直流充电桩的充电流程之一:物理连接【科普系列之十五】

lianfude2008 · 发表于 2024-8-5 14:09:07

在《GB/T 18487.1 ，电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》的附录B和《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》中，对充电流程做了很多详细说明。在27930中定义了充电总体流程图（如图1所示），将充电过程定义为六个阶段。在18487中定义了充电过程的控制时序，从T0到T21。只有透彻理解了六个阶段的硬件和软件配合关系，逻辑和时序，才能系统性地深刻理解充电过程。我们将分开多篇文章详细讲解这六大阶段。

继2017年我在学习充电流程写出下面这几篇文章后，我经过了几年沉淀，决心对充电流程的理解进行重新总结。

直流充电桩充电过程详述（下•专业版-001）：充电控制时序从T0到T3，物理连接完成，低压辅助上电︱“充电桩之芯及其它”系列之七

直流充电桩充电过程详述（下• 专业版-002）：充电握手，绝缘检测和电压泄放，从T4到T11︱“充电桩之芯及其它”系列之八

直流充电桩充电过程详述（下• 专业版-003）：充电参数配置-充电-充电结束，从T12到T21︱“充电桩之芯及其它”系列之九

图1  充电总体流程图

物理连接

物理连接，通俗地讲，就是将充电枪连接到插枪座上，牢固连接，拔不动了。

判断完成物理连接的依据是：1，CC1端口电平为4V；2，充电枪头和枪座锁止。

物理连接阶段的话题将涉及到的关键词有：充电枪、机械锁、电子锁；CC1&CC2电平变化；特斯拉的预约充电。
充电枪、机械锁、电子锁

国标的充电枪是一种奇葩的存在——有16根枪线。9+7，9孔枪头，再加上7根枪线内的线缆。

9孔枪头的9个信号的定义见《GB/T 20234.3-2015，电动汽车传导式充电用连接装置第3部分：直流充电接口》，如图2示意。

图2 充电连接界面示意图

7根线是4+3。将枪头和枪座锁止的功能交给了充电桩，多出了电子锁的4根线; 将枪头温度检测功能交给了充电桩，又多了3根线。

枪头和枪座的尺寸由《GB/T 20234.3-2015，电动汽车传导式充电用连接装置第3部分：直流充电接口》定义。如图3所示。

图3  充电枪头和充电枪座

枪头和枪座之间是怎么锁止的，在标准上看不出来。在充电枪的枪头上有一个机械锁，标准上约定为S开关。用手按住枪头的机械锁（就是充电枪上的那个按钮，如图4所示），S开关就从“常闭”变成“常开”状态，对应的连杆的头部翘起，翘起后，就可以将枪头从枪座上拔出。图4的上图是标准上定义的枪头尺寸，而且也能看到上面有个钩子。图4下图，用手按住得位置就是机械锁组件的一部分，按住这个部位，枪头钩子部分就会翘起，枪头才能插进枪座; 手松开后，钩子就钩住了下图标识的枪座的卡位、那个小方孔。不按住，也就拔不动。

图4  机械锁的实质

标准上要求充电接口具备锁止功能，防止充电过程中意外断开，而且要做到施加200N的外力也拔不动，也不会搞坏枪头。只有机械锁没有办法做到锁止功能；需要有专门设计的电子锁来实现锁止，而且锁止了之后要提供反馈信号。充电桩识别到有反馈信号，才认为是实现了锁止，定义为完成了物理连接。

电子锁的故障率很高。车企朋友们“谈枪色变”。充电枪没有电子锁，质量都没问题，一旦有了电子锁，问题就一堆。而电子锁的最大问题点之一就是，充电桩控制器接收不到反馈信号，但实际上电子锁已经锁止了。微动开关极容易出问题，在电子锁上这样，在接触器上也是。但是，18487.1-2015的附录C上明确指出（如图5所示），电子锁的反馈信号是判断电子锁是否锁止的依据。

图5  18487.1的附录C

电子锁是怎么实现锁止的?  实现方案五花八门。大家可以查查，有很多专利了，在此不作展开。（随着小功率直流的普及，很多车企为了追求更好的用户体验，在枪头上增加了一个开关、一键停止充电的开关。按下这个键，就中断充电流程。多了一个按键后，充电枪枪头的设计和可靠性更难。）

总之，将充电枪的枪头插到枪座里面，再通过充电桩控制器控制电子锁锁止并能接收到电子锁反馈信号，才能确认完成物理连接。
CC1&CC2电平变化

将摘枪-插枪的动作流进行“慢镜头”分解：

1. 充电前，枪头插在挂枪座上

2.  将手按住枪头

3. 从挂枪座上取下枪头

4. 按住枪头，并将枪头插进枪座

5. 松开手，也即松开枪头

根据这5个动作，我们画出对应的系统框图中等效电路的标注，简化等效电路就很容易得到CC1电平值。

充电前，枪头插在挂枪座上

如图6所示，U1是经过R1和R2、S开关及设备地连通。这时车身地没有和设备地连接。S开关是常闭状态。CC1检测点的等效电路的简化如图7所示，容易计算出CC1电平是6V。这时，车辆还没参与充电过程，CC2电平是12V。

图6 “充电前，枪头插在挂枪座上” 状态时的等效电路图示意

图7 “充电前，枪头挂在挂枪座上”状态时的等效电路简化

将手按住枪头

用手按下S开关，S开关断开，U1通过R1电阻连接到了CC1。CC1电平是12V。CC2电平也是12V。

从挂枪座上取下枪头

CC1电平值维持不变，12V。CC2电平也是12V。

按住枪头，并将枪头插进枪座

如图8所示，U1是经过R1和车上的R4、车身地。车身地和设备地连接在一起。S开关是常开状态。CC检测点的等效电路的简化如图9所示，易算出CC1电平为6V。

图8  “按住枪头，并将枪头插进枪座”  状态时的等效电路图示意

图9 “按住枪头，并将枪头插进枪座”状态时的等效电路简化

充电枪头的电阻R3接入车辆，车辆CC2对应的等效电路示意如图10所示，等效电路简化如图11所示。U2 12V连接R5、R3，和车身地、设备地连接在一起。 CC2电平从12V变为6V。

图10    “按住枪头，并将枪头插进枪座”状态时CC2对应的等效电路示意

图11    “按住枪头，并将枪头插进枪座”状态时CC2对应的等效电路简化

松开手，也即松开枪头

如图10所示，U1是经过R1后，再通过并联的R2和R4连接到车身地。车身地和设备地连接在一起。S开关是常闭状态。CC检测点的等效电路的简化如图11所示。CC2电平维持在6V。

图12  “松开手，也即松开枪头  ”  状态时的等效电路图示意

图13 “松开手，也即松开枪头”状态时的等效电路简化
CC1电平的采样，业内有两种做法，一种是通过比较器，一种是通过ADC采样电路。要关注干扰信号对采样结果的影响。

总之，物理连接的过程，在充电时序上从T0到T2，CC1电平从6V-12V-6V-4V ，CC2电平从12V-6V，S开关从常闭到常开再到常闭。

特斯拉的预约充电

特斯拉的预约充电很麻烦。我的同事给了我一份很长的报告。我无意完整呈现这个报告，给出几个工程师得出的结论。可能这个结论不对，分享出来，期与业界交流。

1.  完成物理连接后，3分钟内没有启动充电，车辆就会进入通信超时状态，此后不再响应充电流程。但是，可通过CC1和CC2同时断开再闭合的方式重新发起充电流程。

2.  完成物理连接后，10分钟内没有启动充电，充电桩的CC1电平将从4V变成6V！可能是特斯拉车端在R4电阻支路加了开关器件，车辆可控制R4支路的通断，从而改变了CC1电平值。这种状态下，同时断开CC1和CC2后再闭合也无法重新发起充电流程。只能通过车辆钥匙或APP对车辆进行解锁激活，才能恢复车端枪座中CC1的 R4电阻连接。

3. GBT18487.1-2015上规定CC2上拉电压U2为12V供电，实测特斯拉U2上拉供电为5V，没有与国标保持一致。

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