电动汽车充电系统原理介绍

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电动汽车充电系统原理介绍 [复制链接]

1 简介

 

 

 

  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220V AC单向电或380V AC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。

图1 交流充电的组成

 

  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220V AC或380V AC，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220V AC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220V AC，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220V AC或380V AC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220V AC和380V AC，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380V AC。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。

图2 模式2充电的电气原理图

  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/T 18487.1-2015《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。

图3 模式3充电的电气原理图

 

 

 

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：

  ①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。

  ②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。

  ③车载充电机自唤醒后，唤醒VCU和BMS。

  ④VCU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。

  ⑤车载充电机反馈充电线束状态和供电设备信息给BMS。

  ⑥BMS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。

  ⑦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。

  ⑧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。

图4 交流充电过程视图

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380V AC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。

图5 直流充电的组成

  

  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/T 27930-2015《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380V AC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。

图6 模式4直流充电的电气原理图

 

  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/T 18487.1-2015《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：

  ①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。

  ②BMS检测CC2信号和通过S+和S-与直流充电桩进行信息交互。

  ③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。

  ④BMS自唤醒后唤醒VCU，车辆进入直流充电模式。

  ⑤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。

  ⑥BMS和直流充电桩进行信息交互。

  ⑦BMS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。

  ⑧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。

  ⑨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。

图7  直流充电过程视图

 

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。