◆文/江苏 郭栋
本文中的充电是指通过电网，给汽车上的储能装置补充电能。充电方式分为交流充电和直流充电，俗称慢充和快充。电网供给我们的电能都是交流电，但是汽车上的电池电源是直流电，要想电池能够接收电能必须把交流电转换为成直流电，要么由地面上的设备(充电桩)转换，要么由车上的设备(车载充电机)转换。因为车上的空间有限，对充电装置产生热量的散热能力也有限，所以车载充电装置功率都不大，也就是充电的电流有限，所以充电的速度就慢，一般要一晚上时间才能把车上的电池充满，所以叫慢充。地面的充电装置由于没有这种限制，功率就可以做得比较大，充电的速度就快。可以在十几分钟把特斯拉车上80kWh的电池充满。 一、交流充电
1.交流充电的系统构成
充电系统是由市电接口、充电桩、充
电电缆、车上的电池构成的，如图1所示。
2.交流充电的安全措施
交流充电设施采用了以
下几个
安全措施：
(1)充电桩的功率与电池需要的功能相匹配，保障在充电过程中供电电路不过载，以免引起着火。 (2)充电电缆和充电、充电座与需要的功率相匹配，保障电缆和接口不过载，以免引起着火。
(3)充电桩设置了接地、漏电保护、防雷装置，以免操作人员发生触电。 (4)充电电缆和充电、充电座采用了双重绝缘，以免操作人员发生触电。
压花皮
(5)充电的机械锁、电子锁装置可以避免带电插拔时引起电弧烧伤。
(6)充电导引电路保障了一旦充电电缆意外断开，立即停止供电。
充电桩中充电与充电座的接口电路如图2所示，端子的长短不一，在插和拔操作中，保证了插入时低压和接地端子先完全接触，才上高压，断开时先下高压再断开端子接触。这样就可以实现不带电插拔。
充电导引信号(图3)用于检测充电电缆容量的大小，检测车辆接口与充电设备的接触状态，检测各连接单元之间的信息交换是否完成，检测各单元的准备是否完成，检测充电过程中的工作状态。
图1 充电系统的构成图2 充电桩中充电与充电座的接口电路
电动汽车车载端有这4个元器件：电阻R2、电阻R3、开关S2、二极管D1，它们可以安装在电池管理系统(BMS)内，也可以安装在车载充电机(OBC)内，图3中，假设它们都在BMS内部。
①CC是一个对地电阻信号，用于检查充电电缆是否已经连接完毕，以及获得电缆的容量参数。
②CP是一个PWM信号和电压信号，用于检查供电设备和车载充电设备准备状态完成情况的容量。
③S1开关处于充电桩内，受控于充电桩，且与12V和PWM两个电路切换，选择导通。
④S3开关位于充电内，与充电上的机械锁联动，用于切断与联接R4电阻车辆确认插头的连接状态。默认是导通状态，也就是按下充电时，S3是导通的，当按下充电机械按键、准备插时，S3是断开的，电阻R4与RC成串联状态。插入后，松开按键，S3又变回导通状态，将R4短路，CC电路中RC电阻代表充电插到位了。
⑤S2开关(一般称为充电继电器)位于电动汽车内部控制器上，用于接通或断开准备就绪、可接受充电了。当车辆满足充电条件时，BMS将S2闭合。
⑥控制导引电路中的R1、R2、R3、R4、RC的阻值是国家标准规定好的，不能任意选取。这些电阻的阻值如果与国内标准不同，使用这些电阻的车辆或充电桩均不能在国内使用。
⑦二极管D1也在车端充电控制导引电
路内，起到防反功能。
⑧电压检测点有1、2、3，其中检测点1
是由充电桩监控，其余2、3由BMS监控。
图3中没有把充电的电子锁部分画
胶布出来，充电上面有机械锁和电子锁，在
插后，首先机械锁先锁住充电(就是充
电上的卡扣，注意此时仍可以手动拔出
的)，再用电子锁进行锁止(再用手拔就不
能拔出了)，机械锁在充电内，电子锁在
充电座内，这个电子锁的控制信号不在充
电接口的7个PIN针内，可以由整车控制器
(VCU)或BMS等控制。
3.交流充电的模式
交流充电根据充电电缆的形态又分为
三种模式。图4所示为充电模式1，图5所
示为充电模式2，图6所示为充电模式3。
图4 充电模式1
图5 充电模式2
图6 充电模式3
二、直流充电的安全措施
前面介绍完了交流充电，下面我们介
绍直流充电接口。相比交流充电，直流充
电更纯粹些，没有那么多分类，就只有一
种充电模式、一种连接方式。直流充电系医学成像系统
统的构成如图7所示。
图7 直流充电系统的构成
不同的快充桩安全措施的思路基本相
同，只是实现方式不同。与交流充电桩相
比，直流充电桩与车载电池管理系统有了
CAN总线通信，充电桩输出功率与电池包
的匹配不用靠模拟电路，靠通讯报文的问
答就可实现，另外在电路中多了个充电
高压端子的温度监控。
车辆直流充电接口定义如图8所示(插
座端)，它一共有9个针脚(图9)，其中CC1
和CC2都是充电连接确认引脚；A＋和A－
为低压12V辅助电源接口，这个12V电源简单的延时电路
不是用来给车载设备供电，它是作为唤醒
车载12V的电源工作。从图10中可以看到
与座的端子长短不一，在插入时CC2与
地沟油提炼PE最先连接，接着是高压直流供电正负由
e+、e-连接，然后是低压辅助电源正负极
A+、A-连接，最后是CAN通信CANH、
CANL和CC1的连接。
图8 直流充电口端子定义
接下来看一下直流充电桩、车辆接口
和电动汽车控制系统之间连接后的电路原
理，如图10所示，其中在直流充电插
上后，CC1信号没有连接到车辆内部，整
个控制导引电路共有五个电阻R1、R2、图3 充电导引信号
R3、R4、R5，一个开关S，两个检测点1、2。
①R1：布置在充电桩内部，标称阻值1kΩ。②R2、R3：布置在充电内部，标称值都是1kΩ。③R4：布置在车辆插座处，标称阻值1kΩ。
④R5：布置在车辆控制器内部，通常是BMS上，标称阻值1kΩ。
⑤开关S：布置在充电内部，与机械锁联动，默认是闭合状态。
⑥U1、U2：为12V上拉电源。
⑦检测点1是在充电桩内部，由充电桩控制器进行检测充电的状态，它可以检查12V、6V、4V3种电平状态，4V代表充电与车辆完成连接。
⑧检测点2是由BMS进行检测与车的连接状态，它有12V、6V两种状态，6V代表车辆与充电完成连接。
与交流充电一样，直流充电要经历连接确认的过程。它比交流充电多了一个充电桩自检的部分，期间会进行绝缘检测。具体过程是，当充电桩确认充电完成连接后(检测点1为4V)，就会闭合继电器K1和K2，进行绝缘检测，检测合格后，对母线残留电压进行释放，最后重新打开继电器K1和K2。等车辆端完成连接确认后(检测点2为6V)，二者之间通过CAN通信。然后车上的充电正继电器K5和负继电器K6闭合，充电桩对电池电压进行检测，检测合格后，闭合K1和K2，开始进行充电。
同样地，除了机械锁外，直流充电也存在电子锁，如图11所示。不过这个电子锁是布置在充电上面的，而不像交流充电
那样，布置在车辆的充电插座中，它由充电桩进行控制与检测，
而不是车辆控制器来控制。
图11 充电电子锁
图9 充电接口电路，注意端子有长短区别
图10 直流充电导引电路
三、触电事故伤害机理
电能是我们人类社会使用的最广泛的能源之一，汽车行业接触电的机会也越来越多。但是电的不正确使用给人类带来危险，主要是人体触电和火灾。 1.电流对人体的作用
人体是可以承受轻微电流流过的，比如我们在做中医理疗里，人体可以承受1mA的弱电流流过，但是人体不能承受较大的电流流过。试验证明，超过5mA的电流流过我们的身体，就会对我们的健康造成损害。电流对人体的伤害程度与流经身体的电流大小、作用时间有关。电流越大、作用时间越长，伤害越重。图12给出了电流大小、作用时间与人体反应之间的关系。
相关试验结果说明：
经过人体的电流若是超过了约5mA，我们就称为“触电”。人会感觉发麻，但人还能从带电导体上松开手。
经过人体的电流若是超过了约10mA，这就是所谓的“松手极限”了，身体会收缩。这时人就无法脱离电源了，于是电流的作用时间明显加长了。
30～50mA的交流电流作用较长时间的话，就会使人体出现呼吸停止以及心室纤维性颤动。
如果流过身体的电流达到约80mA，那这就是所谓的“死亡极限值”了。
在德国，每年有200人因电事故而死亡。
检修汽车高压系统时，在下述情况下就存在危险了：工作部件之间的电压超过25V(交流)或者60V(直流)；工作点的短路电流超过3mA (交流)或12mA(直流)；电能超过350mJ。
从图12中，我们可以看出，电流会在极短的时间内对人体产生伤害，这个时间只有十几毫秒，这个时间远远超出了人类大脑反应的最快时间。也就是说，一旦发生触电，靠人类本能的条件反射，去摆脱
与电源的接触是不可能的，避免触电的唯一办法就是不让电流流过我们的身体，或者流过我们身体的电流不超过人体的感知电流。
通过人体的电流所引发的后果严重性取决于以下几点：①接触电压的强度；②流经电流的强度；③流经电流的持续时间；
④电流的路径(最糟的情况是通过心脏)；⑤电流的频率(直流电或交流电)。
2.流经人体电流的计算
人体是一个导体，人体电阻在某种状态下是固定的，由欧姆定律我们知道，一个电路的电流等于电压除以电阻，流经人体的电流大小就取决于外界施加在人体的电压大小。接触电压和体内的触电阻是决定人体内电流的关键因素。如果电压小到导致的电流小于5mA，我们就称之为安全电压。
因为人们的身体状况的各不相同，人体的电阻也不同。图13中标出的电阻值为人体的平均电阻。人的血液里含有电解质，所以人体的电导率很高。特别是主血管经过的部位(胸部及躯干)，所以这些地方的电阻很小。在电流流经心脏的时候对生命的威胁最大。这就是为什么，电工作业原则中规定不能双手作业，双手直接接触有压差的电源，电流会直接流过心脏。
3.安全电压的计算
如果电压小到产生的电流小于5mA，我们就称之为安全电压。根据计算，交流电超过25V以及直流电超过60V，就是危险的了。在德国，最大接触电压，交流电不得超过50V，直流电不得超过120V(根据VDE)。
那么我们要如何评估某一款电动汽车采用的电压是否安全呢？我们要这样计算，该款电动汽车的系统电压为266V D C ，人体的电阻为1080Ω，流过人体的电流I =U /R=266V/1080Ω=0.25A，对于交流电来讲，这么大的电流作用于心脏的时间大约10～15ms时就是致命的(心室纤颤)。
当通过人体的电流达到25VAC以及60VDC以上，就已经有生命危险了。
如果维修人员在该电动汽车维修时触电，可能导致电击、呼吸及心跳中断、烧伤及永久身体损伤以至于死亡。
新能源汽车的驱动电机由三相交流电压驱动。通过改变电压的大小和频率来调节交流电机的转矩和转速。因为使用低频来驱动电机(电机控制器的输出电压频率在200Hz左右)，所以在交流
电机上UVW输入端触电的危险性更大。
图12 流过人体的电流大小、流通时间与伤害的关系
图13 人体电阻
直流电事故主要是引发人体内的化学效应；交流电事故中造成心律障碍的危险特别高。
避免触电的措施，最先是采用安全电压，如果像新能源汽车那样不能采用安全电压，那就得采用隔离措施，比如：导线绝缘，PCB板绝缘，接插件绝缘，作业人员的个人绝缘防护用品(手套、鞋、绝缘毯)都是隔离性的措施，对交流用电设备还要有接地措施。防止直接触电(直接触摸带电导体)，还有安装漏电保护措施是防止间接触电(非直接接触带电导体，在漏电的情况下，电流是从在正常状态的下不
带电的物体传到过来的、传到我们的身体上)。
4.新能源汽车维修作业时的触电方式
汽车维修和汽车充电时，触电的类型主要是直接触电(图14)，操作人直接接触高压电池正负母线。操作人员接触高压
电气的外壳属于间接触电(图15)。
宁波溲疏图14 直接触电图15 间接触电
5.防止触电的措施
防止触电的措施一类是减少漏电时流经身体的电流，另外的措施是避免电流流过身体。常见措施有：
(1)设备接地保护，如图16和17所示。保护接地是为了防止充电设备或电动汽车上的离电器件绝缘损坏时人体遭受触电危险，在充电设备外壳不离压元件的外壳与接地体或本身之间所作
的连接，从而避免外壳带电后，流经作业人员的身体。
图16 接地保护的原理图17 无接地
(2)在电源电路中加装漏电保护装置，如图18～21所示。(3)其他防护措施：防止触电措施，防止电弧灼伤措施，防止接触不良着火措施。
四、充电作业安全注意事项
新能源汽车的充电作业经常是由车辆驾驶员自己完成。驾驶
员给自己的车辆进行充电时，应注意以下事项。
1.充电作业时不能打开汽车前舱盖。
2.不能一边充电一边洗车。
3.发现冒烟或火苗，请报警，不能自己处置，不要靠近，不要逗留在车子里。有问题打电话，让专业人员来维修。
4.注意事项：
如果使用了电子医疗装置，如移植了心脏起搏器或心血管除颤器，充电前请先确认电动车充电对该装置产生的影响。充电可能会影响电子医疗装置的功能。如果移植了心脏起搏器或心血管除颤器，在充电时请注意：不要呆在车内；充电时不要进入车内取东西。 充电设备的电磁辐射可能会影响电子医疗装置的功能，导致人身伤亡。
不适合在电动汽车上作业的人如图22所示。
图22 不适合在电动汽车上作业的人
图20 漏电保护动作原理图
图21 漏电保护不动作原理图
图18 漏电保护器的外观
图19 防雷和防浪涌
保护装置的外观
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