充電槍電子鎖設計

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推出充電槍電子鎖測試設備

摘要：針對汽車市場上的電動汽車越來越多，2015年12月發布的GB/T 18487.1-2015針對充電系統單獨規定了需要配備充電槍電子鎖的要求。本文根據此規定的要求，結合用戶使用習慣，對充電槍電了目標分析及邏輯設計，為同行業的后續設計提供設計思路和參考依據。

    隨著電動汽車越來越普及，電動汽車一些使用上的問題逐漸暴露出來，電動汽車充電安全問題就是其中一個比較受重視的問題，充電過程中的高壓電如果不小心造成虛接，會產生電弧，并引發火災。
    許多用戶買了電動汽車以后，或許是擔心充電過程中會意外斷開，或是擔心夜晚充電線會丟失，因此會自行改制充電槍鎖，但自行改制的充電槍鎖不但簡陋不美觀，而且可能存在安全隱患，如圖1所示。
    也有一些充電槍供應商進行了批量的工裝產品設計，將密碼鎖與充電槍進行結合，使得充電線具備了密碼鎖的功能，可以達到在充電過程中鎖止充電槍，防止充電槍意外斷開或丟失，也可以起到防盜的作用，如圖2所示。

1 充電槍電子鎖目前現狀
    但以上2種充電槍鎖都是機械鎖設計，無法與車輛充電狀態進行關聯，僅能起到防盜、防意外斷開等作用，但車輛在充電過程中，依然可以進行解鎖并拔出充電槍。這樣就導致了用戶在車輛進行高壓充電過程中進行插拔充電槍，可以引起拉弧，甚至引起車輛燃燒，威脅人身及車輛安全。
    針對充電安全，2015年12月發布的GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求》中的 9.6條提到：“交流充電電流大于16A時，供電接口和車輛接口應具有鎖止功能，該鎖止功能應符合GB/T20234.1-2015的相關要求，供電插座和車輛插座應安裝電子鎖止裝置，防止充電過程中的意外斷開。當電子鎖未可靠鎖止時，供電設備或電動汽車應停止充電或不啟動充電”。同時，在同一條中還提到：“電子鎖止裝置應具備應急解鎖功能，不應帶電解鎖且不應由人手直接操作解鎖”。
    這種新發布的國家標準，目的就是讓用戶在使用車輛時，只有在充電槍可靠連接時才會進行充電，且充電過程中無法拔下充電槍，從而保證使用安全。目前國內配合此類充電槍電子鎖的車輛還在少數，但有很多汽車研究院在進行系統設計。目前為止，在國內上市的車輛只有少量車輛配備有充電槍鎖，如啟辰晨風、寶馬i3等車型。
    GB/T 18487.1-2015中規定的充電槍電子鎖是針對慢充進行的要求，因此，本文所研究的都是針對慢充進行的整車邏輯設計。
    下面針對充電槍電子鎖的功能邏輯進行詳細設計。

2 電子鎖設計目標分析
    2.1功能需求分析
    首先，針對充電槍電子鎖的功能需求來分析，并以此確認設計充電槍電子鎖需要考慮哪些因素。
      1）滿足法規要求法規對鎖止裝置的要求為，當交流充電電流大于16A時：①充電過程中車輛接口具有鎖止功能，防止充電過程中的意外斷開；②未可靠鎖止時，供電設備或電動汽車應停止充電或不啟動充電。
    2）滿足用戶的使用需求考慮充電線纜防盜和充電過程不被意外打斷：①用戶離車后，無論車輛是否處于充電中，充電線纜與車輛的連接應不可被斷開；②用戶在需要使用車輛時，不論車輛在充電中或未充電，可以通過人為操作進行解鎖充電槍電子鎖，從而使充電線纜和車輛進行分離。
    2.2設計目標分析
    綜合考慮法規需求及使用需求所述，充電線已連接的情況下，共有以下幾點要求：①充電中，該裝置應鎖止；②人員離車時，該裝置應鎖止；③未鎖止時，不得開始充電（此項為充電必要條件，鎖止裝置被其需求）。
    分析充電線纜與車輛已連接狀態下，充電狀態和人員離車狀態對該裝置的需求，結果見表1。

表1 人員、充電狀態與鎖止裝置狀態對應表

    進一步分析表1中④人員未離車且車輛處于非充電狀態，此時可能發生的情景：①用戶要斷開充電纜與車輛，改變計劃不再充電。②在充電線纜與車輛已經連接的情況下，用戶將充電線纜另一端與供電端連接，并確認車輛已開始充電。③在充電線纜與供電端已連接前提下，用戶連接了充電線纜與車輛，并確認車輛已開始充電。④用戶設置了預約充電，將充電線纜另一端與供電端連接，確認充電線纜已連接好且未開始充電，等待到達預約時間后開始充電。
      我們針對以上可能發生的情景，進行以下分析。
    情景①：裝置鎖止，如果用戶需要使用車輛，那么此裝置應可被解鎖，并斷開充電線纜。因此，需設計人工解鎖方式（增加室內解鎖開關、拉鎖等）。
    情景②：在充電線纜與供電端連接時，裝置應處于鎖止狀態，否則無法即刻開始充電。
    情景③：充電線纜與車輛連接時，裝置應立即鎖止，否則無法即刻開始充電。
    情景④：如果車輛具備預約充電功能，那么當充電線纜與車輛連接時，裝置應鎖止，否則計時到達后無法開始充電。
    為滿足上述4項需求，系統應具備以下功能：①具備人為主動解鎖方式，如解鎖開關、拉鎖；②充電線纜與車輛連接時，該裝置應立即鎖止。
    因此，無論人員是否離開車輛，是否處于充電中，充電線纜與車輛連接時應立即鎖止。在裝置鎖止狀態下，可以通過解鎖開關、拉鎖等方式解開鎖止，拔出充電線纜。
    2.3邏輯閉環
    設計中出現了裝置的解鎖功能，此時應考慮，當裝置被解鎖后如何再次閉鎖？如果車輛使用人員忘記已經解鎖了該裝置便離開車輛，該如何保障不被其它人斷開？
    人員離開車輛的客觀判定條件為：整車電源置于OFF擋時，閉鎖整車，閉鎖整車的操作是主要判定條件。
    故此邏輯應包括：如果該裝置解鎖狀態時有整車閉鎖操作，則同時閉鎖該裝置。另外，考慮用戶如果短時間內未離開車輛，但也沒有拔掉充電槍，則應設計其自動再閉鎖，即當該裝置處于解鎖狀態下的時間超過2 min，而用戶未進行拔掉充電槍的操作則該裝置應自動再閉鎖。
    2.4用戶便捷性考慮
     基于使用習慣，考慮到用戶使用的便捷性，假找用戶在充滿電后（或未充滿）需要去行駛車輛，那么前提就要將充電線進行解鎖后拔出，如果還是按照解鎖整車、打開車門、按壓車內電子鎖開關這樣的順序去操作，用戶會覺得繁瑣。因此，可以在遙控鑰匙上設計一個充電槍電子鎖解鎖按鈕，讓用戶在靠近整車時，即可打開電子鎖，從而方便快捷地拔掉充電槍。
    同時為了考慮到用戶意外按壓到電子鎖解鎖按鈕，導致充電終止，遙控鑰匙上的電子鎖解鎖按鈕需要設計成可識別用戶主動操作的方式，比如：長按解鎖開關或連續按壓2次解鎖開關等方式，這樣可以防止用戶在無意識情況下解鎖充電槍。
    啟辰晨風的電動汽車遙控鑰匙即有此設計方案如圖3所示。

    總結以上內容，該裝置的功能設計目標如下。
    1）裝置的閉鎖：①充電線纜與車輛連接時，該裝置應立即鎖止；②充電線纜與車輛連接且裝置處于解鎖狀態，當有閉鎖整車操作時，同時鎖止該裝置；③充電線纜與車輛連接且裝置處于解鎖狀態，計時超過2 min，則自動鎖止該裝置。
    2）裝置的解鎖：①充電線纜與車輛連接且裝置處于鎖止狀態時，可通過車內的開關或拉索解鎖該裝置；②充電線纜與車輛連接且裝置處于鎖止狀態時，可通過遙控鑰匙解鎖該裝置。

l  3 電子鎖電路設計及邏輯設計
    3.1電路設計圖
    根據上一部分對充電槍電子鎖功能的設計，可以得出此功能邏輯的設計輸入條件大致如下。
    1）車輛是否在充電解鎖時車輛需要判定充電狀態，如果車輛未充電，則電子鎖可直接解鎖；但如果在充電過程中，車輛則不可直接斷開電子鎖，否則會發生帶電插拔，容易發生危險，就失去了電子鎖存在的意義。因此在充電過程中，用戶發出解鎖充電槍電子鎖命令后，充電系統需要先將充電終止，然后才能解鎖電子鎖。
    2）車輛充電線是否連接充電線是否與整車連接，是進行閉鎖電子鎖的必要條件。按照上述得出的結論，充電槍插入就要馬上閉鎖，因此需要將此充電槍插入信號發送到充電邏輯判定的部件。同時，如果充電槍未插入，則電子鎖不動作。如果充電槍未插入車輛，那么電子鎖閉鎖，會導致后續充電時充電槍無法插入。
    3）充電槍電子鎖狀態反饋充電槍電子鎖作為一個執行機構，需要給充電系統進行信息反饋，以便充電系統判定此機構是否執行解鎖／閉鎖動作指令或解鎖／閉鎖動作是否執行到準確位置。如果只是發送解鎖／閉鎖指令而不進行跟蹤判定，那么就會在充電槍電子鎖產生故障后無法得到有效反饋，也無法判定充電槍電子鎖是否閉鎖到位，如果沒有閉鎖到位，可能導致即使電子鎖動作了，但用戶仍然可以拔掉充電槍。
    4）整車解鎖／閉鎖狀態考慮到充電邏輯的設計目標中，用戶離開車輛時，充電槍電子鎖需要同時進行閉鎖；在車輛閉鎖且充電完成后，等待車輛解鎖后，電子鎖才能解鎖。因此，充電系統需要關聯整車解鎖／閉鎖的狀態，將整車解鎖／閉鎖的信號發送到充電系統的判定部件中。
    5）人為的解鎖或閉鎖電子鎖的動作通過上述設計目標，可以看出來，充電槍電子鎖的解鎖有3種途徑。一是解鎖整車電子鎖同步解鎖，這種情況適用于充電完成解鎖整車的情況，此時整車未在充電，充電槍電子鎖可同步跟隨解鎖。如果車輛在充電中，那么解鎖整車，則電子鎖無法自動解鎖，這種設計是為了防止用戶在無意識的情況下解鎖整車時同時也中斷了車輛充電。二是通過充電槍鎖手動解鎖開關解鎖。三是通過遙控鑰匙上的專門解鎖電子鎖的遙控解鎖。其中方法2和方法3適用于所有情況，如果車輛未在充電，那么兩種方法都可以直接解鎖電子鎖；如果車輛在充電中，系統需要接到輸入信號后，首先終止充電，才能解鎖充電槍電子鎖。
    總結以上信息，可以繪制出簡單的系統原理，如圖4所示。

    整車控制器作為處理整車信息Z多的一個部件，將以上信息匯總后，通過上一部分總結的判定邏輯進行判定，并進行相應的動作輸出。
    3.2邏輯圖設計
    按照本文上述內容得出的設計目標，大致可以規劃如下幾種邏輯判定圖。其中共同的要求為：車輛每次狀態進行變化時或操作者每次操作后，對應整車就要進行一次執行判定，并進行相應的動作輸出。
    3.2.1閉鎖邏輯圖
    圖5、圖6分別為主動操作和跟隨操作的2種閉鎖情況。
    圖5是主動操作的簡單說明，即：當用戶進行充電槍插入的操作時，充電系統檢測到充電槍已連接，那么就驅動電子鎖閉鎖。如果用戶具備插槍動作，但沒有有效連接充電槍與車輛插座，這時，充電系統檢測不到充電槍有效連接，那么充電槍鎖不動作。
    圖6是跟隨操作的閉鎖情況，即：當用戶進行閉鎖整車的操作時，充電系統同時進行充電槍連接檢測，如果充電槍已經連接，那么在整車閉鎖的同時，驅動充電槍電子鎖閉鎖。但如果在閉鎖整車時，沒有檢測到充電槍的連接，那么充電槍電子鎖就不進行閉鎖動作。
    車輛不管是即插即充或是預約充電，開始充電的動作都是要在充電槍鎖閉鎖以后才能進行。開始充電前都要進行充電槍鎖閉鎖的檢測。但不屬于充電槍電子鎖的邏輯范圍，在此不進行詳細闡述。

    3.2.2充電完成邏輯圖
    那么整車充電完成后，是否需要主動解鎖呢？那就要分為整車閉鎖和整車解鎖的情況，如圖7所示。
    當車輛充電完成，需要檢測整車的解鎖／閉鎖狀態，當檢測到整車在閉鎖的情況下，那么充電槍電子鎖就不進行解鎖，以防止非用戶主動意愿而解鎖導致的意外斷開。也可以保證用戶在戶外充電時，車輛充滿后，電子鎖不會自動解鎖，以防止充電線丟失。
    當車輛充電完成后，檢測到整車處于解鎖狀態，也就意味著車輛使用者在車輛附近，那么可以將電子鎖解鎖，以便用戶可以拔掉充電槍。
    3.2.3解鎖邏輯圖
    上文中已經介紹解鎖的3種解鎖方式，第2種是室內的手動解鎖開關，第3種是遙控器上的遙控解鎖電子鎖的開關，這兩種輸入中的任何一種觸發后，充電系統立即按照如下邏輯（圖8）進行解鎖判定。
    當充電系統接收到以上任何一種解鎖請求后，需要判定整車是否在充電，如果整車正在充電中，那么充電系統會發出停止充電的命令，等到停止充電后，再次進行判定，如果車輛狀態為未充電，那么才會驅動充電槍電子鎖解鎖。
    當充電系統接收到以上任何一種解鎖請求后，判定整車未在充電，那么就可以直接驅動充電槍電子鎖進行解鎖（此流程也適用于電子鎖的第1種解鎖方式）。
    在得到用戶主動解鎖的請求，且充電系統將充電槍電子鎖進行解鎖后，保持系統喚醒狀態，如果2 min（可以進行探討）后，用戶仍未進行拔槍，則重新將電子鎖進行閉鎖。這也是為了保證用戶在觸發解鎖操作后，忘記拔槍或改變主意而進行的設計。

    4 總結
    當然，一個系統的邏輯設計不是簡單如文章所說的就可以完全概括，還需要根據各自車輛的特殊網絡構架、電子部件的休眠／喚醒策略、整車原理等方面進行綜合考慮。
    所有電器功能邏輯，都是以實現功能為主線，兼具人性化設計，才能逐漸成為固化下來的設計依據，為后續同行提供參考。