纯电动汽车充电原理介绍

2017-09-07范亦铭

中国新技术新产品 2017年18期

关键词：纯电动汽车控制策略

范亦铭

摘要：动力电池是纯电动汽车的核心部件之一，正确的充电控制方式能有效提高电池寿命和使用安全，降低车辆使用成本。本文简要介绍纯电动车动力电池的充电系统结构、充电模式及当前对延长电池寿命和提高使用安全的充电控制技术。

关键词：纯电动汽车；充电系统结构；充电模式；控制策略

中图分类号：U469 文献标识码：A

0.引言

鉴于现在大城市的汽车尾气污染严重，民众对降低排放的呼声日高。純电动车具有低能耗、零排放的特点，是城市低碳出行的理想选择。2015年以来，随着国家政策对新能源汽车的扶持，新能源汽车如雨后春笋般的快速推向市场，金龙牌凯歌系列纯电动车就是其中市场保有量较大的车型之一。纯电动车补充动力的方式是通过外部充电设备给动力电池充电。本文以金龙凯歌车型为例，来介绍纯电动车充电系统的工作原理。

一、充电系统结构

1.整车系统原理框图（图1）

如图1所示，充电系统高压电器部分由以下部件组成：直流充电口、交流充电口、车载充电机、高压电器盒、动力电池总成、高压电源线。通信管理方式采用CAN网络，以整车控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）为主要管理单元，监控各执行部件的工作状态。

2.高压充电路径

动力电池的充电系统有两个充电路径：直流充电、交流充电。

2.1 直流充电：直流充电口外接直流充电机，经过高压电气盒配送给动力电池进行充电。直流充电方式的电流较大，充电速度较快，通常也叫快充模式。

2.2 交流充电：交流充电口外接家用交流电源或交流充电机，通过车载充电机把交流电转换为直流电，经过高压电气盒配送给动力电池进行充电。交流充电方式的充电电流相对较小，充电速度较慢，通常也叫慢充模式。

3.充电通信管理

BMS是动力电池系统管理单元。在充电时能依据自身设置的程序，自动识别充电模式，实时根据电池的工况向充电机发送充电需求参数，监控整个充电过程；在出现充电异常时，限制或中止充电，以保障充电安全。相关充电数据实时传递到CAN网络，与其他通信单元实时交互。

3.1 在使用直流充电模式时，由动力电池管理系统（BMS）、直流充电桩（符合GB/T 17390）配合充电通信管理。

3.2 使用交流充电模式时，由动力电池管理系统（BMS）、车载充电机、交流充电桩配合充电通信管理。

二、充电模式介绍

用户可根据自身的条件选用直流充电模式或交流充电模式。

1.直流充电模式

1.1 直流充电接口示意图，如图2～图3所示。

1.2 触头电气参数值及功能定义（表1）

1.3 直流充电控制导引电路图（图4）

1.4 直流充电流程：（1）快充“插枪”后，直流供电设备通过CC1回路电压检测DC直流枪头是否插接良好，并提供低压辅助电源给整车供电激活，BMS、VCU上电工作。（2）直流充电设备自检，若无问题，则开始周期性发送通信握手报文。（3）BMS通过CC2回路电压检测DC直流枪头是否插接良好，若无问题则开始周期性发送通信握手报文。（4）通信握手成功后，BMS控制吸合充电继电器；直流供电设备检测电池包电压正常后，控制直流供电回路导通。（5）充电阶段：BMS向直流供电设备实时发送“电池充电需求参数”，直流供电设备根据参数调整充电电压和充电电流。（6）当BMS检测到电池达到“满充状态”或收到直流供电设备发送的“充电机中止充电报文”时，在确认充电电流小于5A后断开充电继电器。

2.交流充电模式

2.1 交流充电接口示意图，如图5～图6所示。

2.2 触头电气参数值及功能定义（表2）

2.3 交流充电控制导引电路：

交流充电常使用16A充电、32A充电两种模式。控制导引电路原理图分别如图7、图8所示。

2.4 交流充电流程：（1）慢充“插枪”后，交流供电设备通过CC/CP回路电压检测桩端枪头是否插接良好，确认无问题后闭合高压接触器给OBC交流输入供电。（2）OBC上电后，自检无故障后，输出低压辅助电源，BMS和VCU激活上电。（3）VCU检测到“充电激活信号”和BMS发出的“交流充电连接”后，吸合“慢充高压继电器”并控制慢充电子锁执行“闭锁逻辑”。（4）BMS通过CC回路电压检测车端枪头是否插接良好并获得“电缆的额定容量”；通过检测CP回路的PWM信号确认交流供电设备的最大供电电流；BMS将前两者与OBC发送的“额定输入电流值”进行取小设定为OBC的“最大允许输入电流值”，并将充电电压及充电电流信息发送OBC。（5） BMS吸合充电继电器，并通过CAN报文发送“充电机控制命令”，OBC收到后启动充电。（6）当BMS检测到电池达到“满充状态”或收到OBC发送的“充电机中止充电报文”时，断开充电继电器；VCU检测到BMS断开充电继电器后，断开“慢充高压继电器”并控制慢充电子锁执行“解锁逻辑”。

三、充电控制策略

1.BMS系统管理

纯电动车常用锂离子动力电池作为储能装置，动力锂离子电池在应用时通常需要几十甚至上百节串并联在一起使用。为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，电池组使用BMS系统来监控电池组的运行状态。BMS是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的第一个字母简称组合，称之为电池管理系统。

1.1 BMS系统工作原理图如图9所示。

1.2 BMS的主要功能

电池参数检测：（1）在电池充放电过程中，实时采集电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压。（2）电池均衡管理：为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。（3）电池SOC/SOH检测：准确估测动力电池组的荷电状态，计算剩余容量，保证SOC维持在合理的范围内；对电池健康进行估算，测定电池安时容量和功率变化。（4）电池安全管理：控制充电机的启停以及输出电压的给定，保证充电过程安全稳定进行。防止电池过充、过放，防止过流、高温、低温；如果有异常，BMS会采取限功率或者断开主回路的措施保护电池包不受到破坏。（5）高压安全管理：采集车辆的高压互锁（HVIL）信号、监测高压绝缘状态，进行绝缘保护，保证车辆的安全使用。（6）其他功能：数据记录及分析、CRC数据校验、网络通信、对电池进行故障分析及在线报警等。

1.3 BMS充电控制策略

（1）按温度变化调节充电电流：动力电池内部核心是锂电池，在过温状态下持续充电，易造成电池系统的热失控，引起多种副反应发生，造成进一步的劣化反应，导致成组电池的一致性变差。在低温下对电池进行长时间的充电，会造成析锂反应。根据电池最佳充电温度在25℃～45℃的特性，在此温度下实行大电流充电；在温度更低或温度更高时，分档降低充电电流。当电池温度过低（通常设置在0℃）或温度过高（通常设置在60℃）时，中止充电。（2）按SOC变化调节充电电流，在SOC值较低时，实行恒电流充电；在SOC值较高（通常设置在97%）时，降低充电电流，实行涓流慢充。（3）充电异常管理：BMS监测到以下异常情况时会报警，如：单体电池过压报警、单体电池欠压报警、充电过流报警、高温报警、低温报警、系统绝缘异常报警。（4）整车充电故障分三级管理：三级故障为严重故障，整车报警，BMS中止充电；二级故障为较严重故障，整车报警，BMS限功率；一级故障为轻微故障，整车报警。

2.主动柔性充电技术应用

充电桩制造商通过改善充电技术，优化充电效果。如：特来电公司在充电机上使用CMS主动柔性智能充电系统。

CMS充电管理系统结合车辆充电需求及驻车时间，充分利用车辆较长停驻时间的工况（尤其在夜间），并根据电池使用的工况（SOC、SOH）和环境，以优化的一个柔性电流曲线，完成电池的充电过程。柔性曲线按照电池较为理想的充电电流和充电电压参数，使电池得到一个充分的充电和均衡过程。

柔性曲线的生成考虑了电池的环境温度、SOC区间和单体电压、总电压等因素，在初充阶段、电压平台阶段和充电末段均调整不同的电流，并严格控制电池的温升，使电池能在最优的工况环境下，进行深度的充电，并在尾端提供足够的用以内部均衡的时间。

CMS配合BMS使用，使动力电池在充电时得到双重保护，充电效果更佳、更安全。据特来电公司网站介绍，通过该技术的使用，可延缓了动力电池使用寿命的衰减，能延长动力电池使用寿命30%左右。CMS系统在充电过程中能及时诊断并处理各种异常信息，可在BMS失效情况下仍然保证电池充电过程中的安全，安全防护性提升100～1000倍。

四、充电注意事项

1.电池系统充电应遵循“浅充浅放”的原则，建议SOC低于30%安排充电，耗电过度容易影响电池寿命。

2.在BMS上报严重故障的情况下，严禁对电池系统充电。

3.使用直流充电桩时，使用“手动充电”模式，容易造成电池过充，可能产生异常风险；因此，尽量采用“自动充电”模式。

4.禁止在充電过程中，带电拔枪。

5.充电完成后，充电口盖需锁紧，避免发生异常。

6.雨天避免在露天充电，避免发生危险。

结语

本文介绍了纯电动汽车充电系统方面结构、各充电模式的充电流程和充电控制策略方式，可方便电动车用户了解充电注意事项，更好的使用车辆；也便于维修服务人员对充电故障进行判断分析参考。

参考文献

[1] GB/T 20234.2-2015，电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口[S].

[2] GB/T 20234.3-2015，电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口[S].