电动汽车的充电系统探究

电动汽车的充电系统探究电动汽车的充电系统探究 2019/10/08 摘要：文章主要介绍纯电动汽车的充电系统，包括交流充电系统和直流充电系统，简述两种充电系统的组成部件、电气原理和控制策略，作为后续设计提供参考。关键词：电动汽车；充电系统；工作模式；车载充电机；充电接口1前言随着纯电动汽车的使用越来越广，充电需求越来越多，市场对车辆的充电安全性和便利性提出越来越高的要求，便利、安全且快速的充电是市场对车辆的一致需求。本文主要介绍纯电动汽车的充电系统的组成、电气原理和控制策略。纯电动汽车的充电系统方式主要有两种，一是交流充电方式，即为慢充，二是直流充电方式，即为快充，两种充电方式的组成、电气原理和控制方式各不相同。2交流充电系统2.1交流充电的组成交流充电指电网输入给车辆的电压为交流电，可以是220VAC单向电或380VAC三相电。交流电通过标准充电插头和充电插座，进入车载充电机，车载充电机再把交流电转化为直流电，给动力电池充电，完成基本的交流充电。交流充电的部件主要有车载充电机、交流充电插座（交流充电插座线束）、充电线、交流充电桩或220V交流电源和车辆控制器（VCU、BMS）等组成，如图1为各部件示图。其中交流充电插座和车载充电机固定在车辆上，充电线随车配送，交流充电桩固定在停车场，各部件的作用如下：（1）车载充电机是交流充电系统的关键部件，其根据控制指令把交流电转化为直流电给电池充电。（2）交流充电插座是国家标准件，是车辆连接外部电网的接口，其接口有2个信号回路，1个接地回路，1个零线回路和3个火线回路，共7个接口，根据输入的电压是220VAC或380VAC，应用相应的火线接口。（3）车辆控制器是实施监控车辆的状态，并发出控制指令给车载充电机，使其工作或停止工作，控制其工作电流和电压等，是车辆充电的控制大脑。（4）模式2充电线是连接外部电网和车辆的充电线，直接给车载充电机提供220VAC电源。其线缆上的功能盒可检测车辆和电网状态，连接或断开给车辆的供电，具有一定的保护功能。根据标准要求其输入的充电电流限制在13A以内，输入电压为220VAC，所以采用模式2的充电线充电时，车载充电机的输入最大功率为2860W，即充电时间会延长。（5）交流充电桩也是车辆连接外部电网的部件，直接给车载充电机提供220VAC或380VAC电源。其也具有检测车辆和电网状态，连接或断开给车辆供电的功能。充电桩的供电电压有220VAC和380VAC，根据充电桩的输出功率而定。根据标准要求，如交流充电桩的输出电流大于32A时，供电电压必须采用380VAC。因此采用交流充电桩充电时，充电功率较大，即充电时间会缩短。2.2交流充电的电气原理交流充电方式总共有三种充电模式，分别为模式1、模式2和模式3。根据国家标准要求和充电安全，其中模式1严禁使用，模式3一般采用连接方式C的模式，其模式2和模式3连接方式C的交流充电工作原理电气图如图2和图3所示。交流充电是国家标准的充电方式，其电气原理图、检测和控制要满足标准GB/T18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求的要求，如图2和图3所示。除了满足国家标准要求外，不同汽车厂会根据项目需求，增加充电提示或显示的功能，方便客户的查看充电状态。根据标准要求，CC信号是充电插头和充电插座是否连接的判断信号，同时车辆根据CC的信号值，判断RC阻值，确定线束的容量。CP信号是判断供电设备的供电能力，通过PWM值确定。电气原理图中的各电阻值和PWM值都必须满足标准要求，且控制器必须按照标准进行判断，以满足车辆在市场上的充电需求。2.3交流充电的控制策略根据图2和图3所示，无论是模式2还是模式3，原理图基本相同，只是电网的交流供电方式不同。以某项目的为例，简述其控制策略，其电气原理图、检测和控制即满足标准要求，同时为了便于客户使用，交流充电的控制策略和顺序如下：车载充电机检测CC和CP信号，车载充电机可根据CC信号判断充电线的容量，根据CP信号，判断供电设备的供电能力。车辆处于休眠或停车状态时，当充电插头插上充电插座时，车载充电机检测到CC或CP，自身唤醒。车载充电机自唤醒后，唤醒VCU和BMS。VCU和BMS被唤醒后，开始进入交流充电模式，并检测车辆状态，即车辆是否有故障，电池是否满电。车载充电机反馈充电线束状态和供电设备信息给BMS。BMS根据车载充电机反馈的信息和车辆的状态，发送开始充电或停止充电指令给车载充电机。充电线或交流充电桩的供电控制装置，通过CP信号判断车辆状态，连接或断开K1和K2，即连接或断开交流电的输入。车载充电机根据接收到的指令，开始或停止工作，给车辆充电或停止充电进入休眠。以上是充电过程的控制简述，而在整个充电的伊始，车辆和交流充电桩（或充电线）都会先判断充电接口是否连接完好，车辆才会判断是否启动充电，所以客户必须插抢到位，此也是为了保证充电安全。在使用上，客户只需插抢，无需执行其他操作，车辆随即进入充电模式，开始充电，提高了客户使用的便利性。在实际使用中，如果车辆在充电过程，当电网没有电时，车辆会自动进入休眠，减少自身的能耗；当又来电时，车辆也会自动唤醒，并检测车辆状态，如车辆未满电时会继续充电，如已满电，会停止充电并进入休眠，减少能量消耗。例如模式3充电方式，其充电过程的电压变化如图4所示。3直流充电系统3.1直流充电的组成直流充电是指外部电网输入给车辆的电压为直流电，即直流充电桩把380VAC三相电转化为直流电，通过标准直流充电插头和充电插座输送给车辆，直接给动力电池充电，完成基本的直流充电。直流充电的部件主要有直流充电插座（直流充电插座线束）、车辆控制器（VCU、BMS）和直流充电桩等，如图5所示。其中直流充电插座固定在车辆上，直接连接动力电池，直流充电桩固定在停车场，各部件的作用如下：（1）直流充电插座是国家标准件，是车辆连接外部电网的接口，其有1路CAN通讯回路（2个接口），1路低压辅助供电回路（2个接口），2个信号回路，1个接地回路和1正1负的2个高压回路，共9个接口。（2）车辆控制器是实时监控车辆状态，并根据国家标准GB/T27930-2015电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议协议格式和内容，发出控制指令给直流充电桩，使其工作或停止工作，控制其输出电流和电压等，是车辆充电的控制大脑。（3）直流充电桩是一个大功率的非车载充电机，其把380VAC交流电转化为直流电后，通过标准充电插头和充电插座连接，直接给动力电池充电。其工作功率一般都较大，因此大大缩短充电时间。3.2直流充电的电气原理直流充电方式只有一种模式，即为国标所述的充电模式4，其电气原理图如图6所示。直流充电是国家标准的充电方式，其电气原理图、检测和控制要满足标准GB/T18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求的要求，如图6所示。根据标准要求，CC1信号是直流充电桩判断充电插头和充电插座是否连接的信号；CC2是车辆判断充电插头和插座是否连接的信号；S+和S-是CAN信号通道；A+和A-是辅助电源，以乘用车为例是12V，以大巴车为例是24V。直流充电桩可通过A+和A-提供辅助电源，但在标准里并未强调一定要使用此辅助电源，车辆可根据实际需求应用。电气原理图中的各电阻值都必须满足标准要求，且控制器必须按照标准进行判断，以满足车辆在市场上的充电需求。3.3直流充电的控制策略直流充电的电气原理图不仅要满足标准要求，且与车辆的控制器的通讯协议也必须符合国标格式和内容，车辆才可实现在市场上充电。以某个项目为例，充电是给动力电池充电，为了便于执行控制，直接使用动力电池的BMS与直流充电桩进行信息交互和检测，VCU只作为辅助判断，其控制策略和顺序如下：车辆未使用A+和A-辅助电源，因为此电源为车辆外部电压，其可靠性不稳定，因此未使用。BMS检测CC2信号和通过S+和S-与直流充电桩进行信息交互。车辆在休眠或停车状态时，当直流充电插头和直流充电插座插合时，BMS检测到CC2信号，自唤醒。BMS自唤醒后唤醒VCU，车辆进入直流充电模式。直流充电桩通过检测到CC1信号，判断充电插座和插头是否连接完全。BMS和直流充电桩进行信息交互。BMS根据直流充电桩反馈的信息和车辆状态进行判断，发送开始充电或停止充电给直流充电桩。直流充电桩根据CC1信号和BMS反馈信息，执行充电或停止充电。当充电完成或停止充电后，整车进入休眠，减少能量的消耗。以上是简单的控制过程，在使用和操作要求上与交流充电相似。但直流充电过程，当停止充电后，需重新拔枪再插抢，才可进行第二次充电，此方式区别于交流充电，也是为了保证充电安全。其充电过程的电压变化如图7所示。4总结无论是纯电动汽车或可充电混合动力汽车的充电系统，基本都按照标准要求执行，才能满足车辆在市场上的充电需求。交流充电电流相对较小，有利于电池的使用寿命，且不易过热和发生故障。直流充电虽然能更快的完成充电，但对车辆的电池损伤较大，也易发生过热，从而起火，因此建议车辆多采用交流充电模式，可有效延长电池寿命和减少事故发生。除了标准要求外，车辆控制器需实时监控车辆的状态，例如电池是否过热、过压、过充、过流、绝缘阻值是否下降等，是整车厂需要完善的控制策略，以保证充电安全。参考文献1GB/T18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求.2GB/T20234.1-2015电动汽车传导充电用连接装置第1部分:通用要求.3GB/T20234.2-2015电动汽车传导充电用连接装置第2部分:交流充电接口.4GB/T20234.3-2015电动汽车传导充电用连接装置第3部分:直流充电接口.5GB/T27930-2015电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议.