新能源汽车充电技术浅析(一)

◆文/江苏　谭　婷　吴书龙

新能源汽车充电技术浅析(一)

◆文/江苏谭婷吴书龙

近年来新能源汽车在国家的大力支持下高速发展，当前新能源汽车主要以插电式混合动力和纯电动汽车为主，这两种新能源汽车都需要进行充电，本文根据目前国家采用的交流和直流充电技术，将从充电系统的结构组成、充电标准与技术要求、充电模式和充电方法、充电状态识别等几个方面进行探讨。

一、充电系统的结构组成

对于纯电动汽车和插电式混合动力汽车，高电压蓄电池充电系统是不可缺少的子系统之一，其功能是将电网的电能转化为车载高电压蓄电池的电能，当高电压蓄电池充满后自动停止充电。高电压蓄电池充电系统主要由充电器、充电设备和车载充电接口三部分组成。

1.充电器

充电器是指将电网提供的交直流电能转化为车载高电压蓄电池所需的直流电能的装置(即AC/DC、DC/DC整流器)。纯电动汽车和插电式混合动力汽车充电器分为车载充电器(安装在车内)和非车载充电器(安装在充电桩内)两种。

车载充电器是指将AC/DC整流器安装在插电式混合动力或纯电动汽车上，采用地面交流电网或车载电源对高电压蓄电池组进行充电的装置，如图1所示。车载充电器负责与交流电网建立连接并满足车辆充电电气安全要求。此外还通过控制导线与车辆建立通信。这样可以安全启动充电过程并在车辆与车载充电器之间交换充电参数(例如最大电流强度)。

图1　车载充电器

2.充电设备

充电设备是指为满足纯电动汽车或插电式混合动力汽车充电而配备的户外使用型供电设备，可固定在停车场、广场及其他便于新能源汽车停靠的地点。充电设备给纯电动汽车或插电式混合动力汽车提供单相或三相交流电源，使用标准非接触式智能卡控制充电开始和结束，并提供过压、欠压、过流、过温、防雷等系统保护功能。

(1)移动充电包

所谓的移动充电包，就是一条充电线，任何有普通电源插口的地方都可以充电，体积和重量均较小，所以使用非常方便，如图2所示。可将移动充电包放在发动机室盖下方的移动充电包盒内或者后备箱内。由于使用普通家用插座将移动充电包连接到交流电压网络上，因此限制了最大充电电流强度。在我国针对该交流电压网络提供的相关产品型号可使用最大16A电流强度或最大3.7kW充电功率，属于车载慢充系统，从计算角度来说，使之前完全放电的插电式混合动力与纯电动汽车高电压蓄电池重新充满电大约需要持续7小时。为减少数小时计的最大充电功率使用时间，不允许以最大充电电流进行充电。因此实际充电持续时间更长。

图2　宝马i3移动充电包

需要注意的是使用家用插座为新能源汽车充电时，也需要考虑插座及线路的承受能力，如果采用一些伪劣产品的插座，也可能导致充电插座烧毁、线路烧熔等安全隐患。

(2)固定充电桩

插电式混合动力与纯电动汽车供电设备型号根据其尺寸和电气要求必须以固定方式安装，例如客户屋内或车库内；在公共场所例如停车场也可以设立这种充电桩。固定安装式充电桩设备(又称为“充电桩”)分为交流电充电桩和直流电充电桩。

交流电充电桩可通过二相(美国)或三相(在德国普及)方式将交流电充电桩连接至交流电压网络，但始终通过单相方式与新能源汽车充电接口进行连接。在我国，固定安装式交流电充电桩包括落地式和挂壁式两种，如图3所示。与移动充电包不同，在此最大电流强度可为32A，最大充电功率可为7.4 kW。这些最大值由电气安装所用导线横截面大小所决定。进行安装时，电气专业人员根据导线横截面进行充电桩配置，从而确保可通过控制信号将相应最大电流强度传输至车辆。

在美国，充电电缆与交流电充电站之间不允许使用插接连接件。因此客户无法断开充电电缆与交流电充电站的连接。

图3　固定式交流电充电桩

直流电充电桩是固定安装式充电桩的另一种形式。与交流电充电桩不同，在直流电充电桩内已将交流电压转化为直流电压。因此在新能源汽车上无需通过车载充电器将交流电压转化为直流电压。直流电充电桩通常可提供远高于交流电充电桩的充电功率。因此通过直流电充电桩可更加迅速地为高电压蓄电池充电。

3.车载充电接口

插电式混合动力与纯电动汽车车载充电可分为快充和慢充，为了保证充电迅速高效，使用特定的充电接口进行充电，像在传统车辆上必须打开燃油箱盖一样，按压充电接口盖或操作遥控钥匙开锁按钮从而使充电接口盖开锁。此外，充电时需要保证整车防水密封性要求，通过另一个端盖防止真正的充电接口受潮和弄脏，如图4所示。并且要保证车载充电接口能够承受瞬时大电流的充电过程。

图4　充电口防潮保护装置

车载充电接口一般设置在车辆的侧面(原加油口位置)和前面(车标后面)，不同厂家在充电接口位置设置时略有不同。比亚迪e6电动汽车车载充电接口安装在左侧围外板上，如图5所示。可以用直流充电桩给汽车进行充电，以100A或30A的充电电流给高压蓄电池充电(连接图中左侧充电接口)；也可以充电桩或家用220V交流充电(连接图中右侧充电接口)。

图5　比亚迪e6车载充电接口

二、充电标准和技术要求

1.全球统一标准

为了加速电动汽车市场化进程，降低开发成本，利于供应商、运营商及用户、缩短开发周期并利于电动汽车厂商的出口竞争力，很多充电组件均采用标准化结构和功能。目前全球充电标准统一为“Combo(联合充电系统)”，如图6所示。

图6　全球充电标准统一为“Combo”

其优点是低成本，快速、便利、可靠、体积小、带宽高，可应用于其他场合。目前主要标准有SAE(美国机动车工程师学会)标准和IEC(国际电工委员会)标准。GB(国家标准)暂时没有统一的标准出台。在欧洲国家IEC 61851为相关适用标准；2012年2月21日美国SAE发布了J1772 v4“Combo”标准；中国与国家电网合作，完成充电协议的PWM规范，遵循IEC规范。

2.充电插头的技术要求

所用充电插头为标准化部件(IEC 62196-2)。根据车辆配置和国家规格使用不同充电接口。表1概括了最常见的插头形式。

表1　常见的充电插头型号

(1)美规交流充电插头技术要求

美、日、韩等国家主要使用充电插头型号1进行交流电充电。用于7.4kW交流电充电和3.7kW交流电充电的充电电缆基本上使用相同插头来连接车辆，插头区别仅在于根据充电电缆的电流承载能力，接近导线内的电阻大小不同，图7展示了该插头的结构和接口。

图7　交流充电插头(美规型号 1)

(2)欧规交流充电插头技术要求

欧洲和我国主要使用充电插头型号2进行交流电充电。在与交流电充电，即车载充电机有关的标准中，国网的Q/GDW 399-2009仅规定了接口的定义、实现的功能，对于具体外形尺寸、控制电路并未具体说明；南网只有交流充电桩的标准，而且通过了解，现在交流充电的标准已经统一，即工信部的QCT841-2009，所以文章重点介绍QCT 841-2010中交流接口的部分，图8展示了该插头的结构和接口。

图8　交流充电插头(欧规型号2)