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1、電動汽車的充電系統(tǒng)探究
電動汽車的充電系統(tǒng)探究
2019/10/08
摘要:文章主要介紹純電動汽車的充電系統(tǒng),包括交流充電系統(tǒng)和直流充電系統(tǒng),簡述兩種充電系統(tǒng)的組成部件、電氣原理和控制策略,作為后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞:電動汽車;充電系統(tǒng);工作模式;車載充電機(jī);充電接口
1前言
隨著純電動汽車的使用越來越廣,充電需求越來越多,市場對車輛的充電安全性和便利性提出越來越高的要求,便利、安全且快速的充電是市場對車輛的一致需
2、求。本文主要介紹純電動汽車的充電系統(tǒng)的組成、電氣原理和控制策略。純電動汽車的充電系統(tǒng)方式主要有兩種,一是交流充電方式,即為慢充,二是直流充電方式,即為快充,兩種充電方式的組成、電氣原理和控制方式各不相同。
2交流充電系統(tǒng)
2.1交流充電的組成
交流充電指電網(wǎng)輸入給車輛的電壓為交流電,可以是220VAC單向電或380VAC三相電。交流電通過標(biāo)準(zhǔn)充電插頭和充電插座,進(jìn)入車載充電機(jī),車載充電機(jī)再把交流電轉(zhuǎn)化為直流電,給動力電池充電,完成基本的交流充電。交流充電的部件主要有車載充電機(jī)、交流充電插座(交流充電插座線束)、充電線、交流充電樁或220V交流電源
3、和車輛控制器(VCU、BMS)等組成,如圖1為各部件示圖。其中交流充電插座和車載充電機(jī)固定在車輛上,充電線隨車配送,交流充電樁固定在停車場,各部件的作用如下:(1)車載充電機(jī)是交流充電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其根據(jù)控制指令把交流電轉(zhuǎn)化為直流電給電池充電。(2)交流充電插座是國家標(biāo)準(zhǔn)件,是車輛連接外部電網(wǎng)的接口,其接口有2個信號回路,1個接地回路,1個零線回路和3個火線回路,共7個接口,根據(jù)輸入的電壓是220VAC或380VAC,應(yīng)用相應(yīng)的火線接口。(3)車輛控制器是實(shí)施監(jiān)控車輛的狀態(tài),并發(fā)出控制指令給車載充電機(jī),使其工作或停止工作,控制其工作電流和電壓等,是車輛充電的控制大腦。(4)模式2充電線是連接
4、外部電網(wǎng)和車輛的充電線,直接給車載充電機(jī)提供220VAC電源。其線纜上的功能盒可檢測車輛和電網(wǎng)狀態(tài),連接或斷開給車輛的供電,具有一定的保護(hù)功能。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求其輸入的充電電流限制在13A以內(nèi),輸入電壓為220VAC,所以采用模式2的充電線充電時,車載充電機(jī)的輸入最大功率為2860W,即充電時間會延長。(5)交流充電樁也是車輛連接外部電網(wǎng)的部件,直接給車載充電機(jī)提供220VAC或380VAC電源。其也具有檢測車輛和電網(wǎng)狀態(tài),連接或斷開給車輛供電的功能。充電樁的供電電壓有220VAC和380VAC,根據(jù)充電樁的輸出功率而定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,如交流充電樁的輸出電流大于32A時,供電電壓必須采用380VA
5、C。因此采用交流充電樁充電時,充電功率較大,即充電時間會縮短。
2.2交流充電的電氣原理
交流充電方式總共有三種充電模式,分別為模式1、模式2和模式3。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求和充電安全,其中模式1嚴(yán)禁使用,模式3一般采用連接方式C的模式,其模式2和模式3連接方式C的交流充電工作原理電氣圖如圖2和圖3所示。交流充電是國家標(biāo)準(zhǔn)的充電方式,其電氣原理圖、檢測和控制要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T18487.1-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分:通用要求》的要求,如圖2和圖3所示。除了滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求外,不同汽車廠會根據(jù)項(xiàng)目需求,增加充電提示或顯示的功能,方便客戶的查看充電狀態(tài)。根據(jù)
6、標(biāo)準(zhǔn)要求,CC信號是充電插頭和充電插座是否連接的判斷信號,同時車輛根據(jù)CC的信號值,判斷RC阻值,確定線束的容量。CP信號是判斷供電設(shè)備的供電能力,通過PWM值確定。電氣原理圖中的各電阻值和PWM值都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且控制器必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷,以滿足車輛在市場上的充電需求。
2.3交流充電的控制策略
根據(jù)圖2和圖3所示,無論是模式2還是模式3,原理圖基本相同,只是電網(wǎng)的交流供電方式不同。以某項(xiàng)目的為例,簡述其控制策略,其電氣原理圖、檢測和控制即滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,同時為了便于客戶使用,交流充電的控制策略和順序如下:①車載充電機(jī)檢測CC和CP信號,車載充電機(jī)可根據(jù)C
7、C信號判斷充電線的容量,根據(jù)CP信號,判斷供電設(shè)備的供電能力。②車輛處于休眠或停車狀態(tài)時,當(dāng)充電插頭插上充電插座時,車載充電機(jī)檢測到CC或CP,自身喚醒。③車載充電機(jī)自喚醒后,喚醒VCU和BMS。④VCU和BMS被喚醒后,開始進(jìn)入交流充電模式,并檢測車輛狀態(tài),即車輛是否有故障,電池是否滿電。⑤車載充電機(jī)反饋充電線束狀態(tài)和供電設(shè)備信息給BMS。⑥BMS根據(jù)車載充電機(jī)反饋的信息和車輛的狀態(tài),發(fā)送開始充電或停止充電指令給車載充電機(jī)。⑦充電線或交流充電樁的供電控制裝置,通過CP信號判斷車輛狀態(tài),連接或斷開K1和K2,即連接或斷開交流電的輸入。⑧車載充電機(jī)根據(jù)接收到的指令,開始或停止工作,給車輛充電或停
8、止充電進(jìn)入休眠。以上是充電過程的控制簡述,而在整個充電的伊始,車輛和交流充電樁(或充電線)都會先判斷充電接口是否連接完好,車輛才會判斷是否啟動充電,所以客戶必須插搶到位,此也是為了保證充電安全。在使用上,客戶只需插搶,無需執(zhí)行其他操作,車輛隨即進(jìn)入充電模式,開始充電,提高了客戶使用的便利性。在實(shí)際使用中,如果車輛在充電過程,當(dāng)電網(wǎng)沒有電時,車輛會自動進(jìn)入休眠,減少自身的能耗;當(dāng)又來電時,車輛也會自動喚醒,并檢測車輛狀態(tài),如車輛未滿電時會繼續(xù)充電,如已滿電,會停止充電并進(jìn)入休眠,減少能量消耗。例如模式3充電方式,其充電過程的電壓變化如圖4所示。
3直流充電系統(tǒng)
3
9、.1直流充電的組成
直流充電是指外部電網(wǎng)輸入給車輛的電壓為直流電,即直流充電樁把380VAC三相電轉(zhuǎn)化為直流電,通過標(biāo)準(zhǔn)直流充電插頭和充電插座輸送給車輛,直接給動力電池充電,完成基本的直流充電。直流充電的部件主要有直流充電插座(直流充電插座線束)、車輛控制器(VCU、BMS)和直流充電樁等,如圖5所示。其中直流充電插座固定在車輛上,直接連接動力電池,直流充電樁固定在停車場,各部件的作用如下:(1)直流充電插座是國家標(biāo)準(zhǔn)件,是車輛連接外部電網(wǎng)的接口,其有1路CAN通訊回路(2個接口),1路低壓輔助供電回路(2個接口),2個信號回路,1個接地回路和1正1負(fù)的2個高壓回路,共9個接口
10、。(2)車輛控制器是實(shí)時監(jiān)控車輛狀態(tài),并根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T27930-2015《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》協(xié)議格式和內(nèi)容,發(fā)出控制指令給直流充電樁,使其工作或停止工作,控制其輸出電流和電壓等,是車輛充電的控制大腦。(3)直流充電樁是一個大功率的非車載充電機(jī),其把380VAC交流電轉(zhuǎn)化為直流電后,通過標(biāo)準(zhǔn)充電插頭和充電插座連接,直接給動力電池充電。其工作功率一般都較大,因此大大縮短充電時間。
3.2直流充電的電氣原理
直流充電方式只有一種模式,即為國標(biāo)所述的充電模式4,其電氣原理圖如圖6所示。直流充電是國家標(biāo)準(zhǔn)的充電方式,其電氣原理
11、圖、檢測和控制要滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T18487.1-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分:通用要求》的要求,如圖6所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,CC1信號是直流充電樁判斷充電插頭和充電插座是否連接的信號;CC2是車輛判斷充電插頭和插座是否連接的信號;S+和S-是CAN信號通道;A+和A-是輔助電源,以乘用車為例是12V,以大巴車為例是24V。直流充電樁可通過A+和A-提供輔助電源,但在標(biāo)準(zhǔn)里并未強(qiáng)調(diào)一定要使用此輔助電源,車輛可根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)用。電氣原理圖中的各電阻值都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且控制器必須按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷,以滿足車輛在市場上的充電需求。
3.3直流充電的控制策略
直
12、流充電的電氣原理圖不僅要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且與車輛的控制器的通訊協(xié)議也必須符合國標(biāo)格式和內(nèi)容,車輛才可實(shí)現(xiàn)在市場上充電。以某個項(xiàng)目為例,充電是給動力電池充電,為了便于執(zhí)行控制,直接使用動力電池的BMS與直流充電樁進(jìn)行信息交互和檢測,VCU只作為輔助判斷,其控制策略和順序如下:①車輛未使用A+和A-輔助電源,因?yàn)榇穗娫礊檐囕v外部電壓,其可靠性不穩(wěn)定,因此未使用。②BMS檢測CC2信號和通過S+和S-與直流充電樁進(jìn)行信息交互。③車輛在休眠或停車狀態(tài)時,當(dāng)直流充電插頭和直流充電插座插合時,BMS檢測到CC2信號,自喚醒。④BMS自喚醒后喚醒VCU,車輛進(jìn)入直流充電模式。⑤直流充電樁通過檢測到CC1信號,
13、判斷充電插座和插頭是否連接完全。⑥BMS和直流充電樁進(jìn)行信息交互。⑦BMS根據(jù)直流充電樁反饋的信息和車輛狀態(tài)進(jìn)行判斷,發(fā)送開始充電或停止充電給直流充電樁。⑧直流充電樁根據(jù)CC1信號和BMS反饋信息,執(zhí)行充電或停止充電。⑨當(dāng)充電完成或停止充電后,整車進(jìn)入休眠,減少能量的消耗。以上是簡單的控制過程,在使用和操作要求上與交流充電相似。但直流充電過程,當(dāng)停止充電后,需重新拔槍再插搶,才可進(jìn)行第二次充電,此方式區(qū)別于交流充電,也是為了保證充電安全。其充電過程的電壓變化如圖7所示。
4總結(jié)
無論是純電動汽車或可充電混合動力汽車的充電系統(tǒng),基本都按照標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行,才能滿足車輛
14、在市場上的充電需求。交流充電電流相對較小,有利于電池的使用壽命,且不易過熱和發(fā)生故障。直流充電雖然能更快的完成充電,但對車輛的電池?fù)p傷較大,也易發(fā)生過熱,從而起火,因此建議車輛多采用交流充電模式,可有效延長電池壽命和減少事故發(fā)生。除了標(biāo)準(zhǔn)要求外,車輛控制器需實(shí)時監(jiān)控車輛的狀態(tài),例如電池是否過熱、過壓、過充、過流、絕緣阻值是否下降等,是整車廠需要完善的控制策略,以保證充電安全。
參考文獻(xiàn)
[1]GB/T18487.1-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分:通用要求》.
[2]GB/T20234.1-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第1部分:通用要求》.
[3]GB/T20234.2-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分:交流充電接口》.
[4]GB/T20234.3-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第3部分:直流充電接口》.
[5]GB/T27930-2015《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》.