新能源汽车技术 第七章 电动汽车充电系统

  第七章电动汽车充电系统学习目标:了解纯电动汽车充电方式了解纯电动汽车的充电接口掌握纯电动汽车充电设施熟悉纯电动汽车充电需要注意的几点传统汽车需要供给足够燃油才能行使，电动汽车尤其是纯电动汽车，让其行使必须储存足够的电量，而充电系统就是其提供电的一种方式,电动汽车充电系统设置便捷性和时效性直接影响着电动汽车的运行。根据其现实情况，电动车设置了不同的充电模式，不同的充电模式对电池的充电时间有不同的要求。不同电池都有其最佳的充电电压、电流和充电时间。因此,纯电动汽车的充电技术是维持电动汽车运行的一项必要手段,对纯电动汽车的常规使用的寿命影响很大。纯电动汽车动力电池的充电模式有传统有线方式无线充电方式两种。而传统有线充电模式又分为常规充电方式也叫慢充电模式、快充方式也叫直流充电模式和更换电池方式三种。目前电动汽车的充电还是以普通充电为主、快速补充充电为辅的充电方式。目前电池更换的方式市场没有运行，只有动力电池发生故障才来更换，但是更换电池是电动汽车补充电量的一种发展的新趋势。第一节纯电动汽车充电方式一、有线.慢速充电方式常规充电方式(又称慢充方式)常规充电方式是以较小电流(小于32A),采用恒压、恒流充电方式对电动汽车进行充电,充电时间通常为6~10h,有利于提高充电效率和延长电池的常规使用的寿命。但这种充电方式难以满足紧急使用需求。慢充方式由于充电电流小,相应充电工作和安装成本相比来说较低，充电条件容易满足，灵活方便。例如可在充电站、停车场、路边充电桩甚至在家庭车库都可以充电。慢速充电有充电桩或壁挂式充电盒三相（单相）交流充电和家用单相交流充电两种。充电桩或壁挂式充电盒三相（单相）交流充电不需要配置充电线，需要匹配适合当地电网标准的充电器三相交流电有208V/308V/400V/415V，单相交流电有110V/220V/240V。其额定容量有2.2kW（220VAC，10A）、3.3kW（220VAC，16A）、6.6kW（220VAC，32A）及22.4kW（380VAC，63A）。家用单相交流充电需配充电线V。壁挂式交流充电和家用交流充电如图所示壁挂式交流充电和家用交流充电慢充时需要配置车载充电器，应用车载充电器将交流供电转换为高压直流充电。所以车载充电器是纯电动汽车的一种最基本的充电设备,作为标准配置固定在电动汽车上或放在设置备厢里。由于只需将车载充电器的插头插到停车场或家中的电源插座上即可进行充电,因此充电过程一般由客户自己独立完成。慢充车载充电器采用的是标准三口插座，基本不存在匹配问题，充电电流一般32A或者16A，也有10A功率一般是7KW和3.5KW两种，充电时10A以上的电流需要专门配置插线h之间，充电量(SOC)达到95%以上。这种充电方式对电网没有特别的条件,只要能够很好的满足照明要求的供电电路就能使用。常规充电主要在晚间或用电低谷期进行,价格实惠公道,有利于电能的有效利用。一般是市区运行的家用电动车的首选充电方式。2.快充方式快充方式是指在短时间(1~5h)内使电动汽车的动力电池达到或接近完全充满状态的一种方法。快充是采用充电桩直流充电，如图所示。采用快速充电方式对电池进行充电会影响电池的寿命,充电电流较大对技术安全性要求也较高同时,当电动汽车采用快速充电模式对电池进行充电时,由于充电电流大,将会对供电网络及系统的稳定性产生负面影响。只有在紧急状况下,才考虑采用快充方法。如对确实快要用完电能而将要无法行驶的电动汽车,可利用就近的电源紧急快充一段时间,使其能够到常规充电站去充电。快充方式以150~400A的大充电电流在短时间内为动力电池充电。充电功率很大,一般在30KW到60KW之间。于常规充电相比安装成本、充电成本都相比来说较高。快充也可称为迅速充电或应急充电,其目的是在短时间内给电动汽车充满电,充电时间应该与燃油汽车的加油时间接近,大型充电站(机)多采用这种充电方式。快充方式适用情况为汽车的日平均里程大于汽车最大续驶里程,需要在汽车运行间隙进行快速补充电能来满足行驶需要的运行汽车，电动公交车和出租车是典型的使用车型，快充方式以1~3C的大充电电流在短时间内为蓄电池充电。而家用汽车只有在紧急状况下,才考虑采用快充方法,如对确实快要用完电能而将要无法行驶的电动汽车,可利用就近的电源紧急快充一段时间,使其能够到常规充电站去充电。3.车辆之间相互充电部分电动车具有车辆之间相互充电的功能,如图7-3所示。将放电车辆电源置为“OFF”挡，车辆设置“VTOV”放电模式，10min内使用车辆提供的专用充电设备将两车辆连接好，就可以实现车辆之间相互充电。车辆释放输入电压380V。4.更换电池方式更换电池方式是通过直接更换车载电池的方法补充电能,即在动力电池的电量耗尽时,用充满电的电池更换已经耗尽电的电池。电池归服务站或电池厂商所有,电动汽车用户只需租用电池即可。电动汽车用户把车停在一个特定的区域,然后用更换电池的机器将车上电池取下,换上已充满电的电池。在充电站,充电人员卸下已放完电的电池,通过充电架平台与充电机进行连接进行充电,也可以集中收集起来以后再充电。电池更换站同时具备正常充电站和快速充电站的优点，也就是说可以用低谷电给电池充电,同时又能在很短的时间内完成“加油”过程。利用机械设备,整个电池更换过程可以在10min内完成,与现有的燃油汽车加油时间大致相当。更换电池快速有效，更加有助于电池的合理应用，是电动汽车补充电能的一种发展的新趋势，有广阔的前景。二、无线充电方式随着无线通讯技术的发展，无线通讯技术应用在所有的领域，电动汽车的充电也采用了无线通讯技术，是一种新型的电动汽车电能供给方式。电动汽车无线充电方式的原理类似于在车里使用移动电话,将电能转换成一种符合现行技术规定要求的特殊激光或微波束,在汽车顶上安装一个专用天线接收即可。有了无线充电技术,公路上行驶的电动汽车或双能源汽车可通过安装在电线杆或其他高层建筑上的发射器快速补充电能。电动汽车的无线充电方式有电磁感应式、磁共振式和微波式(无线)电磁感应式电磁感应充电是通过送电线圈和接收线圈之间传输电力,这是接近实用化的一种充电方式。当送电线圈中有交变电流通过时,发送(初级)、接收(次级)两线圈之间产生交替变化的磁场,由此在次级线圈产生随磁场变化的感应电动势,通过接收线圈端对外输出交变电流。电磁感应传输功率大,能达几百千瓦,但电磁感应的原理受制于过短的供电端和受电端距离,传输距离上是10m左右。沃尔沃(Vovo)C30电动汽车即采用电磁感应式充电。电动汽车充电不再需要电源插座或充电电缆,利用感应充电法,电能通过埋在路面内的充电板无线传送给汽车的蓄电池,实现从路面直接汽车充电。这一技术将极大地降低充电时间,沃尔沃C30电动汽车在电池完全放电的情况下,给24kWh的蓄电池组完全充电,仅需要80min。但是这种充电方式存在的问题是,送电距离比较短(约100mm)并且送电与受电两部 分出现较大偏差时,电力传输效率就会显而易见地下降;有异物进 入时,会出现局部发热的情况;电磁波及高频方面防护问题 也不易解决;功率大小与线圈尺寸直接相关,需要大功率传 送电力时,需在基础设施建设和电力设备方面加大投入。这 种方式的成本比较高,还处于实验室研发阶段,其功能还有待 时间验证。 2.磁共振式 磁共振充电主要由电源、电力输出、电力接收、整流器 等主要部分所组成,基础原理与电磁感应方式基本相同。电源 传送部分有电流通过时,所产生的交变磁束使接收部分产生 电势,为电池充电时输出电流。与电磁感应充电方式的不同 之处在于,磁共振充电方式加装了一个高频驱动电源,采用兼 备线圈和电容器的LC共振电路,而并非由简单线圈构成送电 和接收两个单元。共振频率的数值会随送电和接收单元之间 距离的变化而变化，当传送距离发生改变时,传输效率也会 像电磁感应一样迅速降低。因此,可经过控制电路调整共振 频率,使两个单元的电路发生共振,亦即“共鸣”,也称这种 磁共振状态为“磁共鸣”。在控制电路的作用下改变传 送与接收的频率,可将电力传送距离增大至数米,同时将两单 元电路的电阻降至最小,以提高传送效率。当然传输效率还与 发送和接收电单元的直径相关,传送面积越大，传输效率也越 高。目前磁共振充电方式技术上的难点是小型和高效率方面 比较难。现在的技术能力大约是直径为0.5m的线.微波式 微波式又叫移动式充电。对电动汽车电池而言,最理想的 情况就是汽车在路上边行驶边充电,即所谓的移动式充电。这 样,电动汽车用户就没有必要去寻找充电站或停放点去充电， 节约了时间，微波充电使用245GHz的电波发生装置传送电 力,发送装置与微波炉使用的“磁控管”基本相同。传送 的微波也是交流电波,可用天线在不同方向接收,用整流电 路转换成直流电为汽车电池充电,并能实现一点对多 点的远距离传送。为防止充电时微波外漏,充电部分装有 金属屏蔽装置,使用中送电与受电之间的有效屏蔽可防止 微波外漏。 第二节 纯电动汽车充电 电动汽车的充电分直流充电和交流充电。 交流充电用在常规充电或慢充电方式中，主要是通过 交流充电桩、壁挂式充电盒以及家用供电插座接入交流充 电口，通过车载充电器将220V或380V的交流电转为650V 直流高压电给动力电池充电。 直流充电主要是通过充电站的充电柜将直流高压电直接 通过直流充电口给动力电池充电。 电动汽车的充电系统主要组成部分：交流充电口、直流充电 口、高压电控总成、动力电池包、电池管理器等，如图所示 直流充电口 交流充电口 高压电控总成 动力电池包 电池管理器 电动汽车的充电系统组成 一、交流充电 交流充电可大致分为单相交流充电和三相交流充电两种，其充 电接口相同。 1.单相交流充电 单相交流充电主要应用家庭用户充电设施和一些标准的公共 充电设施，这类充电接口最简单，提供单相交流充电使用。充 电线如图所。 单相交流充电器 电源插头一般为三个端子，分别为交流火线、交流零线和接地线。 它与传统的电源插座类似，只是形体和额定的电流比较大，选择插 线A以上插线板。充电插头与电动汽车充电口 相连进行充电。 2.三相交流充电 三相交流充电通常用于较大的充电站，这种充电电流比较大， 外形相对较大，功能复杂。由于这类插头较大，设计的形状类似 于枪，所以一般称为充电枪，如图所示。采用三相供电时，电流 不大于63A，充电电压处于250V-440V之间，我国三相电没有进入 家庭，所以三相交流充电一般在充电站等地方使用。 常见的充电枪形状 3.车载充电机 不管是单相交流充电还是三相交流充电，都需要车载充电 机，结构如图。 壁挂式充电系统自带充电线，家庭充电需要车辆配充电线。车载充电机具备通过高速 CAN网络与电池管理系统通信的功 能,能够判断动力电池连接状态是不是正确;获得动力电池系统 参数、充电前和充电过程中动力电池的实时数据;可通过高速 CAN网络与车辆监控系统通信,上传充电机的工作状态、工作 参数和故障警告信息,接受启动充电或停止充电控制命令;具 备完备的安全防护措施。（ 交流输人过电压保护功能;交流 输人欠电压警告功能;交流输人过电流保护功能;直流输出过 电流保护功能;直流输出短路保护功能;输出软启动功能,防 止电流冲击，在充电过程中,充电机能保证动力电池的温度、 充电电压和电流不超过允许值;具有单体电池电压限制功 能,自动根据电池管理系统的动力电池信息动态调整充电电 流;自动判断充电插接器、 充电电缆是不是正确连接;当充 电机与充电桩和动力电池正确连接后,充电机允许开始充 电;当充电机检测到与充电桩或动力电池连接不正帘时, 立马停止充电;充电联锁功能,保证充电机与动力电池连 接分开以前车辆不能起动;高压互锁功能,当有危害人身 安全的高压时,模块锁定无输出;具有阻燃功能） 4.交流充电系统充电口的定义与功能 2011年GB/T20234-2011推荐性标准，规定了交流额定 电压不超过690V，频率50Hz，额定电流不超过250A,交流 充电口端子一般都会采用七孔式的充电口，如图所示。交流 充电口的连接如图，交流充个电口各端子定义与功能如