新能源汽车充电系统

1、第五章 充电系统5.1 充电系统概述新能源汽车充电系统第1页1.纯电动汽车充电机 电动汽车充电机分类有不一样方法，总体上可分为车载充电机和 非车载充电机。（1）车载充电机 车载充电机指安装在电动汽车上，采取地面交流电网和车载电源对蓄电池组进行充电 装置，包含车载充电机、车载充电发电机组和运行能量回收充电机。车载充电机通常使用 结构简单、控制方便接触式充电器，也能够是感应充电器，完全按照车载蓄电池种类进 行设计，针对性较强。新能源汽车充电系统第2页（2）非车载充电机 非车载充电机即地面充电机。依据充电场所和充 电需求不一样，地面充电机主要应用于家庭、充电站及各种公共场所。为了满足各种蓄电池 各种

2、充电方式，通常地面充电机功率、体积和重量都比较大，普通设计为大充电率。因为地面充电机和蓄电池管理系统在物理位置上是分开，所以它们之间必须经过有线或者无 线进行通信。新能源汽车充电系统第3页2.电动汽车充电方式（1）传导式充电方式 传导式充电方式又称接触充电方式，接触充电方式通常采取传统接触器控制，使用者把充电电源接头（插头）连接到汽车上（插座），即利用金属接触来导电。 接触充电方式最大优点是：技术成熟、工艺简单和成本低廉。接触充电方式缺点是：导体裸露在外面不安全，而且会因屡次插拔操作，引发机械磨损，造成接触松动，不能有效传输电能。接触式电最大问题在于它安全性和通用性，为了使它满足严格安全充电标

3、准，必须在电路 上采取许多办法使充电设备能够在各种环境下安全充电。新能源汽车充电系统第4页（2）无线充电方式 电动汽车无线充电方式研究当前主要集中在感应式充电方式，不需要接触即可实现充电。感应充电方式是采取感应耦合方式充电，即充电电源和汽车接收装置之间不采取直接电接触方式，而是采取由分离高频变压器组合而成，经过感应耦合，无接触式传输能量。采取感应耦合方式充电，能够有效处理接触式充电缺点。感应充电最大优点是安全，因为充电器与车辆之间并无直接电接触，即使车辆在恶劣气候下，如雨雪天，充电也无触电危险。新能源汽车充电系统第5页3.电动汽车充电模式 现今普遍存在常规充电、快速充电和蓄电池组快速更换三种模

4、式如表5-1所表示。充电模式分类特点用途常规充电方式小电流充电充电电流约为15A，充电功率小，普通为13kW。充电时间通常为 810小时。私家车、市内环卫车、企业商务车等车辆日均行驶里程都在蓄电池续驶里程范围之内。中电流充电充电电流为3060A,充电功率普通为5 20kW，采取三相四线制380V供电或单相220V供电。购物中心、饭店门口、停车场等公共场所小型充电站。快速充电普通充电电流为150400A。充电机功率很大，普通为 50100kW，采取三相四线制380V供电。充电时间为20分钟至2小时内。在车辆运行间隙进行快速补充电来满足运行需要，如公交车、出租车等车辆。蓄电池组快速更换直接更换电动

5、汽车蓄电池组来抵达为其充电目标，时间普通510 分钟。车辆蓄电池组为标准化设计，易更换车辆，比如运行车辆。新能源汽车充电系统第6页（1）常规充电方式 蓄电池在放电终止后应立即采取小电流或中电流以恒压或恒流方式充电（在特殊情况下也不应超出二十四小时），一般充电时间为58小时，甚至长达1020小时，这种充电称为常规充电（普通充电）。尽管常规充电充电时间较长，但可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本，并可提升充电效率和延长蓄电池使用寿命。新能源汽车充电系统第7页1）常规充电方式类型 常规充电分为小电流充电和中电流充电两种方式。小电流充电方式是以较小电流依据动力电池充电曲线进行充电，充电时间通常

6、为 810小时，因采取恒流、恒压充电方式对蓄电池动力电池充电，使整个充电过程更靠近动力电池固有特征，可有效防止动力电池过充和欠充问题。这种方式以比较低充电电流为动力电池充电，相关技术成熟可靠，充电机工作和安装成本也比较低。小电流充电方式主要应用于家庭充电场所，经典充电电流约为15A，充电时间为8 10小时（充到95%以上）。这种充电方式对电网没有特殊要求，直接从低压照明电路取电， 充电功率小，普通为13kW。新能源汽车充电系统第8页 中电流充电方式主要应用在购物中心、饭店门口、停车场等公共场所小型充电站。小型充电站充电电流为3060A,充电功率普通为5 20kW，采取三相四线制380V供电或

7、单相220V供电，计费方式是投币或刷卡，用户只需将车停靠在小型充电站指定位置上， 接上电线即可开始充电。该方式充电时间是：补电12小时，充满5 8小时（充到 95%以上），在小型充电站使用中电流充电1小时，电动汽车行驶里程可增加40km。新能源汽车充电系统第9页2）常规方式充电模式电动汽车蓄电池类型不一样，适应充电模式也不一样。常规充电方式采取充电模式有：新能源汽车充电系统第10页名称分类充电过程特点常规方式充电模式恒流充电模式恒流充电模式是指电流维持在恒定值充电模式，也是最惯用充电模式。控制简单，设备简单，仅适适用于部分蓄电池（如Ni/MH)，不能将蓄电池组完全充满电，充电效率低。分级恒流充

8、电模式分级恒流充电模式是在普通恒流充电方式基础上发展而来，在早期用较大电流进行充电，充电一定时间或充电电压抵达一定值后改用较小电流，再充电一定时间或充电电压抵达另一更高值后改用更小电流。这种充电方式效率较高，所需充电时间较短，充电效果也比很好，而且对延长蓄电池组使用寿命有利，但对充电机系统有较高要求。分级恒流充电模式适适用于Ni/MH蓄电池和锂离子蓄电池 前期充电。低压恒压浮充模式低压恒压浮充模式不一样于通常将均充和浮充分开进行方式，充电电源一直按照稳压限流方式工作，蓄电池在浮充状态下渐渐补足失去能量，直到充电至终止电压。这种充电方式含有原理简单、实现方便等特点，但有可能会造成蓄电池欠充，而且

9、长时间充电会损害蓄电池组，加速蓄电池自放电，适适用于锂离子 蓄电池。梯度恒压充电模式。在充电时依据电流衰减情况逐步提供充电电压，电流呈阶梯方式下降。在充电早期 13小时），蓄电池电压呈直线上升；在充电中期（3 7h),充电电流靠近指数衰减；在充电后期（8 12h),当充电电流小于设定值时，终止充电或转入涓流充电阶段。梯度恒压充电模式综合了恒流充电方式和恒压充电方式优点。新能源汽车充电系统第11页2.快速充电 快速充电又称应急充电，是以较大电流短时间在电动汽车停车20分钟至2小时内, 为其提供短时充电服务，普通充电电流为150 400A。快速充电不一样于常规充电所采取恒 流、恒压充电方式。该充电

10、方式是以150400A大电流对蓄电池进行恒流充电，力争在 短时间内充入较大电量，充电时间应该与燃油车加油时间靠近，所以快速充电也可称为 快速充电，主要应用于大型充电站。新能源汽车充电系统第12页3. 蓄电池组快速更换 蓄电池组快速更换，经过直接更换电动汽车蓄电池组来到达为其充电目标。蓄电池组快速更换时间与燃油汽车加油时间相近，需要5 10 分钟，快换能够在充电站、换电站完成，电动汽车蓄电池不需现场充电，不过需要电动汽车 车载蓄电池实现标准化，即蓄电池外形、容量等参数完全统一，同时，还要求电动汽车结构设计能满足更换蓄电池方便性、快捷性。因为蓄电池组重量较大，更换蓄电池专业化要求较强，需配置专业人

11、员借助专业机械 来快速完成蓄电池组更换。换电站主要设备是蓄电池拆卸、安装设备。新能源汽车充电系统第13页5.2 充电接口 充电接口是指用于连接活动电缆和电动汽车充电部件，它由充电插座和充电插头两部分组成，是传导式充电机必备设备，充电插头在充电过程中与充电插座进行结构耦合，从而实现电能传输。GBT 20234.2-电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口和GBT 20234.3-电动汽车传导充电用连接装置 第3部分：直流充电接口两个国家标准，对充电接口进行了规范。新能源汽车充电系统第14页1.慢充接口 (1) 慢充接口位置不一样品牌或车型车型慢充接口位置可能有所不一样，常见于例车辆左后

12、或右后轮穴上侧，以下列图5-1所表示：图5-1 慢充口位置新能源汽车充电系统第15页(2)慢充接口定义 慢充接口如图5-2所表示，各脚含义如表5-3所表示 图5-2 慢充接口新能源汽车充电系统第16页表5-3慢充接口各脚含义序号端子名称作用1L1交流电源(单相)2L2定义交流电源(三相)3L3交流电源(三相)4N中线5PE保护接地(PE) ,连接供电设备地线和车辆电平台6CC充电连接确认7CP控制导引新能源汽车充电系统第17页2. 快充口 (1) 快充口位置 北汽新能源当前大部分车型快充口都设置在前中网车标后方，早期部分车型快充口安装在前机舱内，每次快充时要开着前机舱盖才能够，EC180车型没

13、有快充功效，ARCFOX-1快充口位于车辆右后轮穴上侧。新能源汽车充电系统第18页(2)快充接口定义 快充接口如图5-3所表示，各端子含义以下表5-4所表示：图5-3 快充接口新能源汽车充电系统第19页表5-4快充接口各脚含义序号端子名称作用1DC+直流电源正2DC直流电源负3PE保护接地（PE)4S+充电通信CAN_H5S-充电通信CAN_L6CC1充电连接确认7CC2充电连接确认8A+低压辅助电源正9A低压辅助电源负新能源汽车充电系统第20页3.连接方式 电动汽车接入电网方式分为A、B、C三类，以下表5-5所表示：连接方式类型连接方式描述连接方式简图A 将电动汽车和交流电网连接时，使用和电

14、动汽车永久连接在一起充电电缆和供电插头（电缆组件是车辆一部分）B 将电动汽车和交流电网连接时，使用带有车辆插头和供电插头独立活动电缆组件（可拆卸电缆组件不是车辆或者充电设备一部分。）C 将电动汽车和交流电网连接时，使用了和供电设备永久连接在一起充电电缆和车辆插头（电缆组件是充电设备电一部分）新能源汽车充电系统第21页4.充电模式 依据相关国家标准要求，电动给汽车到电网（电源）给电动汽车供电连接方有四种模式，以下表5-6所表示：新能源汽车充电系统第22页类别描述简图备注模式1将电动汽车连接到交流电网（电源）时，在电源侧使用了符合GB2099.1和GB1002要求插头插座，在电源侧使用了相线、中性

15、线和接地保护导体。应采取单相交流供电，且不允许超出8A和250V。不应使用模式1对电动汽车进行直接充电。模式 2在电源侧使用了符合GB2099.1和GB1002要求插头插座，在电源侧使用了相线、中性线和接地保护导体。而且在充电连接时使用了缆上控制与保护装置（IC-CPD）。应采取单相交流供电。电源侧使用符合GB2099.1和GB1002要求16A插头插座时输出不能超出13A；电源侧使用符合GB2099.1和GB1002要求10A插头插座时输出不能超出8A。应具备剩下电流保护和过流保护功效。模式 3将电动汽车连接到交流网（电源）时，使用了专用供电设备，将电动汽车与交流电网直接相连，而且在专用供电

16、设备上安装了控制导引装置。模式3应具备剩下电流保护功效。连接方式A、B、C适适用于模式3。采取单相供电时，电流小于32A。采取三相供电且电流大于32A时，应采取连接方式C。模式3注意事项:应具备剩下电流保护装置；采取单相供电时，电流应小于32A；采取三相供电时，电流应小于63A;采取三相供电时，电流大于32A时应采取方式C；模式 4将电动汽车连接到交流电网或直流电网时，使用了带控制导引功效直流供电设备。模式4可直接连接至交流电网或直流电网。仅连接方式C适适用于模式4新能源汽车充电系统第23页5.3 车载充电机1.车载充电机定义 车载充电机是采取高频开关电源技术，主要功效是将交流220V市电转换

17、为高压直流电给动力电池进行充电，确保车辆正常行驶。同时车载充电机提供对应保护功效，包含过压、欠压、过流、欠流等各种保护办法，当充电系统出现异常会及时停顿充电，相对于传统工业电源，含有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境等特点。车载充电机工作过程中需要协调充电桩、BMS等部件。新能源汽车充电系统第24页2.车载充电机安装位置 车载充电机既能够独立安装（图5-4）也能够与其它部件集成安装（图5-5）。图5-4 独立安装车载充电机新能源汽车充电系统第25页图5-5 与其它部件集成安装车载充电机新能源汽车充电系统第26页3.车载充电机内部结构 车载充电机内部可分为3部分，主电路、控制电路、线束及标准件。主

18、电路（图5-6）前端将交流电转换为恒定电压直流电，主要是全桥电路+PFC电路，后端为DC/DC变换器，将前端转出直流高压电变换为适当电压及电流供给动力电池。新能源汽车充电系统第27页 控制电路（图5-7）作用是控制MOS管开关，与BMS之间通讯，监测充电机状态，与充电桩握手等功效。线束及标准件用于主电路及控制电路连接，固定元器件及电路板。图5-7 控制电路新能源汽车充电系统第28页4.车载充电机工作原理 下列图5-8是车载充电机拓扑电路，整机功率拓扑由整流电路、交织PFC升压电路和LLC谐振电路组成，整流电路将输入220V交流电转为脉动电流，经过PFC电路后变为直流电，然后再进行逆变升压，最终

19、将变压器输出交变电流整流滤波后输入动力电池进行充电。充电过程中充电机依据接收VCU或BMS发送充电电压、充电电流指令等进行工作。图5-8 车载充电机原理拓扑图新能源汽车充电系统第29页 当车载充电机连接到交流电后，经过BMS电池管理系统首先对电池状态进行采集分析和判断，进而调整充电机充电参数。车载充电机工作流程如图5-9所表示：新能源汽车充电系统第30页5.4 充电设施及安装调试1.充电桩分类 依据充电速度充电桩普通提供常规充电和快速充电两种充电方式。快速充电桩（图5-10），俗称就是“快充”，它是固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，直流充电桩输入电压采取三相四线AC380V15%，频率50

20、Hz,输出为可调直流电，直接为电动汽车动力电池充电。因为直流充电桩采取三相四线制供电，能够提供更大功率输出，输出电压和电流调整范围大，能够实现快充要求。新能源汽车充电系统第31页图5-10 快速充电桩图5-11 常规充电桩图5-12 挂壁式充电桩新能源汽车充电系统第32页 按安装方式充电桩可分为落地式充电桩、挂壁式充电桩图（图5-12），落地式充电桩适合安装在不靠近墙体停车位，挂壁式充电桩适合安装在靠近墙体停车位。 按照安装地点，充电桩可分为公共充电桩和专用充电桩。公共充电桩是建设在公共停车场（库）结合停车泊位，为社会车辆提供公共充电服务充电桩。专用充电桩是建设单位（企业）自有停车场（库），为

21、单位（企业）内部人员使用充电桩。自用充电桩是建设在个人自有车位（库），为私人用户提供充电充电桩。充电桩普通结合停车场（库）停车位建设。安装在户外充电桩防护等级不应低于IP54，安装在户内充电桩防护等级不应低于IP32。新能源汽车充电系统第33页2. 慢充桩（1）交流充电桩结构与刷卡交易工作流程 交流充电桩内部结构如图5-13所表示，主回路由输入保护断路器、交流智能电能表、交流控制接触器和充电接口连接器组成；二次回路由控制继电器、急停按钮、运行状态指示灯、充电桩智能控制器和人机交互设备（显示、输入与刷卡）组成。图5-13 慢充桩内部结构示意图新能源汽车充电系统第34页 剩下电流是指低压配电线路中

22、各相(含中性线)电流矢量和不为零电流。 剩下电流动作保护器保护原理如图5-14所表示，当剩下电流到达或超出给定值时，能自动断开电路机械开关电器或组合电器。交流供电设备剩下电流保护器宜采取A型或B型，符合GB14048.2-、GB16916.1-和GB 22794-相关要求，应具备防故障电流保护办法图5-14 剩下电流保护功效原理新能源汽车充电系统第35页（2）慢充控制引导电路原理新能源汽车充电系统第36页 控制导引电路中也能够不配置开关S2（图5-16）,无S2开关车辆应采取单相充电，且最大充电电流不超出8A。若车辆不配置S2开关，此时供电设备无法与车辆进行交互（S2开关闭合通知供电设备此时能

23、够进行充电，S2开关断开通知供电设备此时应停顿充电），为保障充电安全，要求只能采取单相充电，且充电电流不超出8A。图5-16 S2开关电路原理图新能源汽车充电系统第37页 若车辆插座配置有电子锁（方式B/C+大于16A），电子锁应在K1、K2接触器闭合前（机械锁闭合至S2开关闭合之间）锁定，并在状态3（S2开关闭合+监测点1为6V）中保持，在S2断开后、机械锁断开前断开，时序如图5-17所表示：新能源汽车充电系统第38页 当车辆插头与车辆插座未连接时，S3处于闭合状态，CC未连接，监测点3与PE之间电阻值为无穷大；半连接时，S3处于断开状态，CC已连接，监测点3与PE之间电阻值为RC+R4;全

24、连接时，S3处于闭合状态（图5-18），CC已连接，监测点3与PE之间电阻值为RC，经过RC电阻值，能够映射出充电电缆额度容量（表5-3）图5-18 监测点3与PE之间电阻值新能源汽车充电系统第39页RC充电电缆额度容量1.5K/0.5W10A680 K/0.5W16A220 K/0.5W32A100 K/0.5W63A表5-7 电阻值映射电流值对照表新能源汽车充电系统第40页 假如充电桩无故障，而且供电接口已完全连接，则S1从+12V链接状态切换至PWM连接状态，充电桩控制装置发出PWM信号。充电桩经过检测点1电压值来判断充电装置是否完全链接。车辆控制装置经过测量检测点2PWM信号，判断充电

25、链接装置是否已完全链接（CP检测）。 在车载充电机（OBC）自检没有故障，而且电池组处于可充电状态时，车辆控制装置闭合S2。当到达操作人员设置结束条件、操作人员对供电装置实施了停顿充电指令时，供电控制装置应能将控制开关S1切换到+12V连接状态，当检测到S2开关断开时在100ms内经过断开接触器K1和K2切断交流供电回路，超出3s未检测到S2断开则能够强制带载断开接触器K1和K2切断交流供电回路。 新能源汽车充电系统第41页 供电设备检测车载充电机（5-19）实际工作电流，当供电设备PWM信号对应最大供电电流20A,且车载充电机实际工作电流超出最大供电电流+2A并保持5s时或供电设备PWM信号

26、对应最大供电电流20A，且车载充电机实际工作电流超出最大供电电流1.1倍并保持5s时，供电设备应在5s内断开输出电源并控制开关S1切换到+12V连接状态，这种情况下，可经过重新插拔电缆恢复充电。新能源汽车充电系统第42页图5-19 供电设备检测车载充电机新能源汽车充电系统第43页 当电动汽车和充电桩建立电气连接后，车辆控制装置经过判断检测点2PWM信号占空比确认供电设备最大可供电能力，而且经过判断RC电阻值来确认电缆额定容量。车辆控制装置对充电桩当前提供最大供电电流值、车载充电机额定输入电流值及电缆额定容量进行比较，将其最小值设定为车载充电机当前最大允许输入电流，当设置完成后，车载充电机开始对

27、电动汽车进充电。非正常情况下结束充电或停顿，车辆S2断开，检测点1电压为9V，此时车辆接口还处于连接状态，供电设备应在100ms内断开供电回路，保持PWM输出， 这种情况下，不需要重新插拔电缆即可恢复充电。交流充电控制导引电路转换状态如图5-20所表示，慢速充电连接控制时序及过程监控如图5-21所表示。新能源汽车充电系统第44页图5-20 交流充电控制导引电路转换状态图新能源汽车充电系统第45页图5-21 慢速充电连接控制时序及过程监控图新能源汽车充电系统第46页3.快充桩（1）组成及作用快充桩（直流充电桩）中主要有：AC-DC电源模块、充电控制器、计费控制单元、高压绝缘检测板、显示器等、熔断

28、器、接触器、浪涌保护器等设备组成，如图5-23所表示。图5-23 快充电气结构图新能源汽车充电系统第47页1）绝缘监测 在充电机端和车辆端均设置IMD（绝缘监测装置）电路，供电接口连接后到K5、K6合闸充电之前，由充电机负责充电机内部（含充电电缆）绝缘检测；充电机端IMD回路经过开关从充电机直流回路断开，且K5、K6合闸之后充电过程期间，由电动汽车负责整个系统绝缘检测,绝缘检测判断，取R=min(RDC+,PE ,RDC-,PE); 当R500/V,为安全、100/VR500/V,报警，仍可充电；R100/V,故障，停顿充电。 充电机进行IMD检测后，应及时对充电输出电压进行泄放，防止在充电阶

29、段对电池负载产生电压冲击。充电结束后，充电机应及时对充电输出电压进行泄放，防止对操作人员造成电击伤害。泄放回路参数选择应确保在充电连接器断开后1秒内将供电接口电压降到60VDC以下。新能源汽车充电系统第48页2）供电回路接触器监测 直流充电存在供电回路接触器粘连风险，所以要求供电设备对供电回路K1、K2进行监测和告警；直流充电存在供电回路接触器粘连风险，所以要求电动汽车对供电回路K5、K6进行监测和告警；3）电子锁装置 直流充电时，车辆插头应安装机械锁，供电设备应能判断机械锁是否可靠锁止（机械锁反馈锁止信号-S开关）；车辆插头应安装电子锁（图5-24），电子锁处于锁止位置时，机械锁应无法操作，

30、机械锁与电子锁联动，供电设备应能判断电子锁是否可靠锁止。新能源汽车充电系统第49页图5-24 电子锁装置新能源汽车充电系统第50页（2）充电过程直流充电可控制导引电路原理如图5-25所表示，图5-25 直流充电可控制导引电路原理图新能源汽车充电系统第51页 直流充电连接控制时序以下列图5-26所表示新能源汽车充电系统第52页（3）快充流程快充流程以下列图5-27所表示图5-27 快充流程新能源汽车充电系统第53页5.5 无线充电技术 目前，无线电力传输共有三种不一样实现方式：电磁感应式、微波传输式及磁场共振式，三种方式各有优劣。电动汽车无线充电装置不需要用电缆将车辆与供电系统连接，便可以直接对

31、电动汽车动力蓄电池进行快速充电。无线快速充电装置可布置在停车场、住宅、路边等多种场所，就可认为各种类型电动（包含外充电式混合动力）汽车提供充电服务，使电动汽车随时随地进行充电，从而使续航里程大大提高。新能源汽车充电系统第54页1. 电磁感应式电磁感应对电气工程师来说再熟悉不过了，变压器就是利用这个原理来传递能量。图5-28电磁感应充电方式原理新能源汽车充电系统第55页 电动汽车感应耦合充电系统简化功率流程如图5-29所表示。电网输人交流电经过整流 后，经过高频逆变步骤，经电缆传输经过感应耦合器后，传送到电动汽车输人端，再经过整流滤波步骤，给电动汽车车载蓄电池充电。电网 滤波 逆变 电缆 高频耦合 整流 电池组图5-29 电动汽车感应耦合充电系统简化功率流程图新能源汽车充电系统第