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推出充電槍電子鎖測(cè)試設(shè)備
摘要：針對(duì)汽車市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車越來(lái)越多，2015年12月發(fā)布的GB/T 18487.1-2015針對(duì)充電系統(tǒng)單獨(dú)規(guī)定了需要配備充電槍電子鎖的要求。本文根據(jù)此規(guī)定的要求，結(jié)合用戶使用習(xí)慣，對(duì)充電槍電了目標(biāo)分析及邏輯設(shè)計(jì)，為同行業(yè)的后續(xù)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)思路和參考依據(jù)。
隨著電動(dòng)汽車越來(lái)越普及，電動(dòng)汽車一些使用上的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，電動(dòng)汽車充電安全問(wèn)題就是其中一個(gè)比較受重視的問(wèn)題，充電過(guò)程中的高壓電如果不小心造成虛接，會(huì)產(chǎn)生電弧，并引發(fā)火災(zāi)。
許多用戶買了電動(dòng)汽車以后，或許是擔(dān)心充電過(guò)程中會(huì)意外斷開，或是擔(dān)心夜晚充電線會(huì)丟失，因此會(huì)自行改制充電槍鎖，但自行改制的充電槍鎖不但簡(jiǎn)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(yīng)商進(jìn)行了批量的工裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將密碼鎖與充電槍進(jìn)行結(jié)合，使得充電線具備了密碼鎖的功能，可以達(dá)到在充電過(guò)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(xiàn)狀
但以上2種充電槍鎖都是機(jī)械鎖設(shè)計(jì)，無(wú)法與車輛充電狀態(tài)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，僅能起到防盜、防意外斷開等作用，但車輛在充電過(guò)程中，依然可以進(jìn)行解鎖并拔出充電槍。這樣就導(dǎo)致了用戶在車輛進(jìn)行高壓充電過(guò)程中進(jìn)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(duì)充電安全，2015年12月發(fā)布的GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)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(shí)，供電接口和車輛接口應(yīng)具有鎖止功能，該鎖止功能應(yīng)符合GB/T20234.1-2015的相關(guān)要求，供電插座和車輛插座應(yīng)安裝電子鎖止裝置，防止充電過(guò)程中的意外斷開。當(dāng)電子鎖未可靠鎖止時(shí)，供電設(shè)備或電動(dòng)汽車應(yīng)停止充電或不啟動(dòng)充電”。同時(shí)，在同一條中還提到：“電子鎖止裝置應(yīng)具備應(yīng)急解鎖功能，不應(yīng)帶電解鎖且不應(yīng)由人手直接操作解鎖”。
這種新發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目的就是讓用戶在使用車輛時(shí)，只有在充電槍可靠連接時(shí)才會(huì)進(jìn)行充電，且充電過(guò)程中無(wú)法拔下充電槍，從而保證使用安全。目前國(guó)內(nèi)配合此類充電槍電子鎖的車輛還在少數(shù)，但有很多汽車研究院在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前為止，在國(guó)內(nèi)上市的車輛只有少量車輛配備有充電槍鎖，如啟辰晨風(fēng)、寶馬i3等車型。
GB/T 18487.1-2015中規(guī)定的充電槍電子鎖是針對(duì)慢充進(jìn)行的要求，因此，本文所研究的都是針對(duì)慢充進(jìn)行的整車邏輯設(shè)計(jì)。
下面針對(duì)充電槍電子鎖的功能邏輯進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
2 電子鎖設(shè)計(jì)目標(biāo)分析
2.1功能需求分析
首先，針對(duì)充電槍電子鎖的功能需求來(lái)分析，并以此確認(rèn)設(shè)計(jì)充電槍電子鎖需要考慮哪些因素。
1）滿足法規(guī)要求法規(guī)對(duì)鎖止裝置的要求為，當(dāng)交流充電電流大于16A時(shí)：①充電過(guò)程中車輛接口具有鎖止功能，防止充電過(guò)程中的意外斷開；②未可靠鎖止時(shí)，供電設(shè)備或電動(dòng)汽車應(yīng)停止充電或不啟動(dòng)充電。
2）滿足用戶的使用需求考慮充電線纜防盜和充電過(guò)程不被意外打斷：①用戶離車后，無(wú)論車輛是否處于充電中，充電線纜與車輛的連接應(yīng)不可被斷開；②用戶在需要使用車輛時(shí)，不論車輛在充電中或未充電，可以通過(guò)人為操作進(jìn)行解鎖充電槍電子鎖，從而使充電線纜和車輛進(jìn)行分離。
2.2設(shè)計(jì)目標(biāo)分析
綜合考慮法規(guī)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(diǎn)要求：①充電中，該裝置應(yīng)鎖止；②人員離車時(shí)，該裝置應(yīng)鎖止；③未鎖止時(shí)，不得開始充電（此項(xiàng)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(tài)下，充電狀態(tài)和人員離車狀態(tài)對(duì)該裝置的需求，結(jié)果見表1。
表1 人員、充電狀態(tài)與鎖止裝置狀態(tài)對(duì)應(yīng)表
人員狀態(tài) | 充電中 | 非充電中 |
人員離車 | 鎖止 | 鎖止 |
人員未離車 | 鎖止 | 鎖止？解鎖？進(jìn)一步分析 |
進(jìn)一步分析表1中④人員未離車且車輛處于非充電狀態(tài)，此時(shí)可能發(fā)生的情景：①用戶要斷開充電纜與車輛，改變計(jì)劃不再充電。②在充電線纜與車輛已經(jīng)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(rèn)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(rèn)車輛已開始充電。④用戶設(shè)置了預(yù)約充電，將充電線纜另一端與供電端連接，確認(rèn)充電線纜已連接好且未開始充電，等待到達(dá)預(yù)約時(shí)間后開始充電。
我們針對(duì)以上可能發(fā)生的情景，進(jìn)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(yīng)可被解鎖，并斷開充電線纜。因此，需設(shè)計(jì)人工解鎖方式（增加室內(nèi)解鎖開關(guān)、拉鎖等）。
情景②：在充電線纜與供電端連接時(shí)，裝置應(yīng)處于鎖止?fàn)顟B(tài)，否則無(wú)法即刻開始充電。
情景③：充電線纜與車輛連接時(shí)，裝置應(yīng)立即鎖止，否則無(wú)法即刻開始充電。
情景④：如果車輛具備預(yù)約充電功能，那么當(dāng)充電線纜與車輛連接時(shí)，裝置應(yīng)鎖止，否則計(jì)時(shí)到達(dá)后無(wú)法開始充電。
為滿足上述4項(xiàng)需求，系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：①具備人為主動(dòng)解鎖方式，如解鎖開關(guān)、拉鎖；②充電線纜與車輛連接時(shí)，該裝置應(yīng)立即鎖止。
因此，無(wú)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(shí)應(yīng)立即鎖止。在裝置鎖止?fàn)顟B(tài)下，可以通過(guò)解鎖開關(guān)、拉鎖等方式解開鎖止，拔出充電線纜。
2.3邏輯閉環(huán)
設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了裝置的解鎖功能，此時(shí)應(yīng)考慮，當(dāng)裝置被解鎖后如何再次閉鎖？如果車輛使用人員忘記已經(jīng)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(shí)，閉鎖整車，閉鎖整車的操作是主要判定條件。
故此邏輯應(yīng)包括：如果該裝置解鎖狀態(tài)時(shí)有整車閉鎖操作，則同時(shí)閉鎖該裝置。另外，考慮用戶如果短時(shí)間內(nèi)未離開車輛，但也沒(méi)有拔掉充電槍，則應(yīng)設(shè)計(jì)其自動(dòng)再閉鎖，即當(dāng)該裝置處于解鎖狀態(tài)下的時(shí)間超過(guò)2 min，而用戶未進(jìn)行拔掉充電槍的操作則該裝置應(yīng)自動(dòng)再閉鎖。
2.4用戶便捷性考慮
基于使用習(xí)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(jìn)行解鎖后拔出，如果還是按照解鎖整車、打開車門、按壓車內(nèi)電子鎖開關(guān)這樣的順序去操作，用戶會(huì)覺得繁瑣。因此，可以在遙控鑰匙上設(shè)計(jì)一個(gè)充電槍電子鎖解鎖按鈕，讓用戶在靠近整車時(shí)，即可打開電子鎖，從而方便快捷地拔掉充電槍。
同時(shí)為了考慮到用戶意外按壓到電子鎖解鎖按鈕，導(dǎo)致充電終止，遙控鑰匙上的電子鎖解鎖按鈕需要設(shè)計(jì)成可識(shí)別用戶主動(dòng)操作的方式，比如：長(zhǎng)按解鎖開關(guān)或連續(xù)按壓2次解鎖開關(guān)等方式，這樣可以防止用戶在無(wú)意識(shí)情況下解鎖充電槍。
啟辰晨風(fēng)的電動(dòng)汽車遙控鑰匙即有此設(shè)計(jì)方案如圖3所示。
總結(jié)以上內(nèi)容，該裝置的功能設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。
1）裝置的閉鎖：①充電線纜與車輛連接時(shí)，該裝置應(yīng)立即鎖止；②充電線纜與車輛連接且裝置處于解鎖狀態(tài)，當(dāng)有閉鎖整車操作時(shí)，同時(shí)鎖止該裝置；③充電線纜與車輛連接且裝置處于解鎖狀態(tài)，計(jì)時(shí)超過(guò)2 min，則自動(dòng)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?fàn)顟B(tài)時(shí)，可通過(guò)車內(nèi)的開關(guān)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?fàn)顟B(tài)時(shí)，可通過(guò)遙控鑰匙解鎖該裝置。
l 3 電子鎖電路設(shè)計(jì)及邏輯設(shè)計(jì)
3.1電路設(shè)計(jì)圖
根據(jù)上一部分對(duì)充電槍電子鎖功能的設(shè)計(jì)，可以得出此功能邏輯的設(shè)計(jì)輸入條件大致如下。
1）車輛是否在充電解鎖時(shí)車輛需要判定充電狀態(tài)，如果車輛未充電，則電子鎖可直接解鎖；但如果在充電過(guò)程中，車輛則不可直接斷開電子鎖，否則會(huì)發(fā)生帶電插拔，容易發(fā)生危險(xiǎn)，就失去了電子鎖存在的意義。因此在充電過(guò)程中，用戶發(fā)出解鎖充電槍電子鎖命令后，充電系統(tǒng)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(jìn)行閉鎖電子鎖的必要條件。按照上述得出的結(jié)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(hào)發(fā)送到充電邏輯判定的部件。同時(shí)，如果充電槍未插入，則電子鎖不動(dòng)作。如果充電槍未插入車輛，那么電子鎖閉鎖，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)充電時(shí)充電槍無(wú)法插入。
3）充電槍電子鎖狀態(tài)反饋充電槍電子鎖作為一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要給充電系統(tǒng)進(jìn)行信息反饋，以便充電系統(tǒng)判定此機(jī)構(gòu)是否執(zhí)行解鎖／閉鎖動(dòng)作指令或解鎖／閉鎖動(dòng)作是否執(zhí)行到準(zhǔn)確位置。如果只是發(fā)送解鎖／閉鎖指令而不進(jìn)行跟蹤判定，那么就會(huì)在充電槍電子鎖產(chǎn)生故障后無(wú)法得到有效反饋，也無(wú)法判定充電槍電子鎖是否閉鎖到位，如果沒(méi)有閉鎖到位，可能導(dǎo)致即使電子鎖動(dòng)作了，但用戶仍然可以拔掉充電槍。
4）整車解鎖／閉鎖狀態(tài)考慮到充電邏輯的設(shè)計(jì)目標(biāo)中，用戶離開車輛時(shí)，充電槍電子鎖需要同時(shí)進(jìn)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(tǒng)需要關(guān)聯(lián)整車解鎖／閉鎖的狀態(tài)，將整車解鎖／閉鎖的信號(hào)發(fā)送到充電系統(tǒng)的判定部件中。
5）人為的解鎖或閉鎖電子鎖的動(dòng)作通過(guò)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以看出來(lái)，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(shí)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(wú)法自動(dòng)解鎖，這種設(shè)計(jì)是為了防止用戶在無(wú)意識(shí)的情況下解鎖整車時(shí)同時(shí)也中斷了車輛充電。二是通過(guò)充電槍鎖手動(dòng)解鎖開關(guān)解鎖。三是通過(guò)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(tǒng)需要接到輸入信號(hào)后，首先終止充電，才能解鎖充電槍電子鎖。
總結(jié)以上信息，可以繪制出簡(jiǎn)單的系統(tǒng)原理，如圖4所示。
整車控制器作為處理整車信息最多的一個(gè)部件，將以上信息匯總后，通過(guò)上一部分總結(jié)的判定邏輯進(jìn)行判定，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作輸出。
3.2邏輯圖設(shè)計(jì)
按照本文上述內(nèi)容得出的設(shè)計(jì)目標(biāo)，大致可以規(guī)劃如下幾種邏輯判定圖。其中共同的要求為：車輛每次狀態(tài)進(jìn)行變化時(shí)或操作者每次操作后，對(duì)應(yīng)整車就要進(jìn)行一次執(zhí)行判定，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作輸出。
3.2.1閉鎖邏輯圖
圖5、圖6分別為主動(dòng)操作和跟隨操作的2種閉鎖情況。
圖5是主動(dòng)操作的簡(jiǎn)單說(shuō)明，即：當(dāng)用戶進(jìn)行充電槍插入的操作時(shí)，充電系統(tǒng)檢測(cè)到充電槍已連接，那么就驅(qū)動(dòng)電子鎖閉鎖。如果用戶具備插槍動(dòng)作，但沒(méi)有有效連接充電槍與車輛插座，這時(shí)，充電系統(tǒng)檢測(cè)不到充電槍有效連接，那么充電槍鎖不動(dòng)作。
圖6是跟隨操作的閉鎖情況，即：當(dāng)用戶進(jìn)行閉鎖整車的操作時(shí)，充電系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行充電槍連接檢測(cè)，如果充電槍已經(jīng)連接，那么在整車閉鎖的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)充電槍電子鎖閉鎖。但如果在閉鎖整車時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到充電槍的連接，那么充電槍電子鎖就不進(jìn)行閉鎖動(dòng)作。
車輛不管是即插即充或是預(yù)約充電，開始充電的動(dòng)作都是要在充電槍鎖閉鎖以后才能進(jìn)行。開始充電前都要進(jìn)行充電槍鎖閉鎖的檢測(cè)。但不屬于充電槍電子鎖的邏輯范圍，在此不進(jìn)行詳細(xì)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(dòng)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(dāng)車輛充電完成，需要檢測(cè)整車的解鎖／閉鎖狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到整車在閉鎖的情況下，那么充電槍電子鎖就不進(jìn)行解鎖，以防止非用戶主動(dòng)意愿而解鎖導(dǎo)致的意外斷開。也可以保證用戶在戶外充電時(shí)，車輛充滿后，電子鎖不會(huì)自動(dòng)解鎖，以防止充電線丟失。
當(dāng)車輛充電完成后，檢測(cè)到整車處于解鎖狀態(tài)，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(jīng)介紹解鎖的3種解鎖方式，第2種是室內(nèi)的手動(dòng)解鎖開關(guān)，第3種是遙控器上的遙控解鎖電子鎖的開關(guān)，這兩種輸入中的任何一種觸發(fā)后，充電系統(tǒng)立即按照如下邏輯（圖8）進(jìn)行解鎖判定。
當(dāng)充電系統(tǒng)接收到以上任何一種解鎖請(qǐng)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(tǒng)會(huì)發(fā)出停止充電的命令，等到停止充電后，再次進(jìn)行判定，如果車輛狀態(tài)為未充電，那么才會(huì)驅(qū)動(dòng)充電槍電子鎖解鎖。
當(dāng)充電系統(tǒng)接收到以上任何一種解鎖請(qǐng)求后，判定整車未在充電，那么就可以直接驅(qū)動(dòng)充電槍電子鎖進(jìn)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(dòng)解鎖的請(qǐng)求，且充電系統(tǒng)將充電槍電子鎖進(jìn)行解鎖后，保持系統(tǒng)喚醒狀態(tài)，如果2 min（可以進(jìn)行探討）后，用戶仍未進(jìn)行拔槍，則重新將電子鎖進(jìn)行閉鎖。這也是為了保證用戶在觸發(fā)解鎖操作后，忘記拔槍或改變主意而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。
4 總結(jié)
當(dāng)然，一個(gè)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單如文章所說(shuō)的就可以完全概括，還需要根據(jù)各自車輛的特殊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、電子部件的休眠／喚醒策略、整車原理等方面進(jìn)行綜合考慮。
所有電器功能邏輯，都是以實(shí)現(xiàn)功能為主線，兼具人性化設(shè)計(jì)，才能逐漸成為固化下來(lái)的設(shè)計(jì)依據(jù)，為后續(xù)同行提供參考。