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谈电动汽车的充电系统

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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: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。

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: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。

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

[1]GB/T18487.1-2015《电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》.

[2]GB/T20234.1-2015《电动汽车传导充电用连接装置第1部分:通用要求》.

[3]GB/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》.

[4]GB/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》.

[5]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》.

作者:李新茹 单位:一汽海马汽车有限公司

谈电动汽车的充电系统责任编辑:张雨    阅读:人次
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