車載充電機，工作原理和過程

車載充電機,，工作原理和過程

1 電動汽車充電機種類

電動汽車充電機,，按照是否固定在汽車上,，劃分為車載充電機和非車載充電機兩類,。非車載充電機又分成交流充電樁和直流充電樁兩種,。

車載充電機,，以交流電源作為輸入,，輸出為直流,，直接給動力電池充電；非車載直流充電機,，交流輸入,，直流輸出，可以直接給動力電池充電,。前者功率較小,，后者較大。另外一種,，交流充電樁,，交流作為輸入，輸出也是交流,，不能直接給動力電池充電,，需要連接車載充電機，進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換,，才能實現(xiàn)充電,。交流充電樁內(nèi)部比較簡單，基本功能就是將電網(wǎng)交流電引出到方便電動汽車充電的位置,，并提供一個標(biāo)準(zhǔn)的充電接口,。受到車載充電機能力的限制，交流充電樁功率一般也不需要太大,。

2 車載充電機在電動汽車上的位置

車載充電機作為電動汽車電氣系統(tǒng)的一部分,，被固定在底盤上。車載充電機的輸入端,，以標(biāo)準(zhǔn)充電接口的形式固定在車體上,，用于連接外部電源。車載充電機的輸出端,，直接連接動力電池包慢充電接口,。

在電動汽車CAN總線通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，車載充電機作為一個節(jié)點,，掛在CAN總線上,，通過CAN與整車控制器交換數(shù)據(jù)。

3 充電模式

充電模式指充電過程中,，電流,、電壓以怎樣的規(guī)定性提供給電池,。充電模式，對充電效率,、電池壽命都會產(chǎn)生顯著影響,。

主要的充電模式有恒流充電，恒壓充電,，先恒流后恒壓充電,，同向脈沖充電和正負(fù)脈沖充電幾類。

在基本類型的基礎(chǔ)上,，一直有研究人員在探索更為合理高效的充電方式,。比如，結(jié)合恒流恒壓充電,，中間采用正負(fù)脈沖充電方式,。在較長時間脈沖正向充電以后，夾雜短暫的負(fù)向脈沖充電,，用以消除正向充電過程中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象,，降低回路電阻，進(jìn)而提高了充電效率,，同時對降低充電溫度也有正向作用,。圖示在后面的案例說明中。

下圖所示為當(dāng)前最為常見的充電形式,，恒流-恒壓充電,。電量較低時采用較大電流充電，提高充電速度,；電量較高時,，采用恒壓充電，避免對電池造成傷害,。

4 充電截止條件

充電模式另一個被討論最多的點,，是充電截止條件?？梢员挥米鞒潆娊刂沟呐袚?jù),，常見的有電池包總電壓，電池單體最高電壓,，充電電流,。

電池包總體電壓作為充電截止條件：在充電過程后期，電池包總電壓隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸提高,，達(dá)到某一個設(shè)定閾值后,，充電過程結(jié)束。在這個過程中，如果充電截止總電壓的設(shè)置數(shù)值比較高,，而電池包中單體電芯的一致性又不是特別好，可能出現(xiàn)單體電壓已經(jīng)到了報警閾值,，而總電壓依然沒有觸及截止值的情況,。

單體電池最高電壓作為充電截止條件：把電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到的單體電芯電壓中最大值作為判據(jù)，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定的截止電壓值時,，充電過程結(jié)束,。由于單體之間不一致性的存在，如果沒有合理的均衡措施,，必然存在著一批電芯,，電壓還沒有達(dá)到滿電電壓。

充電電流作為充電截止條件：接近滿充狀態(tài),，電壓恒定,，電流則逐漸減小，當(dāng)電流減小到設(shè)定閾值以下,，充電過程結(jié)束,；

5 組成及工作原理

5.1 組成

上圖是標(biāo)準(zhǔn)《QCT 895-2011 電動汽車用傳導(dǎo)式車載充電機》中的車載充電機結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥吹?，車載充電機主要的組成部分。輸入端口,，控制單元,，功率單元，低壓輔助單元和輸出端口,。

輸入接口,，7個pin口，三類連接,，包括高壓電源連接,、高壓中性線；車輛底盤地,；低壓信號的充電連接確認(rèn)和控制確認(rèn),。標(biāo)準(zhǔn)的輸入接口采用工頻單相輸入220V電壓。但如果功率需要,，也可以啟用兩個備用pin口（pin口NC1,，NC2），可以實現(xiàn)380V輸入,。

控制單元,，采樣輸出電流和電壓，經(jīng)過處理后將實時值傳遞給PID（一種閉環(huán)自動控制技術(shù),，是比例,、積分,、微分控制器的簡稱）控制回路，由控制器比較測量值與期望值之間的差距,，再將調(diào)節(jié)要求傳遞給PWM回路（PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)）,，用脈沖寬度變化去控制高壓回路中功率器件的開閉時間的長短，最終實現(xiàn)輸出電流和電壓盡量接近于主控系統(tǒng)要求的數(shù)值,。

低壓輔助單元,，是一個標(biāo)準(zhǔn)低壓電源，輸出電壓12V或者24V,，用于充電期間,，給電動汽車上的用電器供電，比如電池管理系統(tǒng),、熱管理系統(tǒng),、汽車儀表等。

功率單元,，一般包括輸入整流,，逆變電路和輸出整流3個部分，將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化成適合動力電池系統(tǒng)能夠接受的適當(dāng)電壓的直流電,。

輸出端口,，包括低壓輔助電源正負(fù)極兩個pin口，高壓充電回路正負(fù)極兩個pin口,，底盤地,，通訊線CANH和CANL（還可以有CAN屏蔽），充電請求信號線,。其中,，高壓連個pin口與電池包相連；充電請求信號線用于,，充電機的輸入端口與外部電源之間完成充電連接確認(rèn)以后,，通過“充電請求信號”線向車輛控制器發(fā)送充電請求信號，同時或延時一小段時間后,，用低壓輔助電源給整車供電,。

5.2 工作過程

車載充電機的充電工作過程，在標(biāo)準(zhǔn)《QCT 895-2011 電動汽車用傳導(dǎo)式車載充電機》中有詳細(xì)敘述,。

連接確認(rèn)

上圖所示,，是汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的典型充電連接電路形式，圖示狀態(tài)為電源插頭與車輛上的充電插座插合后的狀態(tài),。

完成插頭插座連接后,，車輛處于不可行駛狀態(tài)（具體實現(xiàn)形式?jīng)]有要求，可以是互鎖回路或者其他狀態(tài)控制方法）；

整車控制器VCU檢查檢測點3的電壓,，用來確認(rèn)插頭插座是否連接完好,。如果連接好，檢測點3應(yīng)該與系統(tǒng)地接通,；

圖中的開關(guān)S1為電源上的起動開關(guān),，閉合后，電源上的PWM發(fā)生器發(fā)出調(diào)制脈沖信號,，VCU檢查檢測點2是否收到PWM信號，如果有信號,，說明充電設(shè)備連接完成,；

車輛就緒

車載充電機充電控制引導(dǎo)電路如上圖所示。在完成前面的連接確認(rèn)過程以后,，車載充電機通過輸出端口的“充電請求信號”線,，向VCU發(fā)送充電請求信號，并通過低壓電源口向整車控制器供電,；如果VCU判斷電池包狀態(tài)可以充電,，則向充電機發(fā)送充電報文包含對充電參數(shù)的要求（報文內(nèi)容為整車通訊報文的一部分）。

電源通過PWM信號向整車控制器提供電源最大充電電流值,，整車控制器綜合考慮電池包,，車載充電機和充電電源三者的最大電流，選擇最小值作為此次充電的電流上限,，避免三者中的任意一方出現(xiàn)過流,。

充電

充電電流閾值設(shè)置完畢，閉合慢充回路繼電器,，開始充電過程,。過程中，VCU監(jiān)測檢測點3的狀態(tài),，周期確認(rèn)連接狀態(tài)是否完好,；電源側(cè)則檢查檢測點1，確認(rèn)連接完好,。

充電完成

充電完成的條件是電池充滿或者前面在充電開始以前,，充電連接確認(rèn)過程中，任何一個連接確認(rèn)條件不滿足,，VCU都會要求充電結(jié)束,，并發(fā)送報文，要求車載充電機停止工作,，并停止低壓供電,。

6 一個充電機設(shè)計案例

何盼盼在她的文章《電動汽車充電機充電策略設(shè)計》中提出了一種充電機的設(shè)計方案。目標(biāo)是實現(xiàn)正負(fù)脈沖充電方式，不太常見,。

根據(jù)馬斯的最佳充電曲線設(shè)計了這個充電過程,，總體想法是在電池電量較低時，其對大電流的接受能力較強,，就使用較大的充電電流,；隨著電量的增加，充電電流逐步減小,。當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值以后,，改為脈沖充電，用短暫的反向脈沖達(dá)到去極化的目的,。電池即將充滿時,，又轉(zhuǎn)換到恒壓充電方式。

充電截止的判斷方式,，采用同時考慮溫度和電壓兩個因素,，設(shè)定最大截止溫度和電壓負(fù)增長兩個條件，如下面的公式所示,。