關于直流充電樁的泄放電路,在《GB/T 18487.1-2015:電動汽車傳導充電系統 第 1 部分:通用要求》的附錄 B中有如下文字說明:
充電樁進行 IMD 檢測后,應及時對充電輸出電壓進行泄放,避免在充電階段對電池負載產生電壓沖擊。充電結束后,充電機應及時對充電輸出電壓進行泄放,避免對操作人員造成電擊傷害。充電回路的參數選擇應保證在充電連接器斷開后 1s 內將供電接口電壓降到 60V DC 以下。
因此,在充電流程的六個階段中,充電模塊開機兩次,關機兩次。在充電握手階段,充電模塊第一次開機,執行絕緣檢測功能; 在充電階段,充電模塊第二次開機,充電樁進入到“預充電”狀態。兩次開機都是空載開機。在充電握手階段,絕緣檢測結束后,充電模塊關機,泄放電路工作; 在充電結束階段,充電結束后,泄放電路再次工作。
在2016年之前,泄放電路是在充電模塊的外部實現的,在充電樁的結構上要固定一個比較大的鋁殼電阻,如圖1所示。充電控制器在判斷絕緣檢測和充電流程結束后,將泄放電路上的接觸器閉合,充電模塊的輸出電壓和泄放電阻構成回路,充電模塊的電壓迅速降低。在接觸器閉合持續1秒或更長時間后,再將接觸器斷開。
圖1
在18487的附錄 B的直流充電控制引導電路原理圖中明確畫出了“泄放電阻”的位置,在充電樁的直流接觸器 K1、K2 前面。
圖2 直流充電控制導引電路原理圖
2017年之后的充電模塊都內置了泄放電路。只要充電模塊收到關機指令,就關PWM,并投切泄放電路。直接用三極管代替了接觸器,用貼片電阻代替了鋁殼電阻。對三極管的控制由DC/DC的控制單元(DSP或ARM)實現的。泄放電阻是和充電模塊的正負極接在一起的,如果DSP或ARM的參考地和充電模塊的負極不是同一個參考地,控制信號和泄放電阻之間需要通過光耦隔離。貼片電阻能承受的功率很小,需要很多個電阻進行串聯和并聯。如果選型不當,在1秒時間內可能就被燒壞。
由于充電模塊本身有待機功耗,在充電結束后,如果沒有投切泄放電路,充電模塊的輸出電壓也會下降到安全電壓,但是很難做到在1秒以內。我們測試了某款充電模塊,輸出電壓從750V 降低到 60V,需要大約 61s,如圖3所示。從 500V 降低到 60V,只需要 53s。從 750V 降低到200V 的時間只需要 10s。
圖3 在沒有泄放電路的情況下,充電模塊輸出電壓的下降過程
基于上述這款充電模塊關機后的特點,如果沒有泄放,在 53s 內如果用手刻意或無意碰觸充電槍的槍頭的高壓輸出端子,就可能造成電擊傷害。加上了泄放電路,1s 之內將電壓降到 60V ,就沒有對人體造成電擊傷害的可能了。事實上,充電結束后再拔槍,時間遠遠超過了53s。
60V作為安全電壓的依據是:一般情況下,8-10mA以下的工頻電流,50mA以下的直流電流可以當作人體允許的安全電流,但這些電流長時間通過人體也是有危險的(人體通電時間越長,電阻會越小)。在裝有防止觸電的保護裝置的場合,人體允許的工頻電流約30mA。在空中,可能因造成嚴重二次事故的場合,人體允許的工頻電流應按不引起強烈痙攣的5毫安考慮。人體的平均電阻是2000歐姆,60V電壓對應的電流就是30mA。
標準中提出,“充電樁進行 IMD 檢測后,應及時對充電輸出電壓進行泄放,避免在充電階段對電池負載產生電壓沖擊”。為什么?這一點是比較難以理解的。
絕緣檢測時,充電模塊輸出的電壓大小是多少?絕緣檢測結束后,K1、K2 和 K5、K6 的開關狀態如何?泄放之后、充電之前, K5、K6 和 K1、K2 的開關狀態如何?正式充電之前有一個預充電過程,預充電的電壓大小是多少?
在做絕緣檢測時,充電模塊的輸出電壓為“電池的最高允許充電電壓及充電模塊輸出額定電壓二者較小值”,即確保這這個輸出電壓不會導致電池過壓,不會損壞電池。絕緣檢測之前,充電樁直流主回路的 K1、K2 閉合,絕緣檢測之后,K1、K2 斷開。在 《GB/T 27930-2015:電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》中給出的充電過程時序流程圖中對此也有明確。K5、K6 在絕緣檢測之前和之后一直處于斷開狀態。
絕緣檢測和啟動泄放電路之后,車輛側的 K5、K6 閉合,充電模塊輸出了“預充電壓”之后,充電樁側的 K1、K2 閉合,隨后,接下來充電模塊再根據 BMS 發送的充電電壓和電流需求調整輸出電壓。這個預充電壓為“當前電池電壓 減去 1V-10V”。在輸出充電電壓之前有一個預充電電壓,這避免了充電回路上電瞬間產生較大沖擊電流。
充電模塊在絕緣檢測之后,輸出預充電電壓之前,經歷了斷開 K1、K2,發送通信辨識報文,再閉合 K5、K6,檢測電池電壓是否正常等過程,也就是充電時序的 T11、T12。這過程的時間我沒有核實是多少 s,但我估計接近甚至超過 53s 了。假如沒有泄放,在充電模塊輸出預充電壓之前,充電模塊的電壓是否已經降低到接近 60V 了?即使沒有降低到 60V,充電模塊電壓也可以非常肯定降到了 200V 以內。
因此,難以理解,為何沒有泄放電路可能會對電池負載產生電壓沖擊的 ?
問題可能在于:絕緣檢測時的充電模塊輸出電壓為“電池的最高允許充電電壓及充電模塊輸出額定電壓二者較小值“,而預充電壓為“當前電池電壓減去 1V-10V“。如果充電模塊電壓沒有及時降低到預充電壓大小,在已經閉合了 K5、K6 之后,給充電模塊下發了預充電壓指令,緊著閉合 K1、K2,由于上一次絕緣檢測電壓沒有降下來,充電模塊的輸出電壓大于當前電池電壓,瞬間沖擊電流特別大,接觸器 K1、K2 多次這樣操作之后就會損壞,出現“粘連”現象,就是 K1、K2 斷不開了。



