储能系统---交流充电桩（三）

一、充电模式机器功能要求

新国标在标准 GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》中规定了 4 种充电模式，下面将对这 4 种充电模式及其功能要求进行介绍。

1.1    、模式 1

模式 1 是指在充电系统中应使用标准的插座和插头（符合标准 GB 2099.1 和 GB1002），采用单相交流电传输，并且传输电流不能超过 8 A ，传输的交流电压不允许超过 250 V。电源侧应使用相线、中性线、保护接地导体并且使用剩余电流保护装置。从标准插座到电动汽车应提供保护接地导体。模式 1 比较简单，相当于通过电缆直接接到电网上，由于该模式缺乏必要保护，目前世界上大多数国家都禁止使用这种模式，新国标中也规定不应使用该模式给电动汽车充电。

1.2    、模式 2

模式 2 是指充电系统中应使用标准的插座和插头，采用单相交流电传输。电源侧使用符合标准 GB 2099.1 和 GB1002 中要求的 16 A插头插座时电流输出不能超过 13 A，使用标准 GB 2099.1 和 GB1002 中要求的 10 A插头插座时电流输出不能超过 8 A。电源侧应使用相线、中性线和保护接地导体，并且采用缆上控制与保护装置（IC-CPD）连接电源与电动汽车，从标准插座到电动汽车应提供保护接地导体且具备剩余电流保护和过流保护功能。

模式 2 ***初设计的考虑是能够连接传统家用插座和车辆，具有便携性，功率做不了太大，额定功率在 3kw 左右，通常是用于紧急备用充电器使用，常用于车子电量不足以支持到家或者充电点的场景使用。

图 1.1 使用模式 2 的充电系统实物        

图 1.2 充电模式 2 连接方式 B 的控制引导电路原理图

1.3    、模式 3

模式 3 应用于连接到交流电网的供电设备将电动汽车和交流电网连接起来的情况，并且在电动汽车供电设备上安装了专用保护装置。电动汽车供电设备具有一个及一个以上同时使用的模式 3 连接点（供电插座）时，每一个连接点应具有专用保护装置并确保控制引导功能可独立运行。此外，模式 3 应具备剩余电流保护功能。模式 3 可采用连接方式 A、连接方式 B、连接方式 C（连接方式的介绍见下文）。当采用单相交流电供电时，电流不能大于 32 A，采用三相交流电供电且电流大于 32 A 时应采用连接方式 C。

模式 3 便是我们常说的交流充电桩，采用单相交流电充电***高可以支持 32 A 的充电电流，而使用三相交流电充电***高支持 63 A 的充电电流。

图 1.3 使用模式 3 的充电系统实物图

图 1.4 充电模式 3 连接方式 A 的控制引导电路原理图  

图 1.5 充电模式 3 连接方式 B 的控制引导电路原理图

图 1.6 充电模式 3 连接方式 C 的控制引导电路原理图

1.4、模式 4

模式 4 用于电动汽车连接到直流供电设备的情况，应用于***连接在电网的设备和通过电缆与电网连接为其供电的设备。模式 4 只能采用连接方式 C。模式 4 便是我们所说的直流充电桩。                  

图 1.7 使用模式4 的充电系统实物图

1.5 、充电模式的功能要求

标准 GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》中规定了模式 2、模式 3 和 模式 4 所需要提供的控制引导功能，具体包括以下几种功能：

（1）保护接地导体连续性的持续监测。在模式2、模式3 和模式4下充电时，保护接地到底的电气连续性应由电动汽车供电设备持续监测。对于模式 2，监测是在电动汽车和缆上控制与保护装置之间进行的，对于模式 3 和模式 4，监测是在车辆和电动汽车供电设备之间进行的。在失去保护接地导体电气连续性的情况下，电动汽车供电设备应在 100 ms 内切断电源。（2）电动汽车和供电设备正确连接的确认。供电设备应能够确定车辆插头正确插入车辆插座（连接方式 A 与连接方式 B）和供电插头正确插入供电插座（连接方式 A 和连接方式 B）。（3）供电设备供电控制功能。仅当电动汽车供电设备和电动汽车之家的控制引导功能与允许通道状态信号建立正确关系时，电动汽车供电设备才可向电动汽车供电。

（4）供电设备断电控制功能。当控制引导功能中断，或控制引导信号不允许充电，或充电设备门打开等活动造成带电部位露出时，应切断对电动汽车的供电，但控制引导电路可以保持通电。例如在充电过程中当充电插头和车辆插座断开时，控制引导系统应马上断开接触器。

（5）充电电流的监测。供电设备通过 PWM（模式 2 和模式 3）或通过数字通信（模式 4）告知电动汽车允许***大可用电流值，该值不应超过供电设备额定电流、连接点额定电流和电网（电源）额定电流中的***小值。

以上五个功能是控制引导功能中必须的，此外，GB/T 18487.1-2015 标准中还规定了以下几种可选功能：

充电过程中的通风要求。若在充电过程中需要额外通风，则需由固定设施（如建筑物）进行通风否则供电设备不能供电。

电动汽车供电设备可用负载电流实时调节。可通过某种方式保证充电电流不超过电动汽车供电设备及交流或直流电网实时可用负载电流。

车辆插头和/或供电插头的连接。提供锁止机构来保证车辆插头和/或供电插头的可靠连接。供电设备额定电流小于或等于 16 A 该功能可选，大于 16 A 该功能必选。

避免意外带电切断。采用具有锁止功能的装置或其他措施避免意外带电断开。

1.6、控制引导功能

新国标中规定，采用模式 2、模式 3、模式 4 的充电系统需要配备控制引导电路，因为模式 4 是针对直流桩的，因此下文只会介绍模式 2 和 模式 3 的控制引导电路。如图 1.2 、 1.4~1.6 所示，标准中对充电引导电路的原理图进行了规定。

图 1.2 、1.4~1.6所示的就是标准中推荐的交流充电控制引导电路原理图，原理图中包括了以下元件：

电阻 R1 ~ R4、RC

开关 S1 ~ S3

接触器 K1、K2

二级管 D1

其中接触器 K1、K2 用于控制交流电源的接通和断开。由 R4、RC、S3 组成的电路位于车辆插头中，S3 是车辆插头内部的常闭开关，跟插头上的下压按钮（用以触发机械锁止装置）联动，按下按钮解除机械锁止的同时 S3 断开，车辆内部的车辆控制装置会检测 CC（检测点 3）到 PE 的电阻值来判断插头的连接状态和车辆插头的额定电流值。如下表所示，检测点 3 有 3 种连接状态.

表 1.8 车辆插头连接状态

不同连接状态和额定电流值下对于的电阻值如下表所示                          

表1.9 不同连接状态和额定电流对于的电阻阻值 

开关 S1 为供电设备的内部开关，控制 PWM 的输出。开关 S2 为车辆内部开关，当车辆接口与供电接口完全连接，并且配备了电子锁的接口完全锁止后，车载充电机自检测完成无故障并且电池组处于可充电状态时，S2 闭合，开关 S2 不是必须的，无 S2 开关（相当于 S2 常闭）的车辆应使用单相充电并且充电电流不能超过 8 A。

关于 CP 点连接状态的检测，供电设备端通过监测检测点 1 的电压值来获取连接状态，而车辆则通过内部的车辆控制装置来监测检测点 3 的电压状态来获得。

二、  连接方式 

充电系统的连接方式是指通过充电电缆和连接器将电动汽车连到电网（电源）的方法。新国标中的 GB/T18487-2015 标准中规定了三种连接方式：连接方式 A、连接方式 B 、连接方式 C。

（1）    连接方式 A

连接方式 A 是指将电动汽车和交流电网连接时，使用和电动汽车***连接在一起的充电电缆和供电插头，如下图所示。

图 2.1 连接方式 A 示意图                   

（2）    连接方式 B 

将电动汽车和交流电网连接时，使用带有车辆插头和供电插头的独立的活动电缆组件，如下图所示。 

图2.2 连接方式 B 示意图                     

（3）    连接方式 C

将电动汽车和交流电网连接时，使用了和供电设备***连接在一起的充电电缆和车辆插头，如下图所示。

图 2.3 连接方式 C 示意图

三、交流充电接口

新国标中GB/T 20234.2-2015《电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口》中对交流充电接口进行了具体的规定，包括交流充电接口的功能、额定值、尺寸等。

新国标中规定了交流充电接口的额定电压和额定电流如下表所示：              

表 3.1 交流充电接口

额定值交流充电接口总共有 7 个触头，新国标中对这 7 个触头的电气参数值及功能的定义如下表所示：                                      

表 3.2 触头电气参数和功能定义   

图 3.3 交流充电插头、插座触头分布图

四、控制引导电路基本功能  

控制引导电路需要具备 4 种功能：

（1）连接确认与电子锁 

图 4.1 交流充电插头、插座触头联锁装置

保持装置（电子锁止装置）电源由供电设备提供并控制，应具备锁止位置反馈信号功能，以便供电设备识别保持装置（电子锁止装置）已将闭锁设备正确锁止或处于解锁状态，在保持装置解锁时，应能发出故障信号，供电设备停止充电或者不能启动充电。                       

车辆控制装置应通过测量检测点 3 和 PE 之间的电阻值来判断车辆插头和车辆插座是否完全连接（对于连接方式 B 和连接方式 C），完全连接后，如车辆有配备电子锁，电子锁应在开始供电前锁定车辆插头并在整个充电过程中保持，如果不能锁定，由电动车辆决定后续操作。

供电控制装置通过测量检测点 1 或检测点 4 的电压来判断供电插头和供电插座是否完全连接（对于连接方式 A 和连接方式 B），完全连接后，如供电插座内配备有电子锁，供电插座内电子锁应在供电之前完成锁定并且在整个充电过程中保持，如不能锁定，终止充电流程并提升操作人员

（2）充电连接装置载流能力和供电设备供电功率的识别

车辆控制装置通过测量检测点 3 与 PE 之间的电阻来确认当前充电连接装置（电缆）的额定载流值；通过测量检测点 2 的 PWM 信号占空比确认当前供电设备的***大供电电流。占空比与供电电流的映射关系如 表 3.1 ~ 3.2

表 4.2 占空比与充电电流限制值映射关系

表 4.3 电动车检测的占空比与充电电流映射关系

（4）    充电过程的监测

充电过程中，车辆控制装置应对检测点 3 与 PE 之间的电阻值（对于连接方式 B 和连接方式 C）及检测点 2 的 PWM 信号进行检测，供电装置应对检测点 4 及 检测点 1（对于充电模式 3 的连接方式 A 和连接方式 B）的电压值进行监测

（4）充电系统的停止在充电过程中，当充电完成或因为其他原因不能满足继续充电的条件时，车辆控制装置和供电控制装置应分别停止充电。

五、充电过程控制流程

充电的流程大致有以下几个部分：

（1） 车辆插头和插座插合，确保车辆处于不可行驶的状态

当车辆插头与车辆插座插合后，车辆的总体设计方案可以自动启动某种触发条件（例如开关），通过互锁或者其他措施使车辆处于不可行驶的状态。

（2） 确保供电接口和车辆接口处于完全连接的状态

供电装置通过测量检测点 1 或 检测点 4 来确认供电接口是否处于完全连接的状态，车辆控制装置通过测量检测点 3 和 PE 之间的电阻值来确认车辆接口是否处于完全连接的状态。供电设备在无故障并且供电接口完全连接的情况下将开关 S1 从 +12 V 切换到 PWM 状态，车辆通过测量检测点 2 的 PWM 信号判断充电连接装置是否完全连接

（3） 车辆和供电设备准备就绪

在车载充电机自检完成，且没有故障的情况，并且电池组处于可充电的状态时，车辆控制装置闭合开关 S2

供电控制装置通过测量检测点 1 的电压值判断车辆是否准备就绪，当检测点 1 的峰值电压为状态 3 的电压（6 V，不同状态对应关系如下表）时，供电控制装置闭合接触器 K1、K2 使交流供电回路导通

表 5.1 检测点 1 的电压状态

图 5.2 交流充电控制引导电路状态转换图

图5.3 无开关 S2 的交流充电控制引导电路状态转换图

（4） 充电系统启动

当电动车和供电装置建立好电气连接后，车辆控制装置会先检测供电装置的***大供电电流（通过检测 PWM 的占空比，映射关系如表 3.2）、电缆的额定电流（通过测量检测点 3 和 PE 之间的电阻值，对应关系如表 2.2）以及车载充电机的额定输入电流，将三者中的***小值设置为车辆充电机的***大允许输入电流，设置完成后车载充电机开始进行充电。

充电过程中，供电控制装置需周期性监测检测点 1 和检测点 4 来确认供电接口连接状态。车辆控制装置需周期性监测检测点 2 和检测点 3 来确认车辆接口的连接状态，监测周期需要不大于 50 ms。此外，车辆控制装置需周期性检测 PWM 的占空比，当占空比变化时实时调节车载充电机的***大允许输入大电流，监测周期需要不大于 5 s。

（5） 充电系统正常结束充电

充电过程中当车辆达到结束充电的设置条件或者驾驶员对车辆实施了结束充电的指令时，车辆控制装置断开开关 S2，并使车载充电机处于停止充电的状态。此时，供电控制装置应将开关 S1 切换到 +12 V的状态，当检测到 S2 开关断开时在 100 ms 内断开交流供电回路，如果超过 3s 未检测到 S2 断开则强制带载切断交流回路。对于连接方式 A 和连接方式 B，供电装置切断交流回路 100 ms 后解锁电子锁。

（6） 充电系统非正常结束充电

对于非正常情况下停止充电的情况，标准中对以下情况进行了相应的规定:

（a）充电过程中，当车辆控制装置检测到车辆插头和车辆插座的连接状态由完全连接变成半连接（状态 B）的状态时，车辆控制装置应在 100 ms 内停止车载充电机充电，然后断开 S2（若车辆配置 S2）。

（b）充电过程中，当车辆控制装置检测到车辆插头和车辆插座的连接状态由完全连接变成断开连接（状态 A）的状态时，车辆控制装置停止车载充电机充电，然后断开 S2（若车辆配置 S2）。（c）充电过程中，车辆控制装置对检测点 2 的 PWM 信号进行监测，当信号断开时，车辆控制装置应在 3s 内停止车载充电机充电，然后断开 S2（若车辆配置 S2）。

（d）充电过程中，如果检测点 1 的电压值为 12 V、9V、或者其他非 6V 的状态时，供电控制装置应在 100 ms 内断开交流供电回路。

（e）充电过程中，供电控制装置对检测点 4 进行检测（对于模式 3 的连接方式 A 和连接方式 B），如检测到连接状态由完全连接变为断开，则供电控制装置需要将 S1 切换到 +12V 的状态并在 100 ms 内断开交流供电回路。

（f）充电过程中，如果剩余电流保护装置动作，车载充电机处于失电状态，则车辆控制装置应断开 S2（若车辆配置 S2）

（g）供电设备检测车载充电机的实际充电电流，当①供电设备 PWM 信号对于的***大供应电流 ≤20 A，且车载充电机实际工作电流超过***大供应电流 2 A 并持续 5s 时或②供电设备 PWM 信号对于的***大供电电流大于 20 A，且车载充电机实际工作电流大于***大供应电流的 1.1 倍并保持 5s 时，供电设备应在 5s 内切断交流供电回路并将开关 S1 切换到 +12V 的状态。

（h）当车辆 S2 断开（检测点 1 的电压为 9V 时），供电控制装置应在 100 ms 内断开交流供电回路并持续输出 PWM。

（i）当供电接口已完全连接但未闭合交流供电回路时，如果发生连接异常，供电控制装置应在 100 ms 内将 S1 切换到 +12V 的状态并且保持交流供电回路不闭合。

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