保时捷工程助力电动车智能高压充电

高压充电管理是衡量插电式混合动力汽车和纯电动汽车客户满意度的一项关键标准。它能够识别充电功率、验证车辆与充电桩的匹配、与基础设施通信、控制充电盖板，并向客户的移动设备提供数据，最终在应用程序中显示已充电量。由此确保为用户带来舒适顺畅的充电体验，并保证其在各种日常和环境条件下均能稳定可靠地运行。

保时捷工程自 2011 年起便致力于开发先进的充电管理方案，并在此过程中积累了丰富的开发与安全保障专业知识。“我们在充电管理软件的开发过程中覆盖了 V 模型的所有阶段——从需求分析直至最终验证。这为我们的客户提供了快速且低成本的市场准入途径，”保时捷工程充电系统副项目经理多米尼克·朗根 (Dominik Langen) 解释道。

在大众汽车集团内，保时捷工程正以此种方式，作为高压充电管理的核心开发伙伴，支持插电式或电动驱动乘用车的开发。“我们的团队负责从需求定义、软件架构设计、软件功能建模、代码编写、软件集成到控制单元，直至台架测试在内的所有步骤，”朗根说。

至今，大众汽车集团旗下多个平台的 13 款车型均已搭载了经过个性化调适的充电管理解决方案。所有这些方案的基础始终是同一套软件系统，该系统可灵活地针对不同车型和目标市场进行定制。通过可调的软件参数，即可简单可靠地将程序写入控制单元。“这简化了汽车制造商的变型管理，因为所有电动和插电式车辆的充电设备控制器都采用统一的软件平台。仅在车辆制造时，才由工作人员通过设置特定参数来完成最终适配，”朗根表示。该方案的另一个优势是能够高效实现软件更新：新的程序代码只需一次性完成开发、测试与发布，即可适用于所有车型。

该软件系统本身采用模块化架构，由六个功能定义清晰的程序模块组成：高压充电管理 (HVLM)、智能充电功能 (ILF)、高层通信 (HLC)、操作与显示协议 (BAP)、充电管理安全功能 (CMSF) 以及增值服务 (VAS)。“通过模块化方案，我们在开发中能够统筹兼顾对充电管理的众多要求，并使其达到最佳协同效果，”保时捷工程充电系统项目经理纳伦德拉·库马尔·博拉加达 (Narendra Kumar Boorlagada) 说道。

其中部分要求是由硬件组件的技术规格所决定的。例如，电池的状态（如开始充电时的温度和剩余容量）对可存储的电量有显著影响，进而影响充电过程。简而言之，电池过冷、过热或接近充满时，能量流动速率便会减慢。此外，充电管理还提供便于最终客户充电并提升客户体验的功能。例如，高压充电管理模块会打开充电盖板，方便驾驶员插入充电电缆。同时，它还会激活车辆电子系统以进行充电。在充电桩进行认证时，客户不再需要信用卡，因为高层通信模块通过“即插即充”功能即可实现安全自动的身份识别。

充电过程中，系统会识别最大可用充电功率，并与基础设施交换信息。随后，操作与显示协议模块会将数据发送至客户的移动设备，客户即可通过应用程序查看电池电量和预计充电时间等信息。该系统的充电模式包括低功率交流充电、直流充电桩充电，直至功率高达数百千瓦的超快速充电。当车辆通过家用的壁挂充电盒充电时，高层通信模块与家庭能源系统之间的自动数据交换能有效防止家庭入户线路过载。

“充电连接的高度灵活性是我们最重要的开发目标之一。高层通信程序模块支持全球所有充电标准，例如GBT、GBT+、Chaoji、CHAdeMO、ISO15118 或 DIN EN 62196，确保客户能在世界各地无忧使用其电动汽车，”博拉加达解释道。开发过程中的一个挑战在于部分充电标准规范界定不够精确，导致在技术实现层面留有一定的解释空间。博拉加达：“在个别情况下，即使充电系统本身符合标准，但车辆与基础设施之间的通信仍可能出现故障。针对这类情况，我们通过一种兼容模式来保障最基本的充电功能得以实现。“倘若在充电过程中发生故障，充电管理安全功能模块会检测到故障并将系统切换到安全状态。增值服务模块提供的功能包括为线控控制与保护设备提供接口，使车辆能够通过标准的家用插座充电。

保时捷工程充电管理系统的核心构成要素在于充电计划的生成。该计划规定了在整个充电周期内，能量被充入电池的具体时间分布。默认情况下，充电管理系统在车辆连接充电站后，会尽快将车辆电池充电至最低 25% 的电量，以便为不可预见的突发出行需求预留足够的能量。“在此之后，我们的预测工具便开始生成充电计划。计划由多个时间段构成，每个时间段都设定了相应的充电功率。将这些时间段依次衔接，便构成了完整的充电计划，”保时捷工程充电计划专业项目经理诺贝特·梅利纳特 (Norbert Melinat) 解释道。在此过程中，充电管理必须确保一方面利用最经济的电价，另一方面在期望的时间点完成车辆充电。

为此，充电计划会综合考虑多种因素，例如当前电网负载、家庭太阳能系统等清洁能源的可用性，以及车辆自身的充电需求。举例而言，若家庭太阳能系统产生剩余能量，同时车辆电池具备可用容量，则该能量便可以被传输至车辆并储存起来。充电管理系统通过与充电基础设施的通信获取动态电价的实时信息。系统运用智能算法和实时数据，从这些信息矩阵中生成动态充电计划，该计划具备高度灵活性，可应对诸如基础设施短期内提供的能量不及预期等情况。计算出的充电曲线和预计充电时长会通过智能手机应用程序呈现给用户。“这种基于预测的方法有助于降低充电成本，同时能减轻电网负担，但也使得充电管理变得异常复杂，”梅利纳特说道。

在极低或极高环境温度下计算精确的充电计划是一项特殊挑战，因为在此类条件下，电池内的化学反应过程存在显著波动。为此，充电计划执行过程中通过一项监控功能来缓解此问题，该功能与主充电计划并行启动额外的计算线程并进行结果比对。“由此可提升整个充电过程的计划质量，充电时间的预估也会随之变得越来越精确，”梅利纳特说。此外，充电管理系统的开发实践经验表明，只专注于单一优化充电计划并不可行，因为充电策略有可能需要在充电过程中进行调整。

当用户在所谓的“定时充电”模式下设定了固定出发时间后，充电管理必须确保车辆电池无论如何、在任何情况下都能在预设时间内达到目标电量。因此，在此场景下，总充电时间被划分为几个子阶段。其中，主要阶段执行常规的充电计划。此阶段的结束时间以用户设定的出发时间为准，但通常会预留出 30 至 60 分钟的缓冲时间。这段缓冲时间用于在主要阶段未能达到充电目标时提供额外的充电裕量。紧随其后的第三阶段是车辆预调温。在此阶段，充电计划会采用降低的充电功率进行计算，因为充电系统需要同时满足空调系统所需的能量供给。

为了进行验证，专门搭建了硬件在环 (HiL) 测试台架，用于对软件进行自动化测试。“我们经验丰富的国际团队在 2021 至 2024 年间，成功交付了充电管理系统的下一个里程碑版本：即软件的完全重新设计，”博拉加达说。

旧的软件架构是经年累月逐步扩展而成，而新代码则将充电管理的所有功能（包括充电计划）紧凑地整合在一起，从而使得车载充电机控制单元上原本就很少的存储空间占用和计算速度得到了进一步优化。

保时捷工程在高压充电管理系统的开发与安全保障方面拥有全面的专业知识，这为汽车制造商提供了快速且低成本的市场准入途径。智能充电计划始终利用最经济的电价，并同时确保在期望的时间点完成车辆充电。

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2025年第1期。

文字：Richard Backhaus

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