五、充电系统

车载动力电池需要不断地充电。不同的汽车生产厂商所生产的电动汽车往往需要采用某一特定的充电方法或者配备专用的充电设备。

1.充电功能

电池充电通常应该实现以下4个功能。

① 将市电电力变换为电动汽车充电电力,供给与动力电池额定条件相对应的电力。

② 根据动力电池的实时状态控制充电的启动和停止,当动力电池充满电后自动停止充电。

③ 根据动力电池的电量、温度,调节充电电流,控制电池的温度。

④ 可根据充电时长的需求来选择充电模式,即快充或慢充模式。

2.充电系统类型

纯电动汽车配备的充电系统分为车载充电和非车载充电两种。

(1)车载充电　车载充电也称常规充电、传统充电及慢充电,指采用地面交流电网和车载充电器(也称车载充电机)对动力电池组进行充电。充电时,只需将车载充电器的插头插到停车场或家中的电源插座上即可进行充电,因此充电过程一般由客户自己独立完成,如图1⁃40所示。

车载充电器一般设计为小充电率,充电时间为5~8h。充电器和电池管理系统(负责监控动力电池的电压、温度和荷电状态)都安装在车上,所以它们相互之间容易利用电动汽车的内部线路网络进行通信。

这种充电方式对电网没有特殊要求,只要能够满足照明要求的供电系统就能够使用。由于在家中充电通常是晚上或者是在用电低谷期,有利于电能的有效利用,因此电力部门一般会给予电动汽车用户一些优惠,例如用电低谷期充电打折。

(2)非车载充电　非车载充电也称为地面充电及快速充电,指利用专用或通用充电器、专用或公共场所用充电站等对动力电池组进行充电,如图1⁃41所示。

通常非车载充电器的功率、体积和质量均比较大,以便能够适应各种充电方式,采用三相四线制380V供电,其典型的充电时间是10~30min。非车载充电器与动力电池管理系统在物理位置上是分开的。

非车载充电方式可分为接触式和非接触式两种。

接触式充电也称为耦合式或传导式充电,就是将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电池充电,图1⁃40和图1⁃41所示的充电方式均为接触式。这种充电方式的优点是充电操作过程简单,不涉及电池存储、电池更换等操作。但车辆充电时间占用了较多的运行时间,不利于保持电池组的均衡性及可靠的寿命。

非接触式充电也称无线充电。目前,电动汽车无线充电的实现方案是,将汽车停靠在配置有无线充电传感器(图1⁃42)的城市路面或车库里,就可以不需要电源线为汽车充电。

已经商业化生产的纯电动车辆,为了满足快、慢两种充电的需要,通常在车辆上同时设置车载充电机和快速充电接口。图1⁃43所示为比亚迪e6纯电动汽车充电接口外观图,图中左侧接口为快速充电接口,右侧的为慢充接口。图1⁃44为两个接口的端子布局。

3.充电机

充电机是与交流电网连接,为动力电池等可充电的储能系统提供直流电能的设备。一般由控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等部分组成,实现充电计量等功能,并具有反接、过载、短路、过热等多重保护功能及延时启动、软启动、断电记忆、自动启动等功能。

电动车辆充电机根据不同的分类标准,可分为多种类型,见表1⁃8。

① 车载充电机。车载充电机安装于电动车辆上,通过插头和电缆与交流插座连接。车载充电机的优点是在动力电池需要充电的任何时候,只要有可用的供电插座,就可以进行充电。其缺点是受车上安装空间和质量限制,功率小,只能提供小电流慢速充电,充电时间较长。

② 非车载充电机。非车载充电机也称为地面充电机,一般安装于固定的地点或可移动,交流输入端与交流输入电源连接,直流输出端与需要充电的电动汽车充电接口相连接。非车载充电机可提供大功率电流输出,不受车辆安装空间的限制,可满足电动车辆大功率快速充电的要求。图1⁃45所示为比亚迪纯电动汽车配套的非车载充电机实物图。

固定式非车载充电机也称为充电桩,通常布置在停车场、商业网点等车辆密集区域,以方便车主对车辆充电,如图1⁃46所示。　

③ 传导式充电机。传导式充电机的供电部分与受电部分有机械式的连接,即充电机输出端通过电力电缆直接连接到电动汽车充电接口上,电动汽车上不装备相关电力电子电路。这种充电机结构相对简单,容易实现,也是目前电动汽车应用最普遍的充电方式。这种充电方式中,操作人员不可避免地要接触强电,所以容易发生危险。

④ 感应式充电机。感应式充电机利用了电磁能量传递原理,以电磁感应耦合方式向电动汽车传输电能,供电部分和受电部分之间没有直接的机械连接,其充电原理如图1⁃47所示。两者的能量传递只是依靠电磁能量的转换。这种结构设计比较复杂,受电部分安装在电动车辆上,受到车辆安装空间的制约,功率受到一定限制,但由于不需要充电人员直接接触高压部件,安全性高。

4.智能充电管理

智能充电管理即无需人工过多干预,由充电机充电管理系统和车载BMS(蓄电池管理系统)联合进行的智能充电管理模式。

充电策略的实现,需要电池管理系统与充电机间实现有效的数据传输和参数实时判断。电池管理系统完成电池系统中参数的采集工作,在现有的智能充电中,通过实现与充电机的通信,保证充电安全性,实现充电过程的有效控制。其基本系统结构如图1⁃48所示。

BMS的作用是实现对电池状态的在线监测(电池的温度、单体电池电压、工作电池、电池和电池箱之间的绝缘)、SOC估算、状态分析(SOC是否过高、电池温度是否过高/低、单体电池电压是否超高/低、电池的温升是否过快、绝缘是否故障、是否过电流、电池的一致性分析、电池组是否存在故障以及是否存在通信故障等),以便实施必要的热管理。充电机的主要任务是电源变换、输出电压和电流的闭环控制、必要的保护以及与BMS通信,实现对电池状态的全面了解和对输出电流的动态调节。当电池组需要充电的时候,除了充电机的输出总正和总负动力线需要与电池组相连以外,BMS和充电机之间还增加了用于实现数据共享的通信线。

智能充电模式的特点是:通过在电池管理系统和充电机系统之间建立通信链路,实现了数据共享,使得在整个充电过程中电池的电压、温度以及绝缘性能等与安全性相关的参数都能参与电池的充电控制和管理,使得充电机能充分地了解电池的状态和信息,并据此改变充电电流,有效地防止了电池组中所有电池发生过充电和温度过高的情况,提高了串联成组电池充电的安全性。另外,该充电模式完善了BMS的管理和控制功能,提高了充电安全性和智能化水平,还简化了操作人员设置充电参数等繁琐的工作,使得充电机具有了更好的适应性。通过这一模式,充电机不需要区分电池的类型,只需要得到BMS提供的电流指令就能实现安全充电。