要求：“完全连接后，如果车辆插座内配备有电子锁，电子锁应在开始供电（K1与K2闭合）前锁定车辆插头并在整个过程中（状态3）保持”。也就是一旦检测CC正常后，就可以闭合电磁锁了。国标并没有规定何时断开电磁锁。笔者认为断开电磁锁满足条件为：充电被终止（人为按下S3、充电桩断开CP、电动汽车断开S2）、和其他故障。这里并没有强调是什么故障，有的充电机内部故障是可以一段时间内的自恢复的，或者CP故障的自恢复。

2）电磁锁驱动与反馈

充电接口中的锁止电磁锁按照驱动方式主要分为脉冲式和保持式。脉冲式就是电磁锁的锁止和解锁需要一个正向和反向的脉冲驱动电平即可。这个驱动脉宽时间不宜过长，一般为300ms~1000ms。保持式就是电磁锁的锁止是需要一个持续的高电平驱动的。保持式的电磁锁的优势在于，可以防止出现因为意外断电导致电磁锁无法拔出这种尴尬的情况。脉冲式的电磁锁优势在于功耗会更小。交流充电座中的电磁锁一般为脉冲式的。它的驱动电路也不难，用H桥驱动就可以了。

车载充电机的研发工程师可能比较了解电磁锁的信号线，有的有两个反馈信号，有的只有一个。电磁锁的反馈原理其实很简单，就是一个开关信号。当电磁锁锁止，这个开关闭合短路。当电磁锁解锁，这个开关断开开路。如果反馈信号有两个线，那么这个反馈开关是独立的，开关两端就是两根反馈信号。如果只有一个反馈信号线，那么这个反馈开关一头和电磁锁驱动负（Lock-）相连，一头就是反馈信号。两种反馈的原理是一样的，但是对于CCCP控制器检测电磁锁反馈电路上做相应区分就可以了。

3）电磁锁故障处理

对于脉冲式电磁锁的逻辑一定要处理好。如果处理不好，电磁锁反复锁止断开，或者持续的正负电平，都会损坏电磁锁。对于电磁锁反馈信号检测到的电磁锁故障，一般是不做故障处理，不应影响正常的充电进行的，但是可以对电磁锁故障上报VCU处理。那如果发现交流充电枪突然锁死在枪座上，而电磁锁无法解锁怎么办呢。一般在充电座后面电磁锁上有一个强制解锁的拉环，把手通过轮胎上面伸进去就可以拉开，如果实在不行就只能去4S店处理了。

4CP与S1、S2

CP全称Control Pilot,控制引导。对车辆端CP信号只检测它的占空比，得到充电桩的最大供电电流能力，并且通过S2开关改变CP信号的电平。对充电桩而言，只检测CP信号的电平，通过CP电平判断充电状态。

1）CP与S1

CP信号由交流供电设备发出，有两个来源，一个是12V的高电平，一个是12V的PWM。CP信号取哪个源输出取决于S1开关的切换。交流充电桩供电后，CP信号初始为S1切到12V电平输出。当充电枪与车辆端插接好后，车辆内部CCCP控制器的电阻R3串入到电路中来，12V电平通过回路中的充电桩内部电阻R1和车辆内部电阻R3分压，检测点1处电平由12V变为9V。此时，充电桩判断充电枪已和车辆插接良好。

S1的投切到PWM输出的时间取决于充电桩的设计逻辑。有的设计为只要检测点1电平由12V变为9V即投切S1开关到12V的PWM输出。有的设计为需要刷卡操作后才投切。

2）CP与S2

S2开关置于车辆内部的CCCP电路中。S2闭合后，将CCCP内电阻R2与R3并联在一起，因此检测点1的电平从9V被拉到6V电平。S2开关的动作对整个充电引导握手至关重要。

对于充电桩而言，所有的握手信息都来源于检测点1的信号。检测点1的电平从12V变为9V，充电枪已插接好；检测点1电平充9V变为6V，车辆已准备好充电，充电桩闭合K1、K1交流接触器，给车辆供给交流电；检测点1电平从6V变为9V，收到车辆结束充电通知，断开K1，K2，断开交流电（这个时间需在100ms内实现）。

对于车辆端CC/CP控制器而言，检测CP占空比的动作在检测CC正常、闭合电磁锁动作之后。当检测CP占空比正常后，CC/CP检测到车辆端无系统故障，已准备好充电，则闭合S2开关，拉低CP电平，通知充电桩车辆已准备好充电。

充电桩检测到CP检测点1为9V到6V后，供给交流电，车辆端内部充电机开启对动力电池的充电。整个充电过程中，CC/CP控制器保持监测各个信号是否正常。

3）CP占空比

CP的占空比用来体现了交流充电桩的最大供电电流能力，车辆端的充电功率使得交流电流超过此限值。国标规定CP占空比的识别有效值区间为8%到90%。不在这个区间内的值都为不正常，不能充电。国标详细规定了CP信号的频率，上升下降时间，阻值有效电平范围，具体的对应电流关系等，有表格可以查阅，这里不做表述。

充电过程中，当CC/CP电路检测到CP占空比发生变化，需要通知充电机在5S内对此电流限制做出响应并达到要求。当检测到CP占空比变为100%或其他异常时，需要通知充电机停止充电，并且在3S内实现充电电流<1A.

4）CP异常处理

CP信号的异常处理不能太敏感，否则可能产生误判。设计者需要保证CP检测电路的可靠，特别是高温、低温环境下。充电过程中如果持续一段时间检测到CP异常，需要做出故障处理，断开S2开关，通知交流桩断开K1，K2交流供应开关。当然故障判断时间需要3S内实现充电电流<1A。

5）刷卡

在模式3的充电桩中，绝大部分是需要刷卡上下电的。充电刷卡对应的操作为切换S1到PWM信号，或者闭合K1，K2供给交流电。结束充电刷卡对应的操作为断开S1开关，或者断开K1，K2断开交流电。这里的两个或者就是市面上交流充电桩的差异。因为国标并没有对刷卡这一动作进行规范，所以才有了这些差异性。

絮絮叨叨讲了这么多，最后再和大家分析一个案例。在使用交流充电桩充电过程中，使用磁卡刷卡交流充电桩结束充电，此时断开了K1，K2开关，交流电断开，但是S1开关并未动作，CP占空比仍然正常。那么此时车辆端是否应该解开电磁锁呢？

答案是都可以。因为按照之前的逻辑，只要CC检测正常，就需要闭合电磁锁，那么此时CC是正常的，当然闭合电磁锁，如果要拔枪只需要再按下S3开关即可。如果按照另外一个角度，用户使用刷卡下电，就是希望结束充电，应该解锁。

之所以把这个案例单独提出来，就是实际这两种情况都遇到了。设计在实际工程应用中没有绝对的逻辑，还会有些约定俗成的应用。