電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹艷玲

【摘要】隨著電動(dòng)汽車的普及，智能充電技術(shù)也受到了廣泛關(guān)注，如何設(shè)計(jì)出可靠、安全的充電系統(tǒng)是解決電動(dòng)汽車高壓安全和延長續(xù)駛里程的關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了一種以220V交流慢充為核心的智能充電系統(tǒng)，圍繞該系統(tǒng)開發(fā)了硬件接口、軟件控制策略和故障容錯(cuò)控制策略。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車;智能充電;充電樁

1.引言

高速發(fā)展的汽車工業(yè)與高速增長的汽車保有量使我國能源與環(huán)境正面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，發(fā)展電動(dòng)汽車已成為保障我國能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑。電動(dòng)汽車必將成為未來的主要交通工具之一。近年來，隨著各國政府和社會(huì)各方面對電動(dòng)汽車重視程度的不斷提高，電動(dòng)汽車技術(shù)得到發(fā)展，成本得到控制，一批裝備了先進(jìn)動(dòng)力電池的電動(dòng)汽車已進(jìn)入市場銷售。因此，隨著電動(dòng)汽車的大批量產(chǎn)業(yè)化，作為電動(dòng)汽車核心技術(shù)的充電技術(shù)，對電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、整車安全及可靠性至關(guān)重要，建立完善的充電策略對電動(dòng)汽車的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化有著重要意義。本文對目前較為流行的充電方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了220V交流慢充是適合我國發(fā)展現(xiàn)狀的充電方式，并設(shè)計(jì)了一種以220V交流慢充為核心的智能充電系統(tǒng)，圍繞該系統(tǒng)開發(fā)了硬件接口、軟件控制策略和故障容錯(cuò)控制策略。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前電動(dòng)汽車的電力補(bǔ)充方式有三種，分別為220V交流慢充、直流快速充電和電池快換。220V交流慢充又分為家庭式充電與充電樁充電兩種方式。家庭式充電為使用家用供電插座（即兩相三線交流220V），一般充電時(shí)間為3～6小時(shí)。它可充分利用電力低谷時(shí)段進(jìn)行充電，降低充電成本，適用于電池容量不大的乘用電動(dòng)車。其優(yōu)點(diǎn)是可延長電池的使用壽命，且不需要增加額外的充電設(shè)備，對電網(wǎng)的改造最小。但充電時(shí)間較長，且用電量統(tǒng)計(jì)困難。

充電樁充電是使用220V/32A供電能力的充電樁充電，一般充電時(shí)間為3～6小時(shí)，適用于乘用電動(dòng)車進(jìn)行充電。其優(yōu)點(diǎn)為充電地點(diǎn)更具有靈活性[1]，且易于統(tǒng)計(jì)用電量。但需增加充電設(shè)施，需要專用充電場地。直流快速充電是以較大電流短時(shí)間為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)，在幾十分鐘內(nèi)就可充電70%～80%。

快速充電適用于日平均里程大于電池的續(xù)駛里程的車輛，如大型商用車及乘用車緊急充電。其優(yōu)點(diǎn)為充電時(shí)間較短，但對電池壽命影響較大（壽命降低50%以上）[2]。電池快換是在服務(wù)站更換電池。車上的電池會(huì)被卸下并換上充滿電的電池，而整個(gè)換電過程只需要幾分鐘，而換下的電池將會(huì)在充電間內(nèi)充電，充滿電后，這個(gè)電池組會(huì)被用到下一輛來換電的車上。

其優(yōu)點(diǎn)為換電時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，生產(chǎn)成本降低，電池維護(hù)方便，電池可以在用電低峰進(jìn)行充電。但需增加換電設(shè)施，建設(shè)大型換電站，人力、物力成本高，電池庫存管理復(fù)雜。電池若出現(xiàn)損壞，責(zé)任難以區(qū)分。上述三種充電方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，至于哪種能源補(bǔ)給模式更有利于新能源汽車的長遠(yuǎn)發(fā)展，最終還是需要市場來確定主導(dǎo)模式。但從技術(shù)與商業(yè)化運(yùn)營方面綜合考慮，就目前情況看，直流快速充電對電池壽命的影響無法解決。電池快換對基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)營體系要求太高，且需要很大的投入[3];在經(jīng)營上，電池?fù)p壞或造成高壓安全事故時(shí)責(zé)任劃分問題無法解決。220V交流慢充除去充電時(shí)間較長外沒有技術(shù)及運(yùn)營方面的瓶頸，綜上，220V交流慢充技術(shù)應(yīng)該為近階段電動(dòng)汽車能源供給的主流方式，因此本文設(shè)計(jì)開發(fā)了以220V交流慢充為核心的智能充電系統(tǒng)，開發(fā)了圍繞該系統(tǒng)的硬件接口、軟件控制策略和故障容錯(cuò)控制策略。

3.交流充電系統(tǒng)

交流充電系統(tǒng)主要由車輛端、供電端和充電接口三部分組成，其充電模式可分為兩種，一種為充電樁充電模式，另一種為單相三線AC220V插頭充電模式。兩種模式的車輛端是一致的，但在供電端和充電接口部分有一定的區(qū)別，下面將分別進(jìn)行說明。

3.1 車輛端

如圖1所示，車輛端的充電系統(tǒng)主要由動(dòng)力電池、220V交流電源、充電接口、充電機(jī)、整車控制器（HCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、DC/DC、網(wǎng)關(guān)和儀表等構(gòu)成。車輛側(cè)的220V交流充電插座由220V火線、220V底線，車輛側(cè)地線，CP和CC硬線信號組成。電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要功能是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)（電池的電壓、電流和溫度）、預(yù)測動(dòng)力電池的電池容量（SOC）和相應(yīng)的剩余行駛里程，進(jìn)行電池管理以避免出現(xiàn)過放電、過充、過熱和單體電池之間電壓嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象，最大限度地利用電池存儲(chǔ)能力和循環(huán)壽命。具體充電過程是首先由充電槍端的CC連接確認(rèn)信號喚醒HCU，HCU再喚醒BMS、充電機(jī)、DC/DC、儀表和網(wǎng)關(guān)等充電相關(guān)控制器。然后由BMS控制充電機(jī)的輸出，HCU主導(dǎo)整個(gè)充電過程。

圖1 車輛端的充電系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 充電樁

3.2 供電端

充電模式的供電端為充電樁，如圖2所示，主要由充電樁及其附屬接頭組成;單相三線AC220V插頭充電模式的供電端為220V三相插頭。

3.3 充電接口

充電接口的控制導(dǎo)引電路是實(shí)現(xiàn)充電連接裝置的連接確認(rèn)以及額定電流參數(shù)的判斷，除此之外還具有監(jiān)測充電過程、停止充電系統(tǒng)等功能。當(dāng)電動(dòng)汽車使用充電樁充電模式進(jìn)行充電時(shí)，推薦使用圖3所示的充電導(dǎo)引電路，充電時(shí)需使用充電導(dǎo)引電路，該電路由供電控制裝置、接觸器K1和K2（也可用一個(gè)）、電阻R1、R2、R3、RC、二極管D1、開關(guān)S1、S2、S3、車載充電機(jī)及HCU組成。其中電阻RC安裝在車輛端的充電插頭上。開關(guān)S1為供電設(shè)備內(nèi)部開關(guān)。開關(guān)S2為車輛內(nèi)部開關(guān)，在車輛接口與供電接口完全連接后，如果車載充電機(jī)自檢沒有問題，且高壓電池處于可充電狀態(tài)，HCU判斷可以充電時(shí)，S2閉合。S3為車輛端充電插頭的內(nèi)部常閉開關(guān)，與插頭上的下壓按鈕聯(lián)動(dòng)（即充電槍上的機(jī)械鎖止開關(guān)按鈕）。當(dāng)按下下壓按鈕時(shí)，S3處于斷開狀態(tài)。對于小于16A的電流充電時(shí)，S2可以常閉。當(dāng)供電設(shè)備無故障，并成功完成充電啟動(dòng)設(shè)置后，如供電接口完全連接，則開關(guān)S1從連接12V狀態(tài)切換至PWM連接狀態(tài)，供電裝置發(fā)出PWM信號。供電裝置通過檢測點(diǎn)1或檢測點(diǎn)4的電壓值來判斷充電連接裝置是否完全連接。車輛端的控制裝置（車載充電機(jī)或BMS）通過檢測點(diǎn)2的PWM信號，來判斷充電裝置是否完全連接。供電裝置通過檢測點(diǎn)1的電壓值判斷車輛是否準(zhǔn)備就緒。當(dāng)判斷連接準(zhǔn)備就緒后，供電控制裝置閉合接觸器K1與K2，開始供電。

圖3 充電導(dǎo)引電路

當(dāng)充電系統(tǒng)連接完成后，車輛端的控制器（車載充電機(jī)或BMS）通過判斷檢測點(diǎn)2的PWM信號占空比確認(rèn)供電設(shè)備的最大可供電能力，并通過判斷檢測點(diǎn)3與PE之間的電阻值來確認(rèn)電纜的額定容量。車輛端的控制器（車載充電機(jī)、BMS或HCU）對供電設(shè)備的最大供電能力、車載充電機(jī)的額定輸入電流值及電纜的額定容量進(jìn)行比較，將最小值設(shè)定為車載充電機(jī)的最大輸入電流。在充電系統(tǒng)完全連接后，如車輛端控制器沒有檢測到檢測點(diǎn)2的PWM信號，車輛端如要求充電，則應(yīng)允許充電，但充電時(shí)車載充電機(jī)的輸入電流不大于13A。單相三線AC220V插頭充電模式：當(dāng)電動(dòng)汽車使用單相三線AC220V插頭充電模式進(jìn)行充電時(shí)，推薦使用圖4所示的充電導(dǎo)引電路。充電相關(guān)電路的車輛端按充電樁充電模式設(shè)置，對于單相三線插頭充電沒有影響。

圖4 單相三線AC220V插頭充電模式的充電導(dǎo)引電路

4.結(jié)論

該充電系統(tǒng)平臺(tái)方案可以滿足電動(dòng)汽車充電要求，充電方案充分考慮了充電操作方便性及整車高壓安全等方面因素，結(jié)合目前中國現(xiàn)有充電基礎(chǔ)設(shè)施狀況，全面考慮了實(shí)際操作時(shí)可能出現(xiàn)的問題，在整車充電系統(tǒng)中制定了相應(yīng)的應(yīng)對策略。對駕駛員來說，操作上除了充電時(shí)間較長外與傳統(tǒng)車相比要求更低。為電動(dòng)汽車大批量上市提供了有力保障，大大推進(jìn)了市場化進(jìn)程。同時(shí)該充電方案可應(yīng)用在所有類型的電動(dòng)汽車上，實(shí)現(xiàn)了充電方案的平臺(tái)化。

參考文獻(xiàn)

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