新能源汽車車載充電機技術(shù)及相關(guān)標準剖析

與傳統(tǒng)汽車相比較,,新能源汽車有三大核心部件,分別是:

“電池”總成:指電池和電池管理系統(tǒng),;

“電機”總成:指電動機和電動機控制器,;

高壓“電控”總成:包含車載?DC/DC?變換器,、車載充電機、電動空調(diào),、PTC,、高壓配電盒和其他高壓部件,主要部件是車載DC/DC?變換器和車載充電機,。

圖表?1??新能源汽車系統(tǒng)總成結(jié)構(gòu)示意圖

新能源汽車車載充電機技術(shù)及相關(guān)標準剖析

資料來源:一覽眾咨詢


一,、充電機的種類

(一)按充電系統(tǒng)分類

新能源汽車充電系統(tǒng)有許多分類方法,。按照充電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)是否直接接觸,分為接觸式充電系統(tǒng)感應(yīng)式充電系統(tǒng),。

接觸式充電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單,、成本較低、電能傳輸效率高等特點,,是目前主流的充電系統(tǒng),。

感應(yīng)式充電系統(tǒng)不需要電源插座或充電電纜,電能通過埋在路面內(nèi)的充電板無線傳送給車內(nèi)的動力電池實現(xiàn)充電,,感應(yīng)式充電系統(tǒng)具有通用性強,、操作簡單、節(jié)約人力成本,、節(jié)省土地資源等優(yōu)點,。

但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率較低,、成本較高,,目前小范圍應(yīng)用于公交車等公共充電領(lǐng)域。

充電機按照充電系統(tǒng)是否安裝在車上,,分為車載充電系統(tǒng)和非車載充電系統(tǒng),。

車載充電系統(tǒng)安裝在車輛內(nèi)部,具有體積小,、冷卻和封閉性好,、重量輕等優(yōu)點,但功率普遍較小,,充電所耗時間長,;

非車載充電系統(tǒng)安裝在新能源汽車外部,具有規(guī)模大,、使用范圍廣,、功率大等優(yōu)點,但體積大,、重量大,、不易移動,主要適用于新能源汽車的快速充電,。

充電機按照充電所耗時間,,分為慢充系統(tǒng)和快充系統(tǒng),,分別對應(yīng)直流供電和交流供電兩種充電模式,。

慢充系統(tǒng)主要由車輛外部至供電端線纜、充電接口及線纜,、車載充電機,、高壓線束,、高壓配電設(shè)備、動力電池及其控制器等構(gòu)成,。

充電樁或家用交流電源通過車輛接口及線束與車載充電機連接,,將交流220V電源轉(zhuǎn)換為直流電,給動力電池進行充電,。充電過程由車載充電機與BMS之間進行CAN通信交互,,保證充電過程的安全。

相較慢充系統(tǒng),,快充系統(tǒng)架構(gòu)較為簡單,,涉及到的車端零部件僅為充電接口、快充線束,、動力電池及其控制器,。

快充系統(tǒng)供電設(shè)備為充電樁,充電樁內(nèi)部包含電源模塊,、計費系統(tǒng),、通信及控制系統(tǒng)、讀卡及授權(quán)系統(tǒng)等,。

快充系統(tǒng)將三相380V工業(yè)電直接轉(zhuǎn)成直流電給動力電池進行充電,,充電過程由充電系統(tǒng)的通信模塊與BMS進行通信以保證安全。

(二)按充電方式分類

電池采用不同的充電方法對電池壽命會有不同程度的影響,,采用適當?shù)某潆姺绞綄ρ娱L電池的使用壽命意義重大,。常見的車載充電機充電方式有恒壓充電、恒流充電,、階段性充電,、脈沖充電等

恒壓充電,,在整個充電過程中充電電壓保持不變,,充電電流隨著充電時間的增加而逐漸減小,當充電電流小于一定值后停止充電,。整個充電過程中能耗較小,,能有效避免電池過充,控制簡單,,易于操作,。

但往往待充電電池的初始電壓值較小,導(dǎo)致充電初期的充電電流很大,,過大的電流一方面會造成電池極化現(xiàn)象的發(fā)生,,影響充電速度;另一方面造成電池溫度迅速提升,嚴重時容易燒壞電池,,釀成事故,。

所以在充電開始階段,需要對充電電流值進行限制,,讓電池保持在一個可接受的電流范圍內(nèi)充電,。

恒流充電開始時以恒定的電流為動力電池充電,將要充滿時,,改用恒定的小電流進行浮充充電,,用來充足剩余電量和補償電池自放電,當充電電壓達到額定電壓時停止充電,。

恒流充電避免了恒壓充電電流過大的問題,,電流始終被限制在電池組可接受的范圍內(nèi)。

階段性充電根據(jù)實際應(yīng)用情況可以分為兩階段或者三階段充電,。

第一階段為恒流充電,,用大電流快速給電池充電,使電池的電壓達到一定電壓值,,根據(jù)動力電池組電壓設(shè)定,;

第二階段為恒壓充電,用比恒流小點的電流繼續(xù)對電池充電,,降低電池的產(chǎn)氣量,;

第三階段為浮充充電,以涓流給電池充電,,確保電池能夠充滿,,當控制系統(tǒng)檢測充電電流小于一定設(shè)定值時,結(jié)束充電,。

階段性充電結(jié)合了恒壓與恒流充電方式的優(yōu)點,,有利于減少電池的極化,避免了過充和大電流充電沖擊,。

目前,,充電大多采用階段性充電方式。

恒壓充電,、恒流充電和階段性充電的充電電壓和電流是連續(xù)的,,沒有給電池足夠的休息時間來消除極化現(xiàn)象,極化可以引起電池過熱,,析氣等現(xiàn)象,,限制充電速度,嚴重時影響電池壽命,。

脈沖充電方式和正負脈沖充電方式采用不連續(xù)的充電電流,,能有效地減少或消除極化現(xiàn)象的發(fā)生,,加快充電速度和延緩電池的使用壽命。

脈沖充電方式采用脈沖充電間歇為電池提供充足的休息時間,,有利于電池內(nèi)部的活性物充分反應(yīng),,有效地減少和消除極化現(xiàn)象的發(fā)生,,并可以采用較大的電流充電,,而不必擔心電池過熱和析氣,能有效提高充電效率,、縮短充電時間,、延緩電池壽命。

正負脈沖充電方式是對脈沖充電方式的改進,,整個充電過程中包括正脈沖充電,、間歇休息和負脈沖放電。

首先進行正脈沖充電,,休息一段時間后,,再對其進行短暫的負脈沖放電。

對電池短暫的負脈沖放電能有效去除極化現(xiàn)象的發(fā)生,,加快電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng),,降低電池溫度,雖然損失了部分電能,,但能夠使電池以較高的充電電流充電,,能有效加快充電速度和提高充電效率,延緩電池壽命,。

圖表?2??充電機不同充電方式的充電過程示意圖

新能源汽車車載充電機技術(shù)及相關(guān)標準剖析

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二,、工作原理及技術(shù)要點

車載充電機作為一個電力電子系統(tǒng),主要由功率電路和控制電路組成,。

對于功率電路,,由變壓器和功率管組成的DC/DC變換器是其重要組成部分。

對于控制電路,,它的核心是控制器,,用來實現(xiàn)與BMS的CAN通信,并控制功率電路按照三段式充電曲線給鋰電池組充電,。

當車載充電機接上交流電后,,并不是立刻將電能輸出給電池,而是通過BMS?電池管理系統(tǒng)首先對電池的狀態(tài)進行采集分析和判斷,,進而調(diào)整充電機的充電參數(shù),。

車載充電機有兩大部分,電源部分(主回路)和充電機控制主板,。

充電機控制住主板主要是對電源部分進行控制,、監(jiān)測,、計量、計算,、修正,、保護以及與外界網(wǎng)絡(luò)通信等功能,是車載充電機的“中樞大腦”,。

電源部分主要作用是將220伏交流電轉(zhuǎn)化為300多伏的直流電,,電源部分又分為PFC和LLC兩部分,實際上我們可以把PFC看作是AC/DC,而把LLC看作是DC/DC,。

圖表?3??車載充電機工作原理圖

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