纯电动汽车充电系统认识

纯电动汽车充电系统认识目录充电系统概述1充电系统关键部件2充电系统学习目标任务一充电系统概述1.了解充放电C率、时率的基本概念。2.掌握电动汽车常用的充电方法。3.熟知电动汽车的慢速充电系统。4.熟知电动汽车的快速充电系统。1.电动汽车充电系统电动汽车充电系统是维持电动汽车运行的能源补给设施，是从供电电源提取能量对动力电池充电时使用的有特定功能的电力转换装置。主要包括交流（慢速）充电系统和直流（快速）充电系统，电动汽车充电系统如图4-1所示。一、

电动汽车充电系统概述电动汽车对充电系统的基本要求如下：（1）安全性包括人员的人身安全和动力电池的安全。（2）易用性具有较高的智能性，不需要操作人员过多干预充电过程。（3）经济性价格低廉、性能优异的充电设备有助于降低整个电动汽车的成本，促进电动汽车的商业化推广。（4）高效性高效率是对现代电动汽车充电系统的重要要求之一。（5）低污染性采用电力电子技术的充电设备是一种高度非线性的设备，会对供电网及其他供电设备产生有害的谐波污染，而且由于充电设备功率因数低，在充电系统负载增加时，对供电网的影响也不容忽视。2.电动汽车充放电速率的表示方法（1）C率C率又称倍率，是指电池在规定时间内放出其额定容量时所需要的电流值，即：C率=充放电电流（A）/额定容量（A·h）其数值为电池额定容量的倍数。例如：额定容量为100A·h的电池用20A放电时，其放电倍率为0.2C。电池放电C率是表示放电快慢的一种量度。所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，则称为1/5=0.2C放电。（2）时率时率又称小时率，是电池以一定的电流放完其额定容量所需要的小时数，即时率（h）=电池的额定容量（A·h）/规定的充放电电流（A），充放电时间表示的充放电速率。例如：电池额定容量为C20=12A·h，则表示电池应以12/20=0.6A的电流放电，连续达到20h者即为合格。二、慢速充电系统慢速充电系统通过慢速充电线束（家用慢速充电线束、充电桩慢速充电线束）与220V家用交流插座或交流充电桩相连为动力电池进行充电；慢速充电系统将220V交流电转化为直流电，以实现动力电池的电能补给。1.慢速充电系统构成组成：由供电设备（交流充电桩或家用交流电源）、车载充电机、慢充充电口、充电枪、高压线束、低压控制线束、高压控制盒、动力电池、整车控制器（VCU）等部件组成，慢速充电系统构成如图4-2所示。图4-2慢速充电系统构成交流充电桩：采用传导方式为具有车载充电机的电动汽车提供交流电能，提供人机操作界面和交流充电接口，并具备相应保护功能的专用装置，如图4-3所示。交流充电桩可应用在各种大、中、小型电动汽车充电站中。特点：充电功率较小，电池充电时间较长，可充分利用低谷时段充电。图4-3交流充电桩2.慢速充电接口适用于电动汽车传导充电使用，其接口功能定义执行国家标准GBT20234.2-2015《电动汽车传导充电用连接装置》规定，参见表4-1。表4-1慢速充电接口的额定值额定电压V额定电流A2501632北汽EV200的慢充充电口位于传统汽车的油箱口部位，打开充电盖后可以看到充电插头为7孔式，其供电触头布置方式如图4-4所示。注意：不充电时禁止打开充电盖。慢充充电接口电气参数和功能定义如表4-2所示。表4-2慢充充电接口各触头功能定义触头编号/标识功能定义1-（L）交流电源2-（NC1）备用触头3-（NC2）备用触头4-（N）中线5-（PE）保护接地(PE)，连接供电设备地线和车辆底盘地线6-（CC）充电连接确认7-（CP）控制确认（1）慢速充电系统对充电条件的要求

充电线连接确认信号正常；充电机供电电源正常（包括220V和12V）及充电机工作正常；充电唤醒信号输出正常（12V）；充电桩、整车控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）之间通信正常；动力电池电芯温度在5℃～45℃之间；单体电池最高电压与最低电压差小于0.3V；单体电池最高温度与最低温度差小于15℃；绝缘性能大于20MΩ；实际单体最高电压不大于额定单体电压0.4V；高、低压电路连接正常。3.慢速充电工作原理

交流充电桩（或家用16A供电插座）提供的交流电经车载充电机整流、滤波、升压后转换为高压直流电压，通过高压控制盒连接到动力电池，慢速充电系统工作原理如图4-5所示。（2）慢速充电系统工作过程图4-5慢速充电系统工作原理（1）交流供电

（2）充电唤醒

（3）BMS检测充电需求

（4）BMS发送充电指令

（5）充电过程

（6）停止充电三、

快速充电系统1.快速充电系统构成主要由快速充电桩（直流充电桩）、快充接口、高压控制盒、动力电池、整车控制器、高压线束和低压控制线束等组成。直流充电桩及高压控制盒如图4-6所示。图4-6直流充电桩及高压控制盒2.快充充电接口

直流充电桩的充电接口是充电桩与电动汽车快充充电口进行物理连接，完成充电和控制引导的连接器。直流充电桩与电动汽车的充电接口功能定义执行国家标准GB/T20234.3-2015《电动汽车传导充电用连接装置》的规定，如表4-3所示。北汽EV200的快充充电口位于车头前部正中间位置，如图4-7所示。额定电压V额定电流A750125250表4-3直流充电接口额定值快速充电口图4-7快充充电口位置图4-8快充充电口针脚名称表4-4快充充电接口各触头功能定义触头编号/标识功能定义1—(DC+)直流电源正，连接直流电源正与电池正极。2—(DC—)直流电源负，连接直流电源负与电池负极。3—()保护接地(PE)，连接供电设备地线和车辆底盘地线。4—(S+)充电通信CAN_H，连接非车载充电机与电动汽车的通信线，用于实现汽车BMS控制器与充电桩控制器通讯；5—(S—)充电通信CAN_L，连接非车载充电机与电动汽车的通信线。6—(CC1)充电连接确认l，连接确认，用于实现充电插头插入插座连接完好；7—(CC2)充电连接确认2，连接确认，用于实现充电插头插入插座连接完好；。8—(A+)低压辅助电源正，连接非车载充电机为电动汽车提供的低压辅助电源。用于在汽车12伏蓄电池不能工作时保证给汽车上的控制器供电（例如BMS等控制器和继电器等供电）。9—(A—)低压辅助电源负，连接非车载充电机为电动汽车提供的低压辅助电源。3.快速充电工作原理图4-9快速充电系统结构组成（1）直流供电

（2）充电唤醒

（3）BMS检测充电（4）BMS发送充电（5）充电过程

（6）停止充电控制流程直流充电桩结构组成直流充电模块直流充电系统通常由若干充电模块组成。直流充电桩工作原理直流充电机模型（参考ZLG致远电子）S开关：充电枪上的常闭开关，与直流充电枪头上的按键（机械锁）相关联；U1、U2:12V上拉电压；R1～R5：阻值标称为1KΩ的电阻；R1、R2、R3：在充电枪上；R4、R5：在车辆插座上；K3、K4：左侧为12V直流电源，用于给汽车上12V用电的BMS、直流隔离继电器K5、K6等供电，防止12V蓄电池电量不足而不能供电。车辆接口连接确认阶段检测点1：电平从12V6V4V的连续变化。CC1：当充电桩的非车载控制装置检测到4V电压，即判断为充电枪接入成功，车辆接口完全连接，充电枪中的电子锁锁定，防止枪头脱落。CC2：接通R3和R5串联分压12V，检测点2电压为6V，BMS判断充电枪插入到充电插座中。直流充电桩自检阶段（参考ZLG致远电子）车辆连接完好后：K3、K4闭合，12V低压辅助供电回路导通，为BMS供电；检测点2：电压值为6V；BMS：周期性发送通信握手报文；K1、K2：闭合，并进行绝缘检测。绝缘检测：检测DC+、DC-、PE之间线路的绝缘性能，保证后续充电过程的安全性。充电桩准备就绪阶段（参考ZLG致远电子）过程:电动汽车与直流充电桩相互配置，K5、K6闭合，使充电回路导通，充电桩检测充电电压正常（与通信报文描述的电池电压误差不大于±5%且在充电桩输出最大与最小电压的范围内），闭合K1、K2，直流充电线路导通，开始充电。充电桩充电阶段（参考ZLG致远电子）BMS向充电桩充电控制装置实时发送电池充电需求的参数，根据此参数实时调整充电电压和电流，并相互发动各自的状态信息（比如充电桩输出电压、电流、车辆电池的电压、电流SOC率等）充电桩充电结束阶段（参考ZLG致远电子）BMS检测到充电电流小于5A，动力电池已达到充满状态充电桩发送“充电桩终止充电”报文充电结束，先断开K1、K2，再断开K3、K4，停止向汽车供给12V电压。学习目标任务二充电系统关键部件1.认识电动汽车充电机。2.认识DC/DC变换器。3.了解高压控制盒的作用。一、

充电机1.充电机的分类（1）车载充电机（2）地面充电机（3）感应式充电机图4-10车载充电机与充电电源连接（1）车载充电机

车载充电机固定安装在电动汽车上，当需要充电时通过电缆与地面交流电源连接完成充电，由于只需将车载充电机的插头插接到停车场或其附近的交流电源插座上或专用的充电桩上即可进行充电，因此车载充电机又称交流充电机。图4-11地面充电机充电连接（2）地面充电机

地面充电机又称直流充电机，指采用直流充电模式为电动汽车动力电池总成进行充电的充电机。直流充电模式是以充电机输出的可控直流电源直接对动力电池总成进行充电。图4-12感应式充电机充电原理（3）感应式充电机

利用电磁感应耦合方式向电动汽车传输电能，两者之间没有实际的物理连接（即无线充电）图4-13移动式感应充电2.车载充电机的功能功能：采用高频开关电源技术，主要功能是将交流220V市电转换为高压直流电给动力电池进行充电，保证车辆正常行驶。工作过程：需要协调充电桩、电池管理系统（BMS）等部件，同时提供相应的保护功能，包括过压、欠压、过流、欠流等多种保护措施，当充电系统出现异常会及时切断供电。表4-5车载充电机的供电功能电源功能高压直流电经高压控制盒，为动力电池充电低压直流电充电时BMS、VCU、仪表等用电通信形式功能与BMS通信BMS控制车载充电机的工作状态（工作模式指令、动力电池允许最大电压、充电允许最大电流、加热状态电流值等），同时车载充电机将充电状态（单体电压、总电压、温度、电流等）发送给BMS与车辆监控系统通信通过通信系统将充电状态（电压、电流等）发送到车辆仪表或监控系统故障诊断通过通信系统将车载充电机内部的故障信息发送到CAN网络，可以通过诊断仪或CAN卡读出数据表4-7车载充电机的通信功能保护形式保护条件输出过压保护输出大于等于设定电压值时关闭输出输出过流保护输出电流大于设定电流值时关闭输出短路保护输出短路时，充电机自动进入输出限流保护或关闭状态，故障排除后，自动恢复工作过温保护当温度超过过温保护值时，充电机自动进入过温保护状态，当温度恢复正常后，自动恢复工作状态输入过压保护输入大于等于设定电压值时关闭输出输入欠压报警输入小于等于设定电压值时可关闭输出或降低输出功率表4-6车载充电机的保护功能3.车载充电机的结构车载充电机接口：由交流输入端、直流输入端、低压通信端组成车载充电机位置车载充电机接口（1）交流输入端：连接从交流充电插座进来的连接器；交流输入端各针脚含义如图4-17所示。图4-17交流输入端接口针脚（2）直流输出端车载充电机输出到电池的部分；直流输出端各针脚含义如图4-18所示。图4-18直流输出端接口针脚（3）低压通信端车载充电机与电池管理系统（BMS）和外部连接的低压接口；低压通信端各针脚如图4-19所示，底端一排从右向左分别为针脚1～8，上端一排从右向左分别为针脚9～16。图4-19低压通信端接口针脚低压控制端各针脚含义：1脚：新能源CAN_L2脚：新能源CAN_GND5脚：互锁输出（到高压盒低压插件）8脚：GND9脚：新能源CAN_H11脚：CC信号输出13脚：互锁输入（到空调压缩机低压插件）15脚：12V+OUT16脚：12V+IN4.车载充电机的工作原理以北汽EV200车载充电机为例：

采用高频开关电源技术，具有过压、欠压、过流、欠流等保护措施，当充电系统出现异常会及时切断供电。

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。图4-20车载充电机内部结构车载充电机工作过程：01整流电路将输入的220V交流电转变为脉动电流02经过PFC电路（功率因素校正模块）后转变为直流电03进行逆变升压04将变压器输出的交变电流整流滤波后输入动力电池进行充电。充电过程中充电机根据接受整车控制器（VCU）或电池管理系统（BMS）发送的充电电压、充电电流等指令进行工作。表4-8车载充电机参数项目名称参数值输入电压220V±15%AC输出电压240V-410VDC效率满载大于90%冷却方式风冷防护等级IP66二、DC/DC变换器1.DC/DC变换器的结构组成电动汽车中的DC/DC变换器（又称“变压器”）位于机舱内，在高压控制盒与车载充电机之间，主要用于将动力电池的高压直流电转换为12V低压直流电给蓄电池及整车低压用电系统供电。图4-21DC/DC变换器位置示意DC/DC变换器共有4处接线口，分别为：低压输出负极、低压输出正极、低压控制端、高压输入端图4-22DC/DC变换器接线口连接部件A脚：控制电路电源正兼使能（直流12V启动，0～1V关机）B脚：电源状态信号输出（故障线，故障：12V高电平，正常：低电平）C脚：控制电路电源图4-23高压输入端各针脚含义图4-24低压控制端接口针脚1．升压型和降压型2．全桥型和半桥型3．非绝缘型和绝缘型4．单向DC/DC和双向DC/DCDC/DC转换器分类1.降压转换器作用：将高压锂离子（或镍氢电池）电池的电压降压为12V或24V的电压等级，为12V或24V电系负载供电。2.升压转换器（1）对动力电池电压进行升压：采用DC/DC转换器将蓄电池高压升为更高的直流电压来驱动电机，可提高系统的工作效率。（2）对12V铅酸电池进行升压：在高压蓄电池容量不能驱动汽车时，为了让汽车能开离路面，防止阻塞交通。而采用DC/DC转换器将12V/24V铅酸蓄电池电压升为高压锂离子（或镍氢蓄电池）蓄电池的电压来驱动电机。电动汽车中DC/DC功率转换器分为如下两类：保留铅酸蓄电池的必要性电动汽车以动力蓄电池为电源，能够利用DC/DC转换器为铅酸蓄电池充电。汽车装备DC/DC转换器之后，可省去原车交流发电机，按说也能省去12V/24V铅酸蓄电池，但实际上还是保留了铅酸蓄电池，这样做有两大原因。1.能够降低整个车辆的成本

铅酸蓄电池能在短时间内向空调、雨刷及车灯等释放大电流。如果省去铅酸蓄电池，通过DC/DC将动力蓄电池的电力用于空调及雨刷会导致DC/DC转换器的尺寸增大，从而使整体成本增加。另外，铅酸蓄电池便宜，因此目前将铅酸蓄电池置换成动力蓄电池（锂等）还没有成本上的优势。

2.确保电源的冗余度

铅酸蓄电池还有确保向低压供电的冗余度的作用。DC/DC转换器出现故障停止供电时，如果没有铅酸蓄电池，低压电就会立即停止运行。夜间车灯不亮，雨天雨刷停止运行等，就会影响驾驶。如果有铅酸蓄电池，便能够将汽车就近开到家里或者修理厂。12/24V电气系统负荷

在电动汽车上，为了区别12V电系，我们通常将高于60V的直流电压称为高压（这与工业用电和特种产品对高、低压的电压界限是完全不同的）。汽油车通常电气采用12V供电，所以DC/DC降压输出发电机发电时的14伏，对于24V电气系统的柴油车要降压为28伏。2.DC/DC变换器的工作原理工作原理：ECU控制绝缘栅双极晶体管（1GBT）的导通和截止，把动力电池组件的直流电逆变成高压、高频交流电，然后通过变压器把这一高压、高频交流电转变为低压、高频的交流电，最后通过二极管整流滤波变成12V直流电。项目名称参数值输入电压300V～650VDC（通常为330V、400V、650V）输出电压14VDC效率峰值大于88%冷却方式风冷防护等级IP67表4-9DC/DC变换器基本参数1、整车on档上电或充电唤醒2、动力电池完成高压系统预充电流程3、VCU发给DC-DC变换使能信号4、DC-DC变换器开始工作DC-DC变换器工作流程：直流交流转换:控制电路控制晶体管VT1、VT3先导通，经过L的电流由上到下，再控制VT2、VT4导通工作，经过L的电流由下到上。降压过程：L为初级线圈，通过电流为交流电，L1、L2为次级线圈，线圈匝数较少，感应出低压交流电。整流过程：VD1、VD2实现L1、L2的

半波整流。滤波过程：电感L0、电容C2用于滤波，实现电流平滑给铅酸蓄电池充电，从GND构成回路。控制过程：控制电路根据输出的电压反馈进行电压输出控制，以满足晶体管VT1、VT3与VT2、VT4的换流控制。通信过程：控制电路通过CAV与EV-ECU通信实现DC/DC自诊断的输出，同时针对用电负荷增加，可先于电压反馈进行控制。4、DC-DC变换器开始工作以降压型12V转换器为例进行工作原理分析VT1、VT3导通控制：路径：通过VT1、VT3与VT2、VT4的换流，将锂离子电池高压直流电换为高压交流，流过L，经过L1、L2降压为低压交流，由VD1、VD2整流为低压直流向铅酸蓄电池充电。VT2、VT4导通控制：路径：通过VT1、VT3与VT2、VT4的换流，将锂离子电池高压直流电换为高压交流，流过L，经过L1、L2降压为低压交流，由VD1、VD2整流为低压直流向铅酸蓄电池充电。小结1、车载充电机的工作原理；2、DC/DC