純電動(dòng)汽車(chē)充電原理介紹

范亦銘

摘 要：動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一，正確的充電控制方式能有效提高電池壽命和使用安全，降低車(chē)輛使用成本。本文簡(jiǎn)要介紹純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池的充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、充電模式及當(dāng)前對(duì)延長(zhǎng)電池壽命和提高使用安全的充電控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)；充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；充電模式；控制策略

中圖分類(lèi)號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

鑒于現(xiàn)在大城市的汽車(chē)尾氣污染嚴(yán)重，民眾對(duì)降低排放的呼聲日高。純電動(dòng)車(chē)具有低能耗、零排放的特點(diǎn)，是城市低碳出行的理想選擇。2015年以來(lái)，隨著國(guó)家政策對(duì)新能源汽車(chē)的扶持，新能源汽車(chē)如雨后春筍般的快速推向市場(chǎng)，金龍牌凱歌系列純電動(dòng)車(chē)就是其中市場(chǎng)保有量較大的車(chē)型之一。純電動(dòng)車(chē)補(bǔ)充動(dòng)力的方式是通過(guò)外部充電設(shè)備給動(dòng)力電池充電。本文以金龍凱歌車(chē)型為例，來(lái)介紹純電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)的工作原理。

一、充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.整車(chē)系統(tǒng)原理框圖（圖1）

如圖1所示，充電系統(tǒng)高壓電器部分由以下部件組成：直流充電口、交流充電口、車(chē)載充電機(jī)、高壓電器盒、動(dòng)力電池總成、高壓電源線(xiàn)。通信管理方式采用CAN網(wǎng)絡(luò)，以整車(chē)控制器（VCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）為主要管理單元，監(jiān)控各執(zhí)行部件的工作狀態(tài)。

2.高壓充電路徑

動(dòng)力電池的充電系統(tǒng)有兩個(gè)充電路徑：直流充電、交流充電。

2.1 直流充電：直流充電口外接直流充電機(jī)，經(jīng)過(guò)高壓電氣盒配送給動(dòng)力電池進(jìn)行充電。直流充電方式的電流較大，充電速度較快，通常也叫快充模式。

2.2 交流充電：交流充電口外接家用交流電源或交流充電機(jī)，通過(guò)車(chē)載充電機(jī)把交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)過(guò)高壓電氣盒配送給動(dòng)力電池進(jìn)行充電。交流充電方式的充電電流相對(duì)較小，充電速度較慢，通常也叫慢充模式。

3.充電通信管理

BMS是動(dòng)力電池系統(tǒng)管理單元。在充電時(shí)能依據(jù)自身設(shè)置的程序，自動(dòng)識(shí)別充電模式，實(shí)時(shí)根據(jù)電池的工況向充電機(jī)發(fā)送充電需求參數(shù)，監(jiān)控整個(gè)充電過(guò)程；在出現(xiàn)充電異常時(shí)，限制或中止充電，以保障充電安全。相關(guān)充電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到CAN網(wǎng)絡(luò)，與其他通信單元實(shí)時(shí)交互。

3.1 在使用直流充電模式時(shí)，由動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）、直流充電樁（符合GB/T 17390）配合充電通信管理。

3.2 使用交流充電模式時(shí)，由動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）、車(chē)載充電機(jī)、交流充電樁配合充電通信管理。

二、充電模式介紹

用戶(hù)可根據(jù)自身的條件選用直流充電模式或交流充電模式。

1.直流充電模式

1.1 直流充電接口示意圖，如圖2～圖3所示。

1.2 觸頭電氣參數(shù)值及功能定義（表1）

1.3 直流充電控制導(dǎo)引電路圖（圖4）

1.4 直流充電流程：（1）快充“插槍”后，直流供電設(shè)備通過(guò)CC1回路電壓檢測(cè)DC直流槍頭是否插接良好，并提供低壓輔助電源給整車(chē)供電激活，BMS、VCU上電工作。（2）直流充電設(shè)備自檢，若無(wú)問(wèn)題，則開(kāi)始周期性發(fā)送通信握手報(bào)文。（3）BMS通過(guò)CC2回路電壓檢測(cè)DC直流槍頭是否插接良好，若無(wú)問(wèn)題則開(kāi)始周期性發(fā)送通信握手報(bào)文。（4）通信握手成功后，BMS控制吸合充電繼電器；直流供電設(shè)備檢測(cè)電池包電壓正常后，控制直流供電回路導(dǎo)通。（5）充電階段：BMS向直流供電設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送“電池充電需求參數(shù)”，直流供電設(shè)備根據(jù)參數(shù)調(diào)整充電電壓和充電電流。（6）當(dāng)BMS檢測(cè)到電池達(dá)到“滿(mǎn)充狀態(tài)”或收到直流供電設(shè)備發(fā)送的“充電機(jī)中止充電報(bào)文”時(shí)，在確認(rèn)充電電流小于5A后斷開(kāi)充電繼電器。

2.交流充電模式

2.1 交流充電接口示意圖，如圖5～圖6所示。

2.2 觸頭電氣參數(shù)值及功能定義（表2）

2.3 交流充電控制導(dǎo)引電路：

交流充電常使用16A充電、32A充電兩種模式。控制導(dǎo)引電路原理圖分別如圖7、圖8所示。

2.4 交流充電流程：（1）慢充“插槍”后，交流供電設(shè)備通過(guò)CC/CP回路電壓檢測(cè)樁端槍頭是否插接良好，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后閉合高壓接觸器給OBC交流輸入供電。（2）OBC上電后，自檢無(wú)故障后，輸出低壓輔助電源，BMS和VCU激活上電。（3）VCU檢測(cè)到“充電激活信號(hào)”和BMS發(fā)出的“交流充電連接”后，吸合“慢充高壓繼電器”并控制慢充電子鎖執(zhí)行“閉鎖邏輯”。（4）BMS通過(guò)CC回路電壓檢測(cè)車(chē)端槍頭是否插接良好并獲得“電纜的額定容量”；通過(guò)檢測(cè)CP回路的PWM信號(hào)確認(rèn)交流供電設(shè)備的最大供電電流；BMS將前兩者與OBC發(fā)送的“額定輸入電流值”進(jìn)行取小設(shè)定為OBC的“最大允許輸入電流值”，并將充電電壓及充電電流信息發(fā)送OBC。（5） BMS吸合充電繼電器，并通過(guò)CAN報(bào)文發(fā)送“充電機(jī)控制命令”，OBC收到后啟動(dòng)充電。（6） 當(dāng)BMS檢測(cè)到電池達(dá)到“滿(mǎn)充狀態(tài)”或收到OBC發(fā)送的“充電機(jī)中止充電報(bào)文”時(shí)，斷開(kāi)充電繼電器；VCU檢測(cè)到BMS斷開(kāi)充電繼電器后，斷開(kāi)“慢充高壓繼電器”并控制慢充電子鎖執(zhí)行“解鎖邏輯”。

三、充電控制策略

1.BMS系統(tǒng)管理

純電動(dòng)車(chē)常用鋰離子動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能裝置，動(dòng)力鋰離子電池在應(yīng)用時(shí)通常需要幾十甚至上百節(jié)串并聯(lián)在一起使用。為了智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命，電池組使用BMS系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控電池組的運(yùn)行狀態(tài)。BMS是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的第一個(gè)字母簡(jiǎn)稱(chēng)組合，稱(chēng)之為電池管理系統(tǒng)。

1.1 BMS系統(tǒng)工作原理圖如圖9所示。

1.2 BMS的主要功能

電池參數(shù)檢測(cè)：（1）在電池充放電過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓。（2）電池均衡管理：為單體電池均衡充電，使電池組中各個(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。（3）電池SOC/SOH檢測(cè)：準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)，計(jì)算剩余容量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)；對(duì)電池健康進(jìn)行估算，測(cè)定電池安時(shí)容量和功率變化。（4）電池安全管理：控制充電機(jī)的啟停以及輸出電壓的給定，保證充電過(guò)程安全穩(wěn)定進(jìn)行。防止電池過(guò)充、過(guò)放，防止過(guò)流、高溫、低溫；如果有異常，BMS會(huì)采取限功率或者斷開(kāi)主回路的措施保護(hù)電池包不受到破壞。（5）高壓安全管理：采集車(chē)輛的高壓互鎖（HVIL）信號(hào)、監(jiān)測(cè)高壓絕緣狀態(tài)，進(jìn)行絕緣保護(hù)，保證車(chē)輛的安全使用。（6）其他功能：數(shù)據(jù)記錄及分析、CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)通信、對(duì)電池進(jìn)行故障分析及在線(xiàn)報(bào)警等。

1.3 BMS充電控制策略

（1）按溫度變化調(diào)節(jié)充電電流：動(dòng)力電池內(nèi)部核心是鋰電池，在過(guò)溫狀態(tài)下持續(xù)充電，易造成電池系統(tǒng)的熱失控，引起多種副反應(yīng)發(fā)生，造成進(jìn)一步的劣化反應(yīng)，導(dǎo)致成組電池的一致性變差。在低溫下對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的充電，會(huì)造成析鋰反應(yīng)。根據(jù)電池最佳充電溫度在25℃～45℃的特性，在此溫度下實(shí)行大電流充電；在溫度更低或溫度更高時(shí)，分檔降低充電電流。當(dāng)電池溫度過(guò)低（通常設(shè)置在0℃）或溫度過(guò)高（通常設(shè)置在60℃）時(shí)，中止充電。（2）按SOC變化調(diào)節(jié)充電電流，在SOC值較低時(shí)，實(shí)行恒電流充電；在SOC值較高（通常設(shè)置在97%）時(shí)，降低充電電流，實(shí)行涓流慢充。（3）充電異常管理：BMS監(jiān)測(cè)到以下異常情況時(shí)會(huì)報(bào)警，如：?jiǎn)误w電池過(guò)壓報(bào)警、單體電池欠壓報(bào)警、充電過(guò)流報(bào)警、高溫報(bào)警、低溫報(bào)警、系統(tǒng)絕緣異常報(bào)警。（4）整車(chē)充電故障分三級(jí)管理：三級(jí)故障為嚴(yán)重故障，整車(chē)報(bào)警，BMS中止充電；二級(jí)故障為較嚴(yán)重故障，整車(chē)報(bào)警，BMS限功率；一級(jí)故障為輕微故障，整車(chē)報(bào)警。

2.主動(dòng)柔性充電技術(shù)應(yīng)用

充電樁制造商通過(guò)改善充電技術(shù)，優(yōu)化充電效果。如：特來(lái)電公司在充電機(jī)上使用CMS主動(dòng)柔性智能充電系統(tǒng)。

CMS充電管理系統(tǒng)結(jié)合車(chē)輛充電需求及駐車(chē)時(shí)間，充分利用車(chē)輛較長(zhǎng)停駐時(shí)間的工況（尤其在夜間），并根據(jù)電池使用的工況（SOC、SOH）和環(huán)境，以?xún)?yōu)化的一個(gè)柔性電流曲線(xiàn)，完成電池的充電過(guò)程。柔性曲線(xiàn)按照電池較為理想的充電電流和充電電壓參數(shù)，使電池得到一個(gè)充分的充電和均衡過(guò)程。

柔性曲線(xiàn)的生成考慮了電池的環(huán)境溫度、SOC區(qū)間和單體電壓、總電壓等因素，在初充階段、電壓平臺(tái)階段和充電末段均調(diào)整不同的電流，并嚴(yán)格控制電池的溫升，使電池能在最優(yōu)的工況環(huán)境下，進(jìn)行深度的充電，并在尾端提供足夠的用以?xún)?nèi)部均衡的時(shí)間。

CMS配合BMS使用，使動(dòng)力電池在充電時(shí)得到雙重保護(hù)，充電效果更佳、更安全。據(jù)特來(lái)電公司網(wǎng)站介紹，通過(guò)該技術(shù)的使用，可延緩了動(dòng)力電池使用壽命的衰減，能延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命30%左右。CMS系統(tǒng)在充電過(guò)程中能及時(shí)診斷并處理各種異常信息，可在BMS失效情況下仍然保證電池充電過(guò)程中的安全，安全防護(hù)性提升100～1000倍。

四、充電注意事項(xiàng)

1.電池系統(tǒng)充電應(yīng)遵循“淺充淺放”的原則，建議SOC低于30%安排充電，耗電過(guò)度容易影響電池壽命。

2.在BMS上報(bào)嚴(yán)重故障的情況下，嚴(yán)禁對(duì)電池系統(tǒng)充電。

3.使用直流充電樁時(shí)，使用“手動(dòng)充電”模式，容易造成電池過(guò)充，可能產(chǎn)生異常風(fēng)險(xiǎn)；因此，盡量采用“自動(dòng)充電”模式。

4.禁止在充電過(guò)程中，帶電拔槍。

5.充電完成后，充電口蓋需鎖緊，避免發(fā)生異常。

6.雨天避免在露天充電，避免發(fā)生危險(xiǎn)。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了純電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)方面結(jié)構(gòu)、各充電模式的充電流程和充電控制策略方式，可方便電動(dòng)車(chē)用戶(hù)了解充電注意事項(xiàng)，更好的使用車(chē)輛；也便于維修服務(wù)人員對(duì)充電故障進(jìn)行判斷分析參考。

參考文獻(xiàn)

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