广汽埃安公司研究者提出一种电动汽车充电插枪休眠设计与优化方法

  ）外，整车电控系统均会休眠，充电完成后，BMS应进入休眠保证整车电耗，但充电桩的唤醒信号通过未拔的充电枪持续连接车辆BMS，导致BMS无法休眠。针对这一问题，》上撰文。采用唤醒后释放唤醒源的转换电路，在BMS第一次接收到充电枪唤醒信号时唤醒BMS，后将唤醒信号复位，实现充电完成后BMS进入休眠模式，同时不可能影响其他唤醒源对BMS的唤醒，降低充电后整车的暗电流，优化客户使用体验。

  近年来，国家全力发展新能源汽车，实行节能减排政策，新能源电动汽车逐渐普及，电动汽车保有量持续不断的增加，充电成为电动汽车重要的使用场景和体验点，技术逐渐成熟，电池管理系统（battery management system, BMS）作为监控和管理新能源汽车动力电池的重要部件，也负责整车的充电管理。

  为提高用户使用体验和操作便捷性，新能源汽车在任何一个时间里插枪充电，整车均需进入充电流程，因此充电枪提供一个或多个信号对车辆进行唤醒。当充电枪插入车辆充电口后，充电枪内的唤醒信号输出到BMS，BMS检测到唤醒信号有效后，开始初始化开机，进入充电流程，充电结束后BMS检测满足休眠条件后进入休眠。

  目前，BMS存在一些工况（如唤醒源误唤醒等）会导致车辆暗电流偏大，严重时可能会引起车辆低压蓄电池馈电，或充电结束后某些操作无法唤醒BMS，致使车辆起动延时甚至异常。文献提出在检测到低压蓄电池电量低时，启用动力锂电池为蓄电池充电，防止其馈电，但该方法只能作为暗电流偏大的补救措施，未从根本上解决暗电流大的问题。对充电桩或充电枪连接BMS的唤醒信号做处理是解决BMS暗电流问题的关键，因此本文对此进行优化设计。

  对于电网功率小的位置，如小区车位、用户自家停车位等，交流慢充提供了此类场景下电能补给的解决方案。交流充电桩控制引导原理如图1所示，其中CC为连枪确认信号，CP为充电状态信号，将这两个信号连接至BMS的IO口进行检测。

  当充电枪完全插入且连接可靠时，CC信号钟的开关S3闭合，即将电阻RC接地。对于BMS检测，CC信号的接地阻值由悬空变为RC。另外，在充电枪插入前CP信号未连上，BMS检测为0V，充电枪插入后，CP信号的12V信号连接BMS。

  公共充电桩市场以快充为主，以缓解电动汽车快速补能焦虑。直流充电桩控制引导原理如图2所示，其中S+和S-为控制器局域网（controller area network, CAN）通信，A+和A-为充电桩给车辆的12V辅助电源，CC2为连枪确认信号，将A+和CC2信号连接至BMS的IO口进行检测。

  当充电枪完全插入充电口时，下拉电阻R3接入车辆。对于BMS检测，CC2信号由开路变为对地电阻R3状态；确认充电枪完全插入后，充电桩的K3、K4闭合，即A+、A-的辅助电源12V连接至充电口，由于设计A+、A-接入BMS，所以此时BMS可以检测到A+电压为12V。

  慢充和快充均设计了两个信号作为唤醒信号，以此来实现冗余设计，保证唤醒的可靠性。针对该唤醒电路，本文设计一个分支电路如图3所示，当BMS检测到该分支电路信号时，也将其作为唤醒源。

  唤醒信号在BMS内唤醒BMS电源，电源给微控制器（microcontroller unit,MCU）和其他电路供电，BMS开始工作；同时，MCU也能控制唤醒电路来维持唤醒状态和休眠决策。

  本文使用带使能脚的电源芯片，线性稳压器（low dropout regulator,LDO）或BUCK DC-DC芯片均可，目的是将汽车的12V蓄电池电源电压降到5V或3.3V，给BMS内部芯片供电。带休眠唤醒的电源电路如图4所示，使能脚即图4中EN脚，该引脚的作用是：若为高电平，则电源芯片工作，输出5V或3.3V；若为低电平0V，则电源芯片停止工作，输出电源电压为0V。将使能脚连接唤醒信号，则可实现用唤醒信号来控制BMS电源的开启和关闭，来保证BMS在休眠时功耗极低。

  如本文1.3节所述，唤醒信号源有多个，且BMS还需连接除充电枪以外的唤醒源，如汽车钥匙信号、CAN管理唤醒信号等，因此在BMS电源芯片的使能脚外围设计一个简单的或门电路，即每个信号串联二极管，多个唤醒信号中任一个为高电平时，均可将电源芯片的使能脚电平拉高，且每个唤醒信号之间互不干扰。多个唤醒信号合一电路如图5所示。

  经过实车测试发现，以上所述唤醒电路存在一个缺陷，即当车辆充电完成后，充电桩停止充电，此时为保证整车功耗，BMS应休眠，但用户不会立即拔下充电枪，导致充电枪连枪确认信号（CC、CC2）一直存在，无法将BMS电源关闭，致使整车功耗无法达到一定的要求，长时间不拔枪可能会引起蓄电池馈电，或需要启用车辆的动力电池为其供电，因此本文通过优化BMS的唤醒信号电路，实现唤醒源不被占用且可自控的功能。

  本文设计一个单脉冲信号转换电路如图6所示，可将一个上升沿或下降沿信号转换为一个短时间脉冲信号。电路总体思路为：信号接入后控制一个开关管（三极管或场效应管）的门极，但中间串联一个电阻加电容传输跳变的信号，当信号发生明显的变化（上升沿或下降沿）时电容两端电压发生明显的变化，使开关管导通或截止，一小段时间后，电容充放电结束，电容两端电压回到正常状态，开关管恢复原始状态。

  因此，无论前级唤醒源是否维持（如充电枪是否一直插枪或遇到坏桩导致充电结束，充电状态信号不关闭），对于BMS内部唤醒信号，只有一段时间的置位，后恢复原始状态，释放唤醒信号回路，为下一次唤醒提供通路。这样既不影响BMS休眠，也不影响后续其他唤醒源再次唤醒BMS。

  3.1节所述电路还存在一个问题，即转换后的唤醒信号恢复原始状态后，BMS的上电唤醒状态也会置位（即休眠），因此本文设计一个如图7所示的自保持/自杀电路来控制BMS的工作状态。本文在唤醒源信号末端增加一个串联电阻和一个上拉电阻，如R1、R2及其电路，电阻R1连接电路内部唤醒后的5V/3.3V电源，当电路唤醒后，VCC上电，此时该唤醒口电平被该上拉电阻强行拉高。

  本文还设计了一个MCU的IO口连接该唤醒口，如图7中电阻R3及其电路。当BMS需要休眠时，MCU软件控制该IO口输出电平，唤醒口的电平被IO口强行拉低，实现断电休眠。此电路既能保证前级多个唤醒信号的释放，不会导致BMS进入休眠，还能保证BMS的休眠由MCU软件控制。

  将图6和图7所示电路组合，前者将唤醒源释放，后者在BMS被唤醒后利用软件将其维持在唤醒状态，因此即便充电枪唤醒信号丢失，比如开路、短路等状况，BMS均不会休眠，仍可维持正常工作，其软件也可正常控制自身休眠，使BMS对唤醒源的容错率大大提高。

  本文设计的BMS唤醒与休眠流程如图8所示，当充电枪插入车辆充电口后，充电连接确认信号和充电状态信号均被接入汽车BMS，拉高BMS内部电源的EN脚电平，BMS内部电源启动，MCU开机，并立即将自保持IO口电平拉高，保持电源EN脚高电平，此时因唤醒转换电路的存在，外部唤醒源的信号恢复原始状态，以保证唤醒源电路不被占用；当充电结束后，BMS的MCU判断充电流程完成，拉低自保持IO口电平，BMS休眠，此时若其他唤醒源唤醒车辆，如手机APP远程唤醒、钥匙遥控车辆解锁撤防、用户重新拔插充电枪等，均能够顺利唤醒BMS，实现本文预期功能。

  唤醒源信号转换电路是实现本文优化功能的核心电路，因此对其进行仿真分析。仿线所示电路能将电平信号转换为时长为1ms的单脉冲信号。单脉冲信号转换电路仿线所示。

  本文所设计的整个休眠唤醒电路系统应用于广汽埃安新一代BMS平台，通过对电池包进行整包实测，唤醒源电路与图9所示仿真结果相同，BMS可被各路唤醒源唤醒并保持唤醒状态，由MCU中的软件控制是否休眠，且保持插枪时或唤醒源持续输出唤醒信号时，BMS可以正常休眠，休眠后各个唤醒源均能再次唤醒BMS。电池包实测如图10所示。

  通过实测，如果BMS电源使能脚不关闭，仅软件控制程序和其他模块休眠，整车暗电流最低为10mA左右，而本文设计的电路休眠后具备超低功耗，暗电流小于0.2mA，远低于行业标准1mA的暗电流要求。

  通过整车充电工况测试，模拟用户实际使用情况。整车休眠后，充电枪插入唤醒车辆，唤醒BMS，车辆开始充电；充电结束后，保持插枪状态时，整车暗电流与整车休眠时的暗电流相同，说明整车全部电控单元均成功地进入休眠模式；进行各唤醒源操作，如APP远程起动车辆、手动按下点火按钮、拔枪再插枪，车辆均稳定起动。整车充电控制逻辑如图11所示。

  此外，还对其他工况进行有关测试，如非休眠状态插枪充电、充电结束后未休眠时立刻对车辆做相关操作等，测试结果均符合预期。

  目前，该BMS平台已应用于广汽埃安AION S PLUS车型，经过一系列完整的整车功能、性能及耐久测试，均可稳定工作。该车型及该BMS已量产，出货量达数万台，得到了市场验证。

  本文以BMS的电源使能脚电路为基础，优化设计了一套电路系统，实现了以下功能：

  2）唤醒信号实现了单脉冲转换，将稳定的电平信号转换为单个脉冲信号，实现了唤醒信号唤醒BMS后，唤醒信号回路释放，为下一次唤醒提供通路。

  3）该唤醒电路具备自保持功能，整机是否休眠由软件控制，实现了软件处理完所有事件再休眠，可保证BMS休眠逻辑的正确性。

  上述功能实现了整车可以插枪唤醒，充满电后，整车超低功耗休眠，且可再次被唤醒。本文设计改善了用户使用感受，已完成了样机、整包、整车验证，并实现量产，市场反馈良好。

  本工作成果发表在2023年第12期《电气技术》，论文标题为“电动汽车充电插枪休眠设计与优化”，作者为李斌、王定强。