?五、充電系統(tǒng)

車載動力電池需要不斷地充電。不同的汽車生產(chǎn)廠商所生產(chǎn)的電動汽車往往需要采用某一特定的充電方法或者配備專用的充電設備。

1.充電功能

電池充電通常應該實現(xiàn)以下4個功能。

① 將市電電力變換為電動汽車充電電力,供給與動力電池額定條件相對應的電力。

② 根據(jù)動力電池的實時狀態(tài)控制充電的啟動和停止,當動力電池充滿電后自動停止充電。

③ 根據(jù)動力電池的電量、溫度,調節(jié)充電電流,控制電池的溫度。

④ 可根據(jù)充電時長的需求來選擇充電模式,即快充或慢充模式。

2.充電系統(tǒng)類型

純電動汽車配備的充電系統(tǒng)分為車載充電和非車載充電兩種。

(1)車載充電　車載充電也稱常規(guī)充電、傳統(tǒng)充電及慢充電,指采用地面交流電網(wǎng)和車載充電器(也稱車載充電機)對動力電池組進行充電。充電時,只需將車載充電器的插頭插到停車場或家中的電源插座上即可進行充電,因此充電過程一般由客戶自己獨立完成,如圖1?40所示。

車載充電器一般設計為小充電率,充電時間為5~8h。充電器和電池管理系統(tǒng)(負責監(jiān)控動力電池的電壓、溫度和荷電狀態(tài))都安裝在車上,所以它們相互之間容易利用電動汽車的內部線路網(wǎng)絡進行通信。

這種充電方式對電網(wǎng)沒有特殊要求,只要能夠滿足照明要求的供電系統(tǒng)就能夠使用。由于在家中充電通常是晚上或者是在用電低谷期,有利于電能的有效利用,因此電力部門一般會給予電動汽車用戶一些優(yōu)惠,例如用電低谷期充電打折。

(2)非車載充電　非車載充電也稱為地面充電及快速充電,指利用專用或通用充電器、專用或公共場所用充電站等對動力電池組進行充電,如圖1?41所示。

通常非車載充電器的功率、體積和質量均比較大,以便能夠適應各種充電方式,采用三相四線制380V供電,其典型的充電時間是10~30min。非車載充電器與動力電池管理系統(tǒng)在物理位置上是分開的。

非車載充電方式可分為接觸式和非接觸式兩種。

接觸式充電也稱為耦合式或傳導式充電,就是將一根帶插頭的交流動力電纜線直接插到電動汽車的插座中給電池充電,圖1?40和圖1?41所示的充電方式均為接觸式。這種充電方式的優(yōu)點是充電操作過程簡單,不涉及電池存儲、電池更換等操作。但車輛充電時間占用了較多的運行時間,不利于保持電池組的均衡性及可靠的壽命。

非接觸式充電也稱無線充電。目前,電動汽車無線充電的實現(xiàn)方案是,將汽車停靠在配置有無線充電傳感器(圖1?42)的城市路面或車庫里,就可以不需要電源線為汽車充電。

已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)的純電動車輛,為了滿足快、慢兩種充電的需要,通常在車輛上同時設置車載充電機和快速充電接口。圖1?43所示為比亞迪e6純電動汽車充電接口外觀圖,圖中左側接口為快速充電接口,右側的為慢充接口。圖1?44為兩個接口的端子布局。

3.充電機

充電機是與交流電網(wǎng)連接,為動力電池等可充電的儲能系統(tǒng)提供直流電能的設備。一般由控制單元、計量單元、充電接口、供電接口及人機交互界面等部分組成,實現(xiàn)充電計量等功能,并具有反接、過載、短路、過熱等多重保護功能及延時啟動、軟啟動、斷電記憶、自動啟動等功能。

電動車輛充電機根據(jù)不同的分類標準,可分為多種類型,見表1?8。

① 車載充電機。車載充電機安裝于電動車輛上,通過插頭和電纜與交流插座連接。車載充電機的優(yōu)點是在動力電池需要充電的任何時候,只要有可用的供電插座,就可以進行充電。其缺點是受車上安裝空間和質量限制,功率小,只能提供小電流慢速充電,充電時間較長。

② 非車載充電機。非車載充電機也稱為地面充電機,一般安裝于固定的地點或可移動,交流輸入端與交流輸入電源連接,直流輸出端與需要充電的電動汽車充電接口相連接。非車載充電機可提供大功率電流輸出,不受車輛安裝空間的限制,可滿足電動車輛大功率快速充電的要求。圖1?45所示為比亞迪純電動汽車配套的非車載充電機實物圖。

固定式非車載充電機也稱為充電樁,通常布置在停車場、商業(yè)網(wǎng)點等車輛密集區(qū)域,以方便車主對車輛充電,如圖1?46所示。　

③ 傳導式充電機。傳導式充電機的供電部分與受電部分有機械式的連接,即充電機輸出端通過電力電纜直接連接到電動汽車充電接口上,電動汽車上不裝備相關電力電子電路。這種充電機結構相對簡單,容易實現(xiàn),也是目前電動汽車應用最普遍的充電方式。這種充電方式中,操作人員不可避免地要接觸強電,所以容易發(fā)生危險。

④ 感應式充電機。感應式充電機利用了電磁能量傳遞原理,以電磁感應耦合方式向電動汽車傳輸電能,供電部分和受電部分之間沒有直接的機械連接,其充電原理如圖1?47所示。兩者的能量傳遞只是依靠電磁能量的轉換。這種結構設計比較復雜,受電部分安裝在電動車輛上,受到車輛安裝空間的制約,功率受到一定限制,但由于不需要充電人員直接接觸高壓部件,安全性高。

4.智能充電管理

智能充電管理即無需人工過多干預,由充電機充電管理系統(tǒng)和車載BMS(蓄電池管理系統(tǒng))聯(lián)合進行的智能充電管理模式。

充電策略的實現(xiàn),需要電池管理系統(tǒng)與充電機間實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)實時判斷。電池管理系統(tǒng)完成電池系統(tǒng)中參數(shù)的采集工作,在現(xiàn)有的智能充電中,通過實現(xiàn)與充電機的通信,保證充電安全性,實現(xiàn)充電過程的有效控制。其基本系統(tǒng)結構如圖1?48所示。

BMS的作用是實現(xiàn)對電池狀態(tài)的在線監(jiān)測(電池的溫度、單體電池電壓、工作電池、電池和電池箱之間的絕緣)、SOC估算、狀態(tài)分析(SOC是否過高、電池溫度是否過高/低、單體電池電壓是否超高/低、電池的溫升是否過快、絕緣是否故障、是否過電流、電池的一致性分析、電池組是否存在故障以及是否存在通信故障等),以便實施必要的熱管理。充電機的主要任務是電源變換、輸出電壓和電流的閉環(huán)控制、必要的保護以及與BMS通信,實現(xiàn)對電池狀態(tài)的全面了解和對輸出電流的動態(tài)調節(jié)。當電池組需要充電的時候,除了充電機的輸出總正和總負動力線需要與電池組相連以外,BMS和充電機之間還增加了用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的通信線。

智能充電模式的特點是:通過在電池管理系統(tǒng)和充電機系統(tǒng)之間建立通信鏈路,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享,使得在整個充電過程中電池的電壓、溫度以及絕緣性能等與安全性相關的參數(shù)都能參與電池的充電控制和管理,使得充電機能充分地了解電池的狀態(tài)和信息,并據(jù)此改變充電電流,有效地防止了電池組中所有電池發(fā)生過充電和溫度過高的情況,提高了串聯(lián)成組電池充電的安全性。另外,該充電模式完善了BMS的管理和控制功能,提高了充電安全性和智能化水平,還簡化了操作人員設置充電參數(shù)等繁瑣的工作,使得充電機具有了更好的適應性。通過這一模式,充電機不需要區(qū)分電池的類型,只需要得到BMS提供的電流指令就能實現(xiàn)安全充電。