純電動汽車充電系統(tǒng)認識

純電動汽車充電系統(tǒng)認識目錄充電系統(tǒng)概述1充電系統(tǒng)關鍵部件2充電系統(tǒng)學習目標任務一充電系統(tǒng)概述1.了解充放電C率、時率的基本概念。2.掌握電動汽車常用的充電方法。3.熟知電動汽車的慢速充電系統(tǒng)。4.熟知電動汽車的快速充電系統(tǒng)。1.電動汽車充電系統(tǒng)電動汽車充電系統(tǒng)是維持電動汽車運行的能源補給設施，是從供電電源提取能量對動力電池充電時使用的有特定功能的電力轉(zhuǎn)換裝置。主要包括交流（慢速）充電系統(tǒng)和直流（快速）充電系統(tǒng)，電動汽車充電系統(tǒng)如圖4-1所示。一、

電動汽車充電系統(tǒng)概述電動汽車對充電系統(tǒng)的基本要求如下：（1）安全性包括人員的人身安全和動力電池的安全。（2）易用性具有較高的智能性，不需要操作人員過多干預充電過程。（3）經(jīng)濟性價格低廉、性能優(yōu)異的充電設備有助于降低整個電動汽車的成本，促進電動汽車的商業(yè)化推廣。（4）高效性高效率是對現(xiàn)代電動汽車充電系統(tǒng)的重要要求之一。（5）低污染性采用電力電子技術的充電設備是一種高度非線性的設備，會對供電網(wǎng)及其他供電設備產(chǎn)生有害的諧波污染，而且由于充電設備功率因數(shù)低，在充電系統(tǒng)負載增加時，對供電網(wǎng)的影響也不容忽視。2.電動汽車充放電速率的表示方法（1）C率C率又稱倍率，是指電池在規(guī)定時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，即：C率=充放電電流（A）/額定容量（A·h）其數(shù)值為電池額定容量的倍數(shù)。例如：額定容量為100A·h的電池用20A放電時，其放電倍率為0.2C。電池放電C率是表示放電快慢的一種量度。所用的容量1小時放電完畢，稱為1C放電；5小時放電完畢，則稱為1/5=0.2C放電。（2）時率時率又稱小時率，是電池以一定的電流放完其額定容量所需要的小時數(shù)，即時率（h）=電池的額定容量（A·h）/規(guī)定的充放電電流（A），充放電時間表示的充放電速率。例如：電池額定容量為C20=12A·h，則表示電池應以12/20=0.6A的電流放電，連續(xù)達到20h者即為合格。二、慢速充電系統(tǒng)慢速充電系統(tǒng)通過慢速充電線束（家用慢速充電線束、充電樁慢速充電線束）與220V家用交流插座或交流充電樁相連為動力電池進行充電；慢速充電系統(tǒng)將220V交流電轉(zhuǎn)化為直流電，以實現(xiàn)動力電池的電能補給。1.慢速充電系統(tǒng)構(gòu)成組成：由供電設備（交流充電樁或家用交流電源）、車載充電機、慢充充電口、充電槍、高壓線束、低壓控制線束、高壓控制盒、動力電池、整車控制器（VCU）等部件組成，慢速充電系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-2所示。圖4-2慢速充電系統(tǒng)構(gòu)成交流充電樁：采用傳導方式為具有車載充電機的電動汽車提供交流電能，提供人機操作界面和交流充電接口，并具備相應保護功能的專用裝置，如圖4-3所示。交流充電樁可應用在各種大、中、小型電動汽車充電站中。特點：充電功率較小，電池充電時間較長，可充分利用低谷時段充電。圖4-3交流充電樁2.慢速充電接口適用于電動汽車傳導充電使用，其接口功能定義執(zhí)行國家標準GBT20234.2-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置》規(guī)定，參見表4-1。表4-1慢速充電接口的額定值額定電壓V額定電流A2501632北汽EV200的慢充充電口位于傳統(tǒng)汽車的油箱口部位，打開充電蓋后可以看到充電插頭為7孔式，其供電觸頭布置方式如圖4-4所示。注意：不充電時禁止打開充電蓋。慢充充電接口電氣參數(shù)和功能定義如表4-2所示。表4-2慢充充電接口各觸頭功能定義觸頭編號/標識功能定義1-（L）交流電源2-（NC1）備用觸頭3-（NC2）備用觸頭4-（N）中線5-（PE）保護接地(PE)，連接供電設備地線和車輛底盤地線6-（CC）充電連接確認7-（CP）控制確認（1）慢速充電系統(tǒng)對充電條件的要求

充電線連接確認信號正常；充電機供電電源正常（包括220V和12V）及充電機工作正常；充電喚醒信號輸出正常（12V）；充電樁、整車控制器（VCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）之間通信正常；動力電池電芯溫度在5℃～45℃之間；單體電池最高電壓與最低電壓差小于0.3V；單體電池最高溫度與最低溫度差小于15℃；絕緣性能大于20MΩ；實際單體最高電壓不大于額定單體電壓0.4V；高、低壓電路連接正常。3.慢速充電工作原理

交流充電樁（或家用16A供電插座）提供的交流電經(jīng)車載充電機整流、濾波、升壓后轉(zhuǎn)換為高壓直流電壓，通過高壓控制盒連接到動力電池，慢速充電系統(tǒng)工作原理如圖4-5所示。（2）慢速充電系統(tǒng)工作過程圖4-5慢速充電系統(tǒng)工作原理（1）交流供電

（2）充電喚醒

（3）BMS檢測充電需求

（4）BMS發(fā)送充電指令

（5）充電過程

（6）停止充電三、

快速充電系統(tǒng)1.快速充電系統(tǒng)構(gòu)成主要由快速充電樁（直流充電樁）、快充接口、高壓控制盒、動力電池、整車控制器、高壓線束和低壓控制線束等組成。直流充電樁及高壓控制盒如圖4-6所示。圖4-6直流充電樁及高壓控制盒2.快充充電接口

直流充電樁的充電接口是充電樁與電動汽車快充充電口進行物理連接，完成充電和控制引導的連接器。直流充電樁與電動汽車的充電接口功能定義執(zhí)行國家標準GB/T20234.3-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置》的規(guī)定，如表4-3所示。北汽EV200的快充充電口位于車頭前部正中間位置，如圖4-7所示。額定電壓V額定電流A750125250表4-3直流充電接口額定值快速充電口圖4-7快充充電口位置圖4-8快充充電口針腳名稱表4-4快充充電接口各觸頭功能定義觸頭編號/標識功能定義1—(DC+)直流電源正，連接直流電源正與電池正極。2—(DC—)直流電源負，連接直流電源負與電池負極。3—()保護接地(PE)，連接供電設備地線和車輛底盤地線。4—(S+)充電通信CAN_H，連接非車載充電機與電動汽車的通信線，用于實現(xiàn)汽車BMS控制器與充電樁控制器通訊；5—(S—)充電通信CAN_L，連接非車載充電機與電動汽車的通信線。6—(CC1)充電連接確認l，連接確認，用于實現(xiàn)充電插頭插入插座連接完好；7—(CC2)充電連接確認2，連接確認，用于實現(xiàn)充電插頭插入插座連接完好；。8—(A+)低壓輔助電源正，連接非車載充電機為電動汽車提供的低壓輔助電源。用于在汽車12伏蓄電池不能工作時保證給汽車上的控制器供電（例如BMS等控制器和繼電器等供電）。9—(A—)低壓輔助電源負，連接非車載充電機為電動汽車提供的低壓輔助電源。3.快速充電工作原理圖4-9快速充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成（1）直流供電

（2）充電喚醒

（3）BMS檢測充電（4）BMS發(fā)送充電（5）充電過程

（6）停止充電控制流程直流充電樁結(jié)構(gòu)組成直流充電模塊直流充電系統(tǒng)通常由若干充電模塊組成。直流充電樁工作原理直流充電機模型（參考ZLG致遠電子）S開關：充電槍上的常閉開關，與直流充電槍頭上的按鍵（機械鎖）相關聯(lián)；U1、U2:12V上拉電壓；R1～R5：阻值標稱為1KΩ的電阻；R1、R2、R3：在充電槍上；R4、R5：在車輛插座上；K3、K4：左側(cè)為12V直流電源，用于給汽車上12V用電的BMS、直流隔離繼電器K5、K6等供電，防止12V蓄電池電量不足而不能供電。車輛接口連接確認階段檢測點1：電平從12V6V4V的連續(xù)變化。CC1：當充電樁的非車載控制裝置檢測到4V電壓，即判斷為充電槍接入成功，車輛接口完全連接，充電槍中的電子鎖鎖定，防止槍頭脫落。CC2：接通R3和R5串聯(lián)分壓12V，檢測點2電壓為6V，BMS判斷充電槍插入到充電插座中。直流充電樁自檢階段（參考ZLG致遠電子）車輛連接完好后：K3、K4閉合，12V低壓輔助供電回路導通，為BMS供電；檢測點2：電壓值為6V；BMS：周期性發(fā)送通信握手報文；K1、K2：閉合，并進行絕緣檢測。絕緣檢測：檢測DC+、DC-、PE之間線路的絕緣性能，保證后續(xù)充電過程的安全性。充電樁準備就緒階段（參考ZLG致遠電子）過程:電動汽車與直流充電樁相互配置，K5、K6閉合，使充電回路導通，充電樁檢測充電電壓正常（與通信報文描述的電池電壓誤差不大于±5%且在充電樁輸出最大與最小電壓的范圍內(nèi)），閉合K1、K2，直流充電線路導通，開始充電。充電樁充電階段（參考ZLG致遠電子）BMS向充電樁充電控制裝置實時發(fā)送電池充電需求的參數(shù)，根據(jù)此參數(shù)實時調(diào)整充電電壓和電流，并相互發(fā)動各自的狀態(tài)信息（比如充電樁輸出電壓、電流、車輛電池的電壓、電流SOC率等）充電樁充電結(jié)束階段（參考ZLG致遠電子）BMS檢測到充電電流小于5A，動力電池已達到充滿狀態(tài)充電樁發(fā)送“充電樁終止充電”報文充電結(jié)束，先斷開K1、K2，再斷開K3、K4，停止向汽車供給12V電壓。學習目標任務二充電系統(tǒng)關鍵部件1.認識電動汽車充電機。2.認識DC/DC變換器。3.了解高壓控制盒的作用。一、

充電機1.充電機的分類（1）車載充電機（2）地面充電機（3）感應式充電機圖4-10車載充電機與充電電源連接（1）車載充電機

車載充電機固定安裝在電動汽車上，當需要充電時通過電纜與地面交流電源連接完成充電，由于只需將車載充電機的插頭插接到停車場或其附近的交流電源插座上或?qū)Ｓ玫某潆姌渡霞纯蛇M行充電，因此車載充電機又稱交流充電機。圖4-11地面充電機充電連接（2）地面充電機

地面充電機又稱直流充電機，指采用直流充電模式為電動汽車動力電池總成進行充電的充電機。直流充電模式是以充電機輸出的可控直流電源直接對動力電池總成進行充電。圖4-12感應式充電機充電原理（3）感應式充電機

利用電磁感應耦合方式向電動汽車傳輸電能，兩者之間沒有實際的物理連接（即無線充電）圖4-13移動式感應充電2.車載充電機的功能功能：采用高頻開關電源技術，主要功能是將交流220V市電轉(zhuǎn)換為高壓直流電給動力電池進行充電，保證車輛正常行駛。工作過程：需要協(xié)調(diào)充電樁、電池管理系統(tǒng)（BMS）等部件，同時提供相應的保護功能，包括過壓、欠壓、過流、欠流等多種保護措施，當充電系統(tǒng)出現(xiàn)異常會及時切斷供電。表4-5車載充電機的供電功能電源功能高壓直流電經(jīng)高壓控制盒，為動力電池充電低壓直流電充電時BMS、VCU、儀表等用電通信形式功能與BMS通信BMS控制車載充電機的工作狀態(tài)（工作模式指令、動力電池允許最大電壓、充電允許最大電流、加熱狀態(tài)電流值等），同時車載充電機將充電狀態(tài)（單體電壓、總電壓、溫度、電流等）發(fā)送給BMS與車輛監(jiān)控系統(tǒng)通信通過通信系統(tǒng)將充電狀態(tài)（電壓、電流等）發(fā)送到車輛儀表或監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷通過通信系統(tǒng)將車載充電機內(nèi)部的故障信息發(fā)送到CAN網(wǎng)絡，可以通過診斷儀或CAN卡讀出數(shù)據(jù)表4-7車載充電機的通信功能保護形式保護條件輸出過壓保護輸出大于等于設定電壓值時關閉輸出輸出過流保護輸出電流大于設定電流值時關閉輸出短路保護輸出短路時，充電機自動進入輸出限流保護或關閉狀態(tài)，故障排除后，自動恢復工作過溫保護當溫度超過過溫保護值時，充電機自動進入過溫保護狀態(tài)，當溫度恢復正常后，自動恢復工作狀態(tài)輸入過壓保護輸入大于等于設定電壓值時關閉輸出輸入欠壓報警輸入小于等于設定電壓值時可關閉輸出或降低輸出功率表4-6車載充電機的保護功能3.車載充電機的結(jié)構(gòu)車載充電機接口：由交流輸入端、直流輸入端、低壓通信端組成車載充電機位置車載充電機接口（1）交流輸入端：連接從交流充電插座進來的連接器；交流輸入端各針腳含義如圖4-17所示。圖4-17交流輸入端接口針腳（2）直流輸出端車載充電機輸出到電池的部分；直流輸出端各針腳含義如圖4-18所示。圖4-18直流輸出端接口針腳（3）低壓通信端車載充電機與電池管理系統(tǒng)（BMS）和外部連接的低壓接口；低壓通信端各針腳如圖4-19所示，底端一排從右向左分別為針腳1～8，上端一排從右向左分別為針腳9～16。圖4-19低壓通信端接口針腳低壓控制端各針腳含義：1腳：新能源CAN_L2腳：新能源CAN_GND5腳：互鎖輸出（到高壓盒低壓插件）8腳：GND9腳：新能源CAN_H11腳：CC信號輸出13腳：互鎖輸入（到空調(diào)壓縮機低壓插件）15腳：12V+OUT16腳：12V+IN4.車載充電機的工作原理以北汽EV200車載充電機為例：

采用高頻開關電源技術，具有過壓、欠壓、過流、欠流等保護措施，當充電系統(tǒng)出現(xiàn)異常會及時切斷供電。

車載充電機內(nèi)部可分為3部分：主電路、控制電路、線束及標準件。圖4-20車載充電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)車載充電機工作過程：01整流電路將輸入的220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動電流02經(jīng)過PFC電路（功率因素校正模塊）后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?3進行逆變升壓04將變壓器輸出的交變電流整流濾波后輸入動力電池進行充電。充電過程中充電機根據(jù)接受整車控制器（VCU）或電池管理系統(tǒng)（BMS）發(fā)送的充電電壓、充電電流等指令進行工作。表4-8車載充電機參數(shù)項目名稱參數(shù)值輸入電壓220V±15%AC輸出電壓240V-410VDC效率滿載大于90%冷卻方式風冷防護等級IP66二、DC/DC變換器1.DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)組成電動汽車中的DC/DC變換器（又稱“變壓器”）位于機艙內(nèi)，在高壓控制盒與車載充電機之間，主要用于將動力電池的高壓直流電轉(zhuǎn)換為12V低壓直流電給蓄電池及整車低壓用電系統(tǒng)供電。圖4-21DC/DC變換器位置示意DC/DC變換器共有4處接線口，分別為：低壓輸出負極、低壓輸出正極、低壓控制端、高壓輸入端圖4-22DC/DC變換器接線口連接部件A腳：控制電路電源正兼使能（直流12V啟動，0～1V關機）B腳：電源狀態(tài)信號輸出（故障線，故障：12V高電平，正常：低電平）C腳：控制電路電源圖4-23高壓輸入端各針腳含義圖4-24低壓控制端接口針腳1．升壓型和降壓型2．全橋型和半橋型3．非絕緣型和絕緣型4．單向DC/DC和雙向DC/DCDC/DC轉(zhuǎn)換器分類1.降壓轉(zhuǎn)換器作用：將高壓鋰離子（或鎳氫電池）電池的電壓降壓為12V或24V的電壓等級，為12V或24V電系負載供電。2.升壓轉(zhuǎn)換器（1）對動力電池電壓進行升壓：采用DC/DC轉(zhuǎn)換器將蓄電池高壓升為更高的直流電壓來驅(qū)動電機，可提高系統(tǒng)的工作效率。（2）對12V鉛酸電池進行升壓：在高壓蓄電池容量不能驅(qū)動汽車時，為了讓汽車能開離路面，防止阻塞交通。而采用DC/DC轉(zhuǎn)換器將12V/24V鉛酸蓄電池電壓升為高壓鋰離子（或鎳氫蓄電池）蓄電池的電壓來驅(qū)動電機。電動汽車中DC/DC功率轉(zhuǎn)換器分為如下兩類：保留鉛酸蓄電池的必要性電動汽車以動力蓄電池為電源，能夠利用DC/DC轉(zhuǎn)換器為鉛酸蓄電池充電。汽車裝備DC/DC轉(zhuǎn)換器之后，可省去原車交流發(fā)電機，按說也能省去12V/24V鉛酸蓄電池，但實際上還是保留了鉛酸蓄電池，這樣做有兩大原因。1.能夠降低整個車輛的成本

鉛酸蓄電池能在短時間內(nèi)向空調(diào)、雨刷及車燈等釋放大電流。如果省去鉛酸蓄電池，通過DC/DC將動力蓄電池的電力用于空調(diào)及雨刷會導致DC/DC轉(zhuǎn)換器的尺寸增大，從而使整體成本增加。另外，鉛酸蓄電池便宜，因此目前將鉛酸蓄電池置換成動力蓄電池（鋰等）還沒有成本上的優(yōu)勢。

2.確保電源的冗余度

鉛酸蓄電池還有確保向低壓供電的冗余度的作用。DC/DC轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障停止供電時，如果沒有鉛酸蓄電池，低壓電就會立即停止運行。夜間車燈不亮，雨天雨刷停止運行等，就會影響駕駛。如果有鉛酸蓄電池，便能夠?qū)⑵嚲徒_到家里或者修理廠。12/24V電氣系統(tǒng)負荷

在電動汽車上，為了區(qū)別12V電系，我們通常將高于60V的直流電壓稱為高壓（這與工業(yè)用電和特種產(chǎn)品對高、低壓的電壓界限是完全不同的）。汽油車通常電氣采用12V供電，所以DC/DC降壓輸出發(fā)電機發(fā)電時的14伏，對于24V電氣系統(tǒng)的柴油車要降壓為28伏。2.DC/DC變換器的工作原理工作原理：ECU控制絕緣柵雙極晶體管（1GBT）的導通和截止，把動力電池組件的直流電逆變成高壓、高頻交流電，然后通過變壓器把這一高壓、高頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪?、高頻的交流電，最后通過二極管整流濾波變成12V直流電。項目名稱參數(shù)值輸入電壓300V～650VDC（通常為330V、400V、650V）輸出電壓14VDC效率峰值大于88%冷卻方式風冷防護等級IP67表4-9DC/DC變換器基本參數(shù)1、整車on檔上電或充電喚醒2、動力電池完成高壓系統(tǒng)預充電流程3、VCU發(fā)給DC-DC變換使能信號4、DC-DC變換器開始工作DC-DC變換器工作流程：直流交流轉(zhuǎn)換:控制電路控制晶體管VT1、VT3先導通，經(jīng)過L的電流由上到下，再控制VT2、VT4導通工作，經(jīng)過L的電流由下到上。降壓過程：L為初級線圈，通過電流為交流電，L1、L2為次級線圈，線圈匝數(shù)較少，感應出低壓交流電。整流過程：VD1、VD2實現(xiàn)L1、L2的

半波整流。濾波過程：電感L0、電容C2用于濾波，實現(xiàn)電流平滑給鉛酸蓄電池充電，從GND構(gòu)成回路?？刂七^程：控制電路根據(jù)輸出的電壓反饋進行電壓輸出控制，以滿足晶體管VT1、VT3與VT2、VT4的換流控制。通信過程：控制電路通過CAV與EV-ECU通信實現(xiàn)DC/DC自診斷的輸出，同時針對用電負荷增加，可先于電壓反饋進行控制。4、DC-DC變換器開始工作以降壓型12V轉(zhuǎn)換器為例進行工作原理分析VT1、VT3導通控制：路徑：通過VT1、VT3與VT2、VT4的換流，將鋰離子電池高壓直流電換為高壓交流，流過L，經(jīng)過L1、L2降壓為低壓交流，由VD1、VD2整流為低壓直流向鉛酸蓄電池充電。VT2、VT4導通控制：路徑：通過VT1、VT3與VT2、VT4的換流，將鋰離子電池高壓直流電換為高壓交流，流過L，經(jīng)過L1、L2降壓為低壓交流，由VD1、VD2整流為低壓直流向鉛酸蓄電池充電。小結(jié)1、車載充電機的工作原理；2、DC/DC