新能源汽车充电系统ppt课件.ppt
第五章 充电系统,5.1 充电系统概述,1.纯电动汽车充电机 电动汽车充电机的分类有不同的方法，总体上可分为车载充电机和 非车载充电机。（1）车载充电机 车载充电机指安装在电动汽车上的，采用地面交流电网和车载电源对蓄电池组进行充电 的装置，包括车载充电机、车载充电发电机组和运行能量回收充电机。车载充电机通常使用 结构简单、控制方便的接触式充电器，也可以是感应充电器，完全按照车载蓄电池的种类进 行设计，针对性较强。,（2）非车载充电机 非车载充电机即地面充电机。根据充电场所和充 电需求的不同，地面充电机主要应用于家庭、充电站及各种公共场所。为了满足各种蓄电池 的各种充电方式，通常地面充电机的功率、体积和重量都比较大，一般设计为大充电率。由于地面充电机和蓄电池管理系统在物理位置上是分开的，因此它们之间必须通过有线或者无 线进行通信。,2.电动汽车充电方式（1）传导式充电方式 传导式充电方式又称接触充电方式，接触充电方式通常采用传统的接触器控制，使用者把充电电源接头（插头）连接到汽车上（插座），即利用金属接触来导电。 接触充电方式的最大优点是：技术成熟、工艺简单和成本低廉。接触充电方式的缺点是：导体裸露在外面不安全，而且会因多次插拔操作，引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能。接触式电的最大问题在于它的安全性和通用性，为了使它满足严格的安全充电标准，必须在电路 上采用许多措施使充电设备能够在各种环境下安全充电。,（2）无线充电方式 电动汽车无线充电方式的研究目前主要集中在感应式充电方式，不需要接触即可实现充电。感应充电方式是采用感应耦合方式充电，即充电电源和汽车接受装置之间不采用直接电接触的方式，而是采用由分离的高频变压器组合而成，通过感应耦合，无接触式传输能量。采用感应耦合方式充电，可以有效解决接触式充电的缺点。感应充电的最大优点是安全，因为充电器与车辆之间并无直接的电接触，即使车辆在恶劣的气候下，如雨雪天，充电也无触电的危险。,3.电动汽车充电模式 现今普遍存在常规充电、快速充电和蓄电池组快速更换三种模式如表5-1所示。,（1）常规充电方式 蓄电池在放电终止后应立即采用小电流或中电流以恒压或恒流方式充电（在特殊情况下也不应超过24小时），一般充电时间为58小时，甚至长达1020小时，这种充电称为常规充电（普通充电）。尽管常规充电的充电时间较长，但可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本，并可提高充电效率和延长蓄电池的使用寿命。,1）常规充电方式类型 常规充电分为小电流充电和中电流充电两种方式。小电流充电方式是以较小的电流根据动力电池的充电曲线进行充电，充电时间通常为 810小时，因采用恒流、恒压充电方式对蓄电池动力电池充电，使整个充电过程更接近动力电池的固有特性，可有效避免动力电池的过充和欠充问题。这种方式以比较低的充电电流为动力电池充电，相关技术成熟可靠，充电机的工作和安装成本也比较低。小电流充电方式主要应用于家庭充电场合，典型的充电电流约为15A，充电时间为8 10小时（充到95%以上）。这种充电方式对电网没有特殊要求，直接从低压照明电路取电， 充电功率小，一般为13kW。,中电流充电方式主要应用在购物中心、饭店门口、停车场等公共场所的小型充电站。小型充电站的充电电流为3060A,充电功率一般为5 20kW，采用三相四线制380V供电或 单相220V供电，计费方式是投币或刷卡，用户只需将车停靠在小型充电站指定的位置上， 接上电线即可开始充电。该方式的充电时间是：补电12小时，充满5 8小时（充到 95%以上），在小型充电站使用中电流充电1小时，电动汽车的行驶里程可增加40km。,2）常规方式的充电模式电动汽车蓄电池类型不同，适应的充电模式也不同。常规充电方式采用的充电模式有：,2.快速充电 快速充电又称应急充电，是以较大电流短时间在电动汽车停车的20分钟至2小时内, 为其提供短时充电服务，一般充电电流为150 400A。快速充电不同于常规充电所采用的恒 流、恒压充电方式。该充电方式是以150400A的大电流对蓄电池进行恒流充电，力求在 短时间内充入较大的电量，充电时间应该与燃油车的加油时间接近，因此快速充电也可称为 迅速充电，主要应用于大型充电站。,3. 蓄电池组快速更换 蓄电池组快速更换，通过直接更换电动汽车的蓄电池组来达到为其充电的目的。蓄电池组快速更换的时间与燃油汽车加油时间相近，需要5 10 分钟，快换可以在充电站、换电站完成，电动汽车蓄电池不需现场充电，但是需要电动汽车 的车载蓄电池实现标准化，即蓄电池的外形、容量等参数完全统一，同时，还要求电动汽车的构造设计能满足更换蓄电池的方便性、快捷性。由于蓄电池组重量较大，更换蓄电池的专业化要求较强，需配备专业人员借助专业机械 来快速完成蓄电池组的更换。换电站的主要设备是蓄电池拆卸、安装设备。,5.2 充电接口,充电接口是指用于连接活动电缆和电动汽车的充电部件，它由充电插座和充电插头两部分组成，是传导式充电机的必备设备，充电插头在充电过程中与充电插座进行结构耦合，从而实现电能的传输。GBT 20234.2-2015电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口和GBT 20234.3-2015电动汽车传导充电用连接装置 第3部分：直流充电接口两个国家标准，对充电接口进行了规范。,1.慢充接口 (1) 慢充接口的位置不同品牌或车型车型的慢充接口的位置可能有所不同，常见于例车辆的左后或右后轮穴上侧，如下图5-1所示：,图5-1 慢充口位置,(2)慢充接口定义 慢充接口如图5-2所示，各脚含义如表5-3所示,图5-2 慢充接口,表5-3慢充接口各脚含义,2. 快充口 (1) 快充口位置 北汽新能源目前大部分车型的快充口都设置在前中网车标的后方，早期的部分车型快充口安装在前机舱内，每次快充时要开着前机舱盖才可以，EC180车型没有快充功能，ARCFOX-1的快充口位于车辆右后轮穴上侧。,(2)快充接口定义 快充接口如图5-3所示，各端子含义如下表5-4所示：,图5-3 快充接口,表5-4快充接口各脚含义,3.连接方式 电动汽车接入电网的方式分为A、B、C三类，如下表5-5所示：,4.充电模式 依据相关的国家标准规定，电动给汽车到电网（电源）给电动汽车供电的连接方有四种模式，如下表5-6所示：,5.3 车载充电机,1.车载充电机定义 车载充电机是采用高频开关电源技术，主要功能是将交流220V市电转换为高压直流电给动力电池进行充电，保证车辆正常行驶。同时车载充电机提供相应的保护功能，包括过压、欠压、过流、欠流等多种保护措施，当充电系统出现异常会及时停止充电，相对于传统工业电源，具有效率高、体积小、耐受恶劣工作环境等特点。车载充电机工作过程中需要协调充电桩、BMS等部件。,2.车载充电机的安装位置 车载充电机既可以独立安装（图5-4）也可以与其它部件集成安装（图5-5）。,图5-4 独立安装的车载充电机,图5-5 与其它部件集成安装的车载充电机,3.车载充电机内部构造 车载充电机内部可分为3部分，主电路、控制电路、线束及标准件。主电路（图5-6）的前端将交流电转换为恒定电压的直流电，主要是全桥电路+PFC电路，后端为DC/DC变换器，将前端转出的直流高压电变换为合适的电压及电流供给动力电池。,控制电路（图5-7）作用是控制MOS管的开关，与BMS之间通讯，监测充电机状态，与充电桩握手等功能。线束及标准件用于主电路及控制电路的连接，固定元器件及电路板。,图5-7 控制电路,4.车载充电机工作原理 下图5-8的是车载充电机拓扑电路，整机功率拓扑由整流电路、交错PFC升压电路和LLC谐振电路组成，整流电路将输入的220V交流电转为脉动电流，经过PFC电路后变为直流电，然后再进行逆变升压，最后将变压器输出的交变电流整流滤波后输入动力电池进行充电。充电过程中充电机根据接受VCU或BMS发送的充电电压、充电电流指令等进行工作。,图5-8 车载充电机原理拓扑图,当车载充电机连接到交流电后，通过BMS电池管理系统首先对电池的状态进行采集分析和判断，进而调整充电机的充电参数。车载充电机工作流程如图5-9所示：,5.4 充电设施及安装调试,1.充电桩分类 依据充电的速度充电桩一般提供常规充电和快速充电两种充电方式。快速充电桩（图5-10），俗称就是“快充”，它是固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，直流充电桩的输入电压采用三相四线AC380V15%，频率50Hz,输出为可调直流电，直接为电动汽车的动力电池充电。由于直流充电桩采用三相四线制供电，可以提供更大的功率输出，输出的电压和电流调整范围大，可以实现快充的要求。,图5-10 快速充电桩,图5-11 常规充电桩,图5-12 挂壁式充电桩,按安装方式充电桩可分为落地式充电桩、挂壁式充电桩图（图5-12），落地式充电桩适合安装在不靠近墙体的停车位，挂壁式充电桩适合安装在靠近墙体的停车位。 按照安装地点，充电桩可分为公共充电桩和专用充电桩。公共充电桩是建设在公共停车场（库）结合停车泊位，为社会车辆提供公共充电服务的充电桩。专用充电桩是建设单位（企业）自有停车场（库），为单位（企业）内部人员使用的充电桩。自用充电桩是建设在个人自有车位（库），为私人用户提供充电的充电桩。充电桩一般结合停车场（库）的停车位建设。安装在户外的充电桩防护等级不应低于IP54，安装在户内的充电桩防护等级不应低于IP32。,2. 慢充桩（1）交流充电桩结构与刷卡交易工作流程 交流充电桩内部结构如图5-13所示，主回路由输入保护断路器、交流智能电能表、交流控制接触器和充电接口连接器组成；二次回路由控制继电器、急停按钮、运行状态指示灯、充电桩智能控制器和人机交互设备（显示、输入与刷卡）组成。,图5-13 慢充桩内部结构示意图,剩余电流是指低压配电线路中各相(含中性线)电流矢量和不为零的电流。 剩余电流动作保护器保护原理如图5-14所示，当剩余电流达到或超过给定值时，能自动断开电路的机械开关电器或组合电器。交流供电设备的剩余电流保护器宜采用A型或B型，符合GB14048.2-2008、GB16916.1-2014和GB 22794-2008的相关要求，应具备防故障电流的保护措施,图5-14 剩余电流保护功能原理,（2）慢充控制引导电路原理,控制导引电路中也可以不配置开关S2（图5-16）,无S2开关的车辆应采用单相充电，且最大充电电流不超过8A。若车辆不配置S2开关，此时供电设备无法与车辆进行交互（S2开关闭合通知供电设备此时可以进行充电，S2开关断开通知供电设备此时应停止充电），为保障充电安全，规定只能采用单相充电，且充电电流不超过8A。,图5-16 S2开关电路原理图,若车辆插座配备有电子锁（方式B/C+大于16A），电子锁应在K1、K2接触器闭合前（机械锁闭合至S2开关闭合之间）锁定，并在状态3（S2开关闭合+监测点1为6V）中保持，在S2断开后、机械锁断开前断开，时序如图5-17所示：,当车辆插头与车辆插座未连接时，S3处于闭合状态，CC未连接，监测点3与PE之间的电阻值为无穷大；半连接时，S3处于断开状态，CC已连接，监测点3与PE之间的电阻值为RC+R4;全连接时，S3处于闭合状态（图5-18），CC已连接，监测点3与PE之间的电阻值为RC，通过RC的电阻值，可以映射出充电电缆的额度容量（表5-3）,图5-18 监测点3与PE之间的电阻值,表5-7 电阻值映射电流值对照表,如果充电桩无故障，并且供电接口已完全连接，则S1从+12V链接状态切换至PWM连接状态，充电桩控制装置发出PWM信号。充电桩通过检测点1的电压值来判断充电装置是否完全链接。车辆控制装置通过测量检测点2的PWM信号，判断充电链接装置是否已完全链接（CP检测）。 在车载充电机（OBC）自检没有故障，并且电池组处于可充电状态时，车辆控制装置闭合S2。当达到操作人员设置的结束条件、操作人员对供电装置实施了停止充电的指令时，供电控制装置应能将控制开关S1切换到+12V连接状态，当检测到S2开关断开时在100ms内通过断开接触器K1和K2切断交流供电回路，超过3s未检测到S2断开则可以强制带载断开接触器K1和K2切断交流供电回路。,供电设备检测车载充电机（5-19）实际工作电流，当供电设备PWM信号对应的最大供电电流20A,且车载充电机实际工作电流超过最大供电电流+2A并保持5s时或供电设备PWM信号对应的最大供电电流20A，且车载充电机实际工作电流超过最大供电电流的1.1倍并保持5s时，供电设备应在5s内断开输出电源并控制开关S1切换到+12V连接状态，这种情况下，可通过重新插拔电缆恢复充电。,图5-19 供电设备检测车载充电机,当电动汽车和充电桩建立电气连接后，车辆控制装置通过判断检测点2的PWM信号占空比确认供电设备的最大可供电能力，并且通过判断RC电阻值来确认电缆的额定容量。车辆控制装置对充电桩当前提供的最大供电电流值、车载充电机的额定输入电流值及电缆的额定容量进行比较，将其最小值设定为车载充电机当前最大允许输入电流，当设置完成后，车载充电机开始对电动汽车进充电。非正常情况下结束充电或停止，车辆S2断开，检测点1的电压为9V，此时车辆接口还处于连接状态，供电设备应在100ms内断开供电回路，保持PWM输出， 这种情况下，不需要重新插拔电缆即可恢复充电。交流充电控制导引电路转换状态如图5-20所示，慢速充电连接控制时序及过程监控如图5-21所示。,图5-20 交流充电控制导引电路转换状态图,图5-21 慢速充电连接控制时序及过程监控图,3.快充桩（1）组成及作用快充桩（直流充电桩）中主要有：AC-DC电源模块、充电控制器、计费控制单元、高压绝缘检测板、显示屏等、熔断器、接触器、浪涌保护器等设备组成，如图5-23所示。,图5-23 快充电气结构图,1）绝缘监测 在充电机端和车辆端均设置IMD（绝缘监测装置）电路，供电接口连接后到K5、K6合闸充电之前，由充电机负责充电机内部（含充电电缆）的绝缘检测；充电机端IMD回路通过开关从充电机直流回路断开，且K5、K6合闸之后的充电过程期间，由电动汽车负责整个系统的绝缘检测,绝缘检测的判断，取R=min(RDC+,PE ,RDC-,PE); 当R500/V,为安全、100/VR500/V,报警，仍可充电；R100/V,故障，停止充电。 充电机进行IMD检测后，应及时对充电输出电压进行泄放，避免在充电阶段对电池负载产生电压冲击。充电结束后，充电机应及时对充电输出电压进行泄放，避免对操作人员造成电击伤害。泄放回路的参数选择应保证在充电连接器断开后1秒内将供电接口电压降到60VDC以下。,2）供电回路接触器监测 直流充电存在供电回路接触器粘连的风险，因此要求供电设备对供电回路的K1、K2进行监测和告警；直流充电存在供电回路接触器粘连的风险，因此要求电动汽车对供电回路的K5、K6进行监测和告警；3）电子锁装置 直流充电时，车辆插头应安装机械锁，供电设备应能判断机械锁是否可靠锁止（机械锁反馈锁止信号-S开关）；车辆插头应安装电子锁（图5-24），电子锁处于锁止位置时，机械锁应无法操作，机械锁与电子锁联动，供电设备应能判断电子锁是否可靠锁止。,图5-24 电子锁装置,（2）充电过程直流充电可控制导引电路原理如图5-25所示，,图5-25 直流充电可控制导引电路原理图,直流充电连接控制时序如下图5-26所示,（3）快充流程快充流程如下图5-27所示,图5-27 快充流程,5.5 无线充电技术,目前，无线电力传输共有三种不同的实现方式：电磁感应式、微波传输式及磁场共振式，三种方式各有优劣。电动汽车无线充电装置不需要用电缆将车辆与供电系统连接，便可以直接对电动汽车的动力蓄电池进行快速充电。无线快速充电装置可布置在停车场、住宅、路边等多种场所，就可以为各种类型的电动（包括外充电式混合动力）汽车提供充电服务，使电动汽车随时随地进行充电，从而使续航里程大大提高。,1. 电磁感应式电磁感应对电气工程师来说再熟悉不过了，变压器就是利用这个原理来传递能量的。,图5-28电磁感应充电方式原理,电动汽车感应耦合充电系统简化功率流程如图5-29所示。电网输人的交流电经过整流 后，通过高频逆变环节，经电缆传输通过感应耦合器后，传送到电动汽车输人端，再经过整流滤波环节，给电动汽车车载蓄电池充电。,电网 滤波 逆变 电缆 高频耦合 整流 电池组,图5-29 电动汽车感应耦合充电系统简化功率流程图,2.磁共振方式,磁共振方式的基本原理与电磁感应相同，也是当线圈有电流流过时，产生磁束，感应线 圈就会有电流流过，特殊的地方在于采用线圈和电容器构成LC共振电路，并且利用控制电路形成相同的共振频率，如图5-30所示。在共振时，能够将两个线圈之间的电阻降至最小，使损耗减小，实现在数米的距离内传输电力。从目前来看，磁共振方式在60cm的传输 距离内能够确保90%的效率，这个距离符合电动汽车底盘的高度。,图5-30磁共振方式的基本工作原理,3.微波方式 基于微波方式的无线供电系统工作原理：首先由设置在地面上的波导缝隙天线发射微波能量，然后通过安装在汽车底部的整流天线受电和整流，最后将电力存储在充电蓄电池中。整流天线由贴片天线和整流电路构成。目前，微波方式处于研发阶段，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蓄电池充电，并且可以实现一点对多点的远距离传送。,本章小结,1.电动汽车充电方式包括传导式充电方式和无线充电方式。导式充电方式又称接触充电方式，接触充电方式通常采用传统的接触器控制，使用者把充电电源接头（插头）连接到汽车上（插座），即利用金属接触来导电。无线充电方式有：电磁感应式、微波传输式及磁场共振式三种方式，无线充电方式的研究目前主要集中在电磁感应式充电方式。 2. 电动汽车充电模式包括常规充电、快速充电和蓄电池组快速更换三种模式。常规充电分为小电流充电和中电流充电两种方式。常规充电方式采用的充电模式有：恒流充电模式、分级恒流充电模式、低压恒压浮充模式、梯度恒压充电模式。,3. 充电接口是指用于连接活动电缆和电动汽车的充电部件，它由充电插座和充电插头两部分组成，是传导式充电机的必备设备，充电插头在充电过程中与充电插座进行结构耦合，从而实现电能的传输。 4. 车载充电机是采用高频开关电源技术，主要功能是将交流220V市电转换为高压直流电给动力电池进行充电，保证车辆正常行驶。同时车载充电机提供相应的保护功能，包括过压、欠压、过流、欠流等多种保护措施，当充电系统出现异常会及时停止充电。 5. 依据充电的速度充电桩一般提供常规充电和快速充电两种充电方式。按安装方式充电桩可分为落地式充电桩、挂壁式充电桩。按照安装地点，充电桩可分为公共充电桩和专用充电桩。,谢谢观看!,
