純電動汽車充電原理介紹

范亦銘

摘 要：動力電池是純電動汽車的核心部件之一，正確的充電控制方式能有效提高電池壽命和使用安全，降低車輛使用成本。本文簡要介紹純電動車動力電池的充電系統結構、充電模式及當前對延長電池壽命和提高使用安全的充電控制技術。

關鍵詞：純電動汽車；充電系統結構；充電模式；控制策略

中圖分類號：U469 文獻標識碼：A

0.引言

鑒于現在大城市的汽車尾氣污染嚴重，民眾對降低排放的呼聲日高。純電動車具有低能耗、零排放的特點，是城市低碳出行的理想選擇。2015年以來，隨著國家政策對新能源汽車的扶持，新能源汽車如雨后春筍般的快速推向市場，金龍牌凱歌系列純電動車就是其中市場保有量較大的車型之一。純電動車補充動力的方式是通過外部充電設備給動力電池充電。本文以金龍凱歌車型為例，來介紹純電動車充電系統的工作原理。

一、充電系統結構

1.整車系統原理框圖（圖1）

如圖1所示，充電系統高壓電器部分由以下部件組成：直流充電口、交流充電口、車載充電機、高壓電器盒、動力電池總成、高壓電源線。通信管理方式采用CAN網絡，以整車控制器（VCU）、電池管理系統（BMS）為主要管理單元，監控各執行部件的工作狀態。

2.高壓充電路徑

動力電池的充電系統有兩個充電路徑：直流充電、交流充電。

2.1 直流充電：直流充電口外接直流充電機，經過高壓電氣盒配送給動力電池進行充電。直流充電方式的電流較大，充電速度較快，通常也叫快充模式。

2.2 交流充電：交流充電口外接家用交流電源或交流充電機，通過車載充電機把交流電轉換為直流電，經過高壓電氣盒配送給動力電池進行充電。交流充電方式的充電電流相對較小，充電速度較慢，通常也叫慢充模式。

3.充電通信管理

BMS是動力電池系統管理單元。在充電時能依據自身設置的程序，自動識別充電模式，實時根據電池的工況向充電機發送充電需求參數，監控整個充電過程；在出現充電異常時，限制或中止充電，以保障充電安全。相關充電數據實時傳遞到CAN網絡，與其他通信單元實時交互。

3.1 在使用直流充電模式時，由動力電池管理系統（BMS）、直流充電樁（符合GB/T 17390）配合充電通信管理。

3.2 使用交流充電模式時，由動力電池管理系統（BMS）、車載充電機、交流充電樁配合充電通信管理。

二、充電模式介紹

用戶可根據自身的條件選用直流充電模式或交流充電模式。

1.直流充電模式

1.1 直流充電接口示意圖，如圖2～圖3所示。

1.2 觸頭電氣參數值及功能定義（表1）

1.3 直流充電控制導引電路圖（圖4）

1.4 直流充電流程：（1）快充“插槍”后，直流供電設備通過CC1回路電壓檢測DC直流槍頭是否插接良好，并提供低壓輔助電源給整車供電激活，BMS、VCU上電工作。（2）直流充電設備自檢，若無問題，則開始周期性發送通信握手報文。（3）BMS通過CC2回路電壓檢測DC直流槍頭是否插接良好，若無問題則開始周期性發送通信握手報文。（4）通信握手成功后，BMS控制吸合充電繼電器；直流供電設備檢測電池包電壓正常后，控制直流供電回路導通。（5）充電階段：BMS向直流供電設備實時發送“電池充電需求參數”，直流供電設備根據參數調整充電電壓和充電電流。（6）當BMS檢測到電池達到“滿充狀態”或收到直流供電設備發送的“充電機中止充電報文”時，在確認充電電流小于5A后斷開充電繼電器。

2.交流充電模式

2.1 交流充電接口示意圖，如圖5～圖6所示。

2.2 觸頭電氣參數值及功能定義（表2）

2.3 交流充電控制導引電路：

交流充電常使用16A充電、32A充電兩種模式。控制導引電路原理圖分別如圖7、圖8所示。

2.4 交流充電流程：（1）慢充“插槍”后，交流供電設備通過CC/CP回路電壓檢測樁端槍頭是否插接良好，確認無問題后閉合高壓接觸器給OBC交流輸入供電。（2）OBC上電后，自檢無故障后，輸出低壓輔助電源，BMS和VCU激活上電。（3）VCU檢測到“充電激活信號”和BMS發出的“交流充電連接”后，吸合“慢充高壓繼電器”并控制慢充電子鎖執行“閉鎖邏輯”。（4）BMS通過CC回路電壓檢測車端槍頭是否插接良好并獲得“電纜的額定容量”；通過檢測CP回路的PWM信號確認交流供電設備的最大供電電流；BMS將前兩者與OBC發送的“額定輸入電流值”進行取小設定為OBC的“最大允許輸入電流值”，并將充電電壓及充電電流信息發送OBC。（5） BMS吸合充電繼電器，并通過CAN報文發送“充電機控制命令”，OBC收到后啟動充電。（6） 當BMS檢測到電池達到“滿充狀態”或收到OBC發送的“充電機中止充電報文”時，斷開充電繼電器；VCU檢測到BMS斷開充電繼電器后，斷開“慢充高壓繼電器”并控制慢充電子鎖執行“解鎖邏輯”。

三、充電控制策略

1.BMS系統管理

純電動車常用鋰離子動力電池作為儲能裝置，動力鋰離子電池在應用時通常需要幾十甚至上百節串并聯在一起使用。為了智能化管理及維護各個電池單元，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，電池組使用BMS系統來監控電池組的運行狀態。BMS是BATTERY MANAGEMENT SYSTEM的第一個字母簡稱組合，稱之為電池管理系統。

1.1 BMS系統工作原理圖如圖9所示。

1.2 BMS的主要功能

電池參數檢測：（1）在電池充放電過程中，實時采集電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓。（2）電池均衡管理：為單體電池均衡充電，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態。（3）電池SOC/SOH檢測：準確估測動力電池組的荷電狀態，計算剩余容量，保證SOC維持在合理的范圍內；對電池健康進行估算，測定電池安時容量和功率變化。（4）電池安全管理：控制充電機的啟停以及輸出電壓的給定，保證充電過程安全穩定進行。防止電池過充、過放，防止過流、高溫、低溫；如果有異常，BMS會采取限功率或者斷開主回路的措施保護電池包不受到破壞。（5）高壓安全管理：采集車輛的高壓互鎖（HVIL）信號、監測高壓絕緣狀態，進行絕緣保護，保證車輛的安全使用。（6）其他功能：數據記錄及分析、CRC數據校驗、網絡通信、對電池進行故障分析及在線報警等。

1.3 BMS充電控制策略

（1）按溫度變化調節充電電流：動力電池內部核心是鋰電池，在過溫狀態下持續充電，易造成電池系統的熱失控，引起多種副反應發生，造成進一步的劣化反應，導致成組電池的一致性變差。在低溫下對電池進行長時間的充電，會造成析鋰反應。根據電池最佳充電溫度在25℃～45℃的特性，在此溫度下實行大電流充電；在溫度更低或溫度更高時，分檔降低充電電流。當電池溫度過低（通常設置在0℃）或溫度過高（通常設置在60℃）時，中止充電。（2）按SOC變化調節充電電流，在SOC值較低時，實行恒電流充電；在SOC值較高（通常設置在97%）時，降低充電電流，實行涓流慢充。（3）充電異常管理：BMS監測到以下異常情況時會報警，如：單體電池過壓報警、單體電池欠壓報警、充電過流報警、高溫報警、低溫報警、系統絕緣異常報警。（4）整車充電故障分三級管理：三級故障為嚴重故障，整車報警，BMS中止充電；二級故障為較嚴重故障，整車報警，BMS限功率；一級故障為輕微故障，整車報警。

2.主動柔性充電技術應用

充電樁制造商通過改善充電技術，優化充電效果。如：特來電公司在充電機上使用CMS主動柔性智能充電系統。

CMS充電管理系統結合車輛充電需求及駐車時間，充分利用車輛較長停駐時間的工況（尤其在夜間），并根據電池使用的工況（SOC、SOH）和環境，以優化的一個柔性電流曲線，完成電池的充電過程。柔性曲線按照電池較為理想的充電電流和充電電壓參數，使電池得到一個充分的充電和均衡過程。

柔性曲線的生成考慮了電池的環境溫度、SOC區間和單體電壓、總電壓等因素，在初充階段、電壓平臺階段和充電末段均調整不同的電流，并嚴格控制電池的溫升，使電池能在最優的工況環境下，進行深度的充電，并在尾端提供足夠的用以內部均衡的時間。

CMS配合BMS使用，使動力電池在充電時得到雙重保護，充電效果更佳、更安全。據特來電公司網站介紹，通過該技術的使用，可延緩了動力電池使用壽命的衰減，能延長動力電池使用壽命30%左右。CMS系統在充電過程中能及時診斷并處理各種異常信息，可在BMS失效情況下仍然保證電池充電過程中的安全，安全防護性提升100～1000倍。

四、充電注意事項

1.電池系統充電應遵循“淺充淺放”的原則，建議SOC低于30%安排充電，耗電過度容易影響電池壽命。

2.在BMS上報嚴重故障的情況下，嚴禁對電池系統充電。

3.使用直流充電樁時，使用“手動充電”模式，容易造成電池過充，可能產生異常風險；因此，盡量采用“自動充電”模式。

4.禁止在充電過程中，帶電拔槍。

5.充電完成后，充電口蓋需鎖緊，避免發生異常。

6.雨天避免在露天充電，避免發生危險。

結語

本文介紹了純電動汽車充電系統方面結構、各充電模式的充電流程和充電控制策略方式，可方便電動車用戶了解充電注意事項，更好的使用車輛；也便于維修服務人員對充電故障進行判斷分析參考。

參考文獻

[1] GB/T 20234.2-2015，電動汽車傳導充電用連接裝置第2部分：交流充電接口[S].

[2] GB/T 20234.3-2015，電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分：直流充電接口[S].

[3] GB/T 27930-2015，非車載充電機與電池管理系統之間的通信協議[S].

[4] GB/T 18487.1-2015，電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求[S].