充电枪电子锁设计

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推出充电枪电子锁测试设备

摘要：针对汽车市场上的电动汽车越来越多，2015年12月发布的GB/T 18487.1-2015针对充电系统单独规定了需要配备充电枪电子锁的要求。本文根据此规定的要求，结合用户使用习惯，对充电枪电了目标分析及逻辑设计，为同行业的后续设计提供设计思路和参考依据。

    随着电动汽车越来越普及，电动汽车一些使用上的问题逐渐暴露出来，电动汽车充电安全问题就是其中一个比较受重视的问题，充电过程中的高压电如果不小心造成虚接，会产生电弧，并引发火灾。
    许多用户买了电动汽车以后，或许是担心充电过程中会意外断开，或是担心夜晚充电线会丢失，因此会自行改制充电枪锁，但自行改制的充电枪锁不但简陋不美观，而且可能存在安全隐患，如图1所示。
    也有一些充电枪供应商进行了批量的工装产品设计，将密码锁与充电枪进行结合，使得充电线具备了密码锁的功能，可以达到在充电过程中锁止充电枪，防止充电枪意外断开或丢失，也可以起到防盗的作用，如图2所示。

1 充电枪电子锁目前现状
    但以上2种充电枪锁都是机械锁设计，无法与车辆充电状态进行关联，仅能起到防盗、防意外断开等作用，但车辆在充电过程中，依然可以进行解锁并拔出充电枪。这样就导致了用户在车辆进行高压充电过程中进行插拔充电枪，可以引起拉弧，甚至引起车辆燃烧，威胁人身及车辆安全。
    针对充电安全，2015年12月发布的GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》中的 9.6条提到：“交流充电电流大于16A时，供电接口和车辆接口应具有锁止功能，该锁止功能应符合GB/T20234.1-2015的相关要求，供电插座和车辆插座应安装电子锁止装置，防止充电过程中的意外断开。当电子锁未可靠锁止时，供电设备或电动汽车应停止充电或不启动充电”。同时，在同一条中还提到：“电子锁止装置应具备应急解锁功能，不应带电解锁且不应由人手直接操作解锁”。
    这种新发布的国家标准，目的就是让用户在使用车辆时，只有在充电枪可靠连接时才会进行充电，且充电过程中无法拔下充电枪，从而保证使用安全。目前国内配合此类充电枪电子锁的车辆还在少数，但有很多汽车研究院在进行系统设计。目前为止，在国内上市的车辆只有少量车辆配备有充电枪锁，如启辰晨风、宝马i3等车型。
    GB/T 18487.1-2015中规定的充电枪电子锁是针对慢充进行的要求，因此，本文所研究的都是针对慢充进行的整车逻辑设计。
    下面针对充电枪电子锁的功能逻辑进行详细设计。

2 电子锁设计目标分析
    2.1功能需求分析
    首先，针对充电枪电子锁的功能需求来分析，并以此确认设计充电枪电子锁需要考虑哪些因素。
      1）满足法规要求法规对锁止装置的要求为，当交流充电电流大于16A时：①充电过程中车辆接口具有锁止功能，防止充电过程中的意外断开；②未可靠锁止时，供电设备或电动汽车应停止充电或不启动充电。
    2）满足用户的使用需求考虑充电线缆防盗和充电过程不被意外打断：①用户离车后，无论车辆是否处于充电中，充电线缆与车辆的连接应不可被断开；②用户在需要使用车辆时，不论车辆在充电中或未充电，可以通过人为操作进行解锁充电枪电子锁，从而使充电线缆和车辆进行分离。
    2.2设计目标分析
    综合考虑法规需求及使用需求所述，充电线已连接的情况下，共有以下几点要求：①充电中，该装置应锁止；②人员离车时，该装置应锁止；③未锁止时，不得开始充电（此项为充电必要条件，锁止装置被其需求）。
    分析充电线缆与车辆已连接状态下，充电状态和人员离车状态对该装置的需求，结果见表1。

表1 人员、充电状态与锁止装置状态对应表

    进一步分析表1中④人员未离车且车辆处于非充电状态，此时可能发生的情景：①用户要断开充电缆与车辆，改变计划不再充电。②在充电线缆与车辆已经连接的情况下，用户将充电线缆另一端与供电端连接，并确认车辆已开始充电。③在充电线缆与供电端已连接前提下，用户连接了充电线缆与车辆，并确认车辆已开始充电。④用户设置了预约充电，将充电线缆另一端与供电端连接，确认充电线缆已连接好且未开始充电，等待到达预约时间后开始充电。
      我们针对以上可能发生的情景，进行以下分析。
    情景①：装置锁止，如果用户需要使用车辆，那么此装置应可被解锁，并断开充电线缆。因此，需设计人工解锁方式（增加室内解锁开关、拉锁等）。
    情景②：在充电线缆与供电端连接时，装置应处于锁止状态，否则无法即刻开始充电。
    情景③：充电线缆与车辆连接时，装置应立即锁止，否则无法即刻开始充电。
    情景④：如果车辆具备预约充电功能，那么当充电线缆与车辆连接时，装置应锁止，否则计时到达后无法开始充电。
    为满足上述4项需求，系统应具备以下功能：①具备人为主动解锁方式，如解锁开关、拉锁；②充电线缆与车辆连接时，该装置应立即锁止。
    因此，无论人员是否离开车辆，是否处于充电中，充电线缆与车辆连接时应立即锁止。在装置锁止状态下，可以通过解锁开关、拉锁等方式解开锁止，拔出充电线缆。
    2.3逻辑闭环
    设计中出现了装置的解锁功能，此时应考虑，当装置被解锁后如何再次闭锁？如果车辆使用人员忘记已经解锁了该装置便离开车辆，该如何保障不被其它人断开？
    人员离开车辆的客观判定条件为：整车电源置于OFF挡时，闭锁整车，闭锁整车的操作是主要判定条件。
    故此逻辑应包括：如果该装置解锁状态时有整车闭锁操作，则同时闭锁该装置。另外，考虑用户如果短时间内未离开车辆，但也没有拔掉充电枪，则应设计其自动再闭锁，即当该装置处于解锁状态下的时间超过2 min，而用户未进行拔掉充电枪的操作则该装置应自动再闭锁。
    2.4用户便捷性考虑
     基于使用习惯，考虑到用户使用的便捷性，假找用户在充满电后（或未充满）需要去行驶车辆，那么前提就要将充电线进行解锁后拔出，如果还是按照解锁整车、打开车门、按压车内电子锁开关这样的顺序去操作，用户会觉得繁琐。因此，可以在遥控钥匙上设计一个充电枪电子锁解锁按钮，让用户在靠近整车时，即可打开电子锁，从而方便快捷地拔掉充电枪。
    同时为了考虑到用户意外按压到电子锁解锁按钮，导致充电终止，遥控钥匙上的电子锁解锁按钮需要设计成可识别用户主动操作的方式，比如：长按解锁开关或连续按压2次解锁开关等方式，这样可以防止用户在无意识情况下解锁充电枪。
    启辰晨风的电动汽车遥控钥匙即有此设计方案如图3所示。

    总结以上内容，该装置的功能设计目标如下。
    1）装置的闭锁：①充电线缆与车辆连接时，该装置应立即锁止；②充电线缆与车辆连接且装置处于解锁状态，当有闭锁整车操作时，同时锁止该装置；③充电线缆与车辆连接且装置处于解锁状态，计时超过2 min，则自动锁止该装置。
    2）装置的解锁：①充电线缆与车辆连接且装置处于锁止状态时，可通过车内的开关或拉索解锁该装置；②充电线缆与车辆连接且装置处于锁止状态时，可通过遥控钥匙解锁该装置。

l  3 电子锁电路设计及逻辑设计
    3.1电路设计图
    根据上一部分对充电枪电子锁功能的设计，可以得出此功能逻辑的设计输入条件大致如下。
    1）车辆是否在充电解锁时车辆需要判定充电状态，如果车辆未充电，则电子锁可直接解锁；但如果在充电过程中，车辆则不可直接断开电子锁，否则会发生带电插拔，容易发生危险，就失去了电子锁存在的意义。因此在充电过程中，用户发出解锁充电枪电子锁命令后，充电系统需要先将充电终止，然后才能解锁电子锁。
    2）车辆充电线是否连接充电线是否与整车连接，是进行闭锁电子锁的必要条件。按照上述得出的结论，充电枪插入就要马上闭锁，因此需要将此充电枪插入信号发送到充电逻辑判定的部件。同时，如果充电枪未插入，则电子锁不动作。如果充电枪未插入车辆，那么电子锁闭锁，会导致后续充电时充电枪无法插入。
    3）充电枪电子锁状态反馈充电枪电子锁作为一个执行机构，需要给充电系统进行信息反馈，以便充电系统判定此机构是否执行解锁／闭锁动作指令或解锁／闭锁动作是否执行到准确位置。如果只是发送解锁／闭锁指令而不进行跟踪判定，那么就会在充电枪电子锁产生故障后无法得到有效反馈，也无法判定充电枪电子锁是否闭锁到位，如果没有闭锁到位，可能导致即使电子锁动作了，但用户仍然可以拔掉充电枪。
    4）整车解锁／闭锁状态考虑到充电逻辑的设计目标中，用户离开车辆时，充电枪电子锁需要同时进行闭锁；在车辆闭锁且充电完成后，等待车辆解锁后，电子锁才能解锁。因此，充电系统需要关联整车解锁／闭锁的状态，将整车解锁／闭锁的信号发送到充电系统的判定部件中。
    5）人为的解锁或闭锁电子锁的动作通过上述设计目标，可以看出来，充电枪电子锁的解锁有3种途径。一是解锁整车电子锁同步解锁，这种情况适用于充电完成解锁整车的情况，此时整车未在充电，充电枪电子锁可同步跟随解锁。如果车辆在充电中，那么解锁整车，则电子锁无法自动解锁，这种设计是为了防止用户在无意识的情况下解锁整车时同时也中断了车辆充电。二是通过充电枪锁手动解锁开关解锁。三是通过遥控钥匙上的专门解锁电子锁的遥控解锁。其中方法2和方法3适用于所有情况，如果车辆未在充电，那么两种方法都可以直接解锁电子锁；如果车辆在充电中，系统需要接到输入信号后，首先终止充电，才能解锁充电枪电子锁。
    总结以上信息，可以绘制出简单的系统原理，如图4所示。

    整车控制器作为处理整车信息最多的一个部件，将以上信息汇总后，通过上一部分总结的判定逻辑进行判定，并进行相应的动作输出。
    3.2逻辑图设计
    按照本文上述内容得出的设计目标，大致可以规划如下几种逻辑判定图。其中共同的要求为：车辆每次状态进行变化时或操作者每次操作后，对应整车就要进行一次执行判定，并进行相应的动作输出。
    3.2.1闭锁逻辑图
    图5、图6分别为主动操作和跟随操作的2种闭锁情况。
    图5是主动操作的简单说明，即：当用户进行充电枪插入的操作时，充电系统检测到充电枪已连接，那么就驱动电子锁闭锁。如果用户具备插枪动作，但没有有效连接充电枪与车辆插座，这时，充电系统检测不到充电枪有效连接，那么充电枪锁不动作。
    图6是跟随操作的闭锁情况，即：当用户进行闭锁整车的操作时，充电系统同时进行充电枪连接检测，如果充电枪已经连接，那么在整车闭锁的同时，驱动充电枪电子锁闭锁。但如果在闭锁整车时，没有检测到充电枪的连接，那么充电枪电子锁就不进行闭锁动作。
    车辆不管是即插即充或是预约充电，开始充电的动作都是要在充电枪锁闭锁以后才能进行。开始充电前都要进行充电枪锁闭锁的检测。但不属于充电枪电子锁的逻辑范围，在此不进行详细阐述。

    3.2.2充电完成逻辑图
    那么整车充电完成后，是否需要主动解锁呢？那就要分为整车闭锁和整车解锁的情况，如图7所示。
    当车辆充电完成，需要检测整车的解锁／闭锁状态，当检测到整车在闭锁的情况下，那么充电枪电子锁就不进行解锁，以防止非用户主动意愿而解锁导致的意外断开。也可以保证用户在户外充电时，车辆充满后，电子锁不会自动解锁，以防止充电线丢失。
    当车辆充电完成后，检测到整车处于解锁状态，也就意味着车辆使用者在车辆附近，那么可以将电子锁解锁，以便用户可以拔掉充电枪。
    3.2.3解锁逻辑图
    上文中已经介绍解锁的3种解锁方式，第2种是室内的手动解锁开关，第3种是遥控器上的遥控解锁电子锁的开关，这两种输入中的任何一种触发后，充电系统立即按照如下逻辑（图8）进行解锁判定。
    当充电系统接收到以上任何一种解锁请求后，需要判定整车是否在充电，如果整车正在充电中，那么充电系统会发出停止充电的命令，等到停止充电后，再次进行判定，如果车辆状态为未充电，那么才会驱动充电枪电子锁解锁。
    当充电系统接收到以上任何一种解锁请求后，判定整车未在充电，那么就可以直接驱动充电枪电子锁进行解锁（此流程也适用于电子锁的第1种解锁方式）。
    在得到用户主动解锁的请求，且充电系统将充电枪电子锁进行解锁后，保持系统唤醒状态，如果2 min（可以进行探讨）后，用户仍未进行拔枪，则重新将电子锁进行闭锁。这也是为了保证用户在触发解锁操作后，忘记拔枪或改变主意而进行的设计。

    4 总结
    当然，一个系统的逻辑设计不是简单如文章所说的就可以完全概括，还需要根据各自车辆的特殊网络构架、电子部件的休眠／唤醒策略、整车原理等方面进行综合考虑。
    所有电器功能逻辑，都是以实现功能为主线，兼具人性化设计，才能逐渐成为固化下来的设计依据，为后续同行提供参考。