新能源汽车充电技术.docx

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1、1 .新能源汽车充电技术的概况新能源汽车，特别是纯电动汽车的充电技术，最关键的问题是如何能实现高效率的快速充电。这关系到充电器的容量和性能、电网的承载能力和动力电池的承受能力等。随着动力电池本身充放电速度的不断提高，充电系统的性能也在不断地改进，以满足在多种不同应用情况下的快速充电需求。由于电力的储运和使用比汽油方便得多，充电设备的建造也呈现出多样性和灵活性，既可以为集中式的充电站，也可以设置在道路边、停车场、购物中心等任何方便停车的地方。除了固定充电装置以外，电动汽车还带有车载充电器，可以在夜间利用家里的市电插座进行充电，甚至还可以在用电高峰期把电力逆变后返送回电网。目前，根据不同的汽车动力

2、电池电压和容量、充电速度要求，以及电网供电容量等因素的考量，固定充电器的容量一般在15IOokW,输出电压一般为50500V。车载充电器容量则在3kW左右。目前，世界各国都在研究电动汽车的快速充电技术。欧洲已研发出充电Iomin可行驶Iooknl的快速充电系统。美国也已经研发出充电6min可以行驶IooknI的超快速充电系统。这些系统都采用国际通用的快速充电标准接口，输入电源可以用交流电，也可以用直流电。由于快速充电系统需要强大的瞬时功率，所以在快速充电设施中电网的承载能力是一个关键的制约因素。如果想要把充电速度进一步提高，从普通电网直接供电基本上不可能。为了解决这个矛盾，技术人员正着手研发新

3、一代带有储能缓冲环节的超快速充电系统。这项技术目前还处于早期发展阶段，但已经有示范系统展示。汽车在行驶中充电叫作在线充电。这也是技术人员将要研究和开发的技术之一。这种技术一旦实施，车载的电池容量将可以降低。随着电动汽车市场的迅速发展，这些技术一定会得到广泛的应用并产生巨大的经济效益。充电系统是新能源汽车主要的能源补给系统。下图是新能源汽车充电系统示意图。新能源汽车充电系统主要由充电桩、充电线束、车载充电器、高压控制盒、动力电池、DC/DC转换器、低压蓄电池以及各种高压线束和低压控制线束等组成。以下简单介绍新能源汽车充电系统主要组成部分：充电桩和车载充电器。1）充电桩充电桩作为新能源汽车充电系统

4、的配套设施，有交流充电桩和直流充电桩。（1）交流充电桩如图所示为交流电动汽车充电桩，俗称“慢充”，固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车车载充电器（即固定安装在电动汽车上的充电器）提供交流电源的供电装置。交流充电桩只提供电力输出，没有充电功能，需连接车载充电器为电动汽车充电，相当于只是起了一个控制电源的作用。（2）直流充电桩如图所示为直流电动汽车充电桩，俗称“快充”，固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，可以为非车载电动汽车动力电池提供直流电源的供电装置。直流充电桩的输入电压采用三相四线AC380V+15%,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。2）车载充电器

5、车载充电器（On-boardCharger,也称车载充电机），如图2-1-4所示。车载充电器是充电系统的重要组成部件，将220V交流电转化为动力电池的直流电，实现电池电量的补给。车载充电器内部结构，如图所示。车裁充电机：将输入的交流电转换成IY流电输出Mr2 .新能源汽车充电的方法及特点新能源汽车动力电池充电的方法主要有快速充电（直流快充）和常规充电（交流慢充）以及更换电池的方式等。直流快充和交流慢充方式的区别是：直流充电（快充）主要是通过充电站的充电桩将直流高压电直接通过直流充电口给动力电池充电。交流充电（慢充）主要是通过家用电源插头和交流充电桩接入交流充电口，通过车载充电器将220V交流电

6、转为330V直流电（比亚迪E6为例）给动力电池进行充电。1）快速充电常规蓄电池的充电方法一般时间较长，给实际使用带来诸多不便。快速充电电池的出现，为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称直流快充或应急充电，是以较大直流电流在电动汽车停车的20min-2h的短时间内，为其提供充电服务，一般充电电流为150-400A。快速充电模式的优点是充电时间短。但是，相对常规充电模式，快速充电也存在一定的缺点：（1）“快充”实际并不快，而且降低动力电池使用寿命。由于受电池技术影响，目前电动汽车使用最多的就是锂电池。锂元素是比钠还要活跃的金属元素之一，快充易使锂元素太过活跃，从而使电池中的电解液发生沉淀

7、，产生气泡现象，也就是平常人们所看到的电池身上易凸起“小包”，摸上去有手感发热等情况，严重的会导致电池爆炸等安全事故。因此，充电电流不宜过大。目前，市面上各大厂商都在宣传其电动汽车快速充电时间在Iomin左右，实际上以目前技术来看都不现实。以比亚迪E6纯电动汽车为例，这款电动汽车采用磷酸铁锂电池，其快速安全充电模式的充电时间仍然需要2h0电动汽车充电快慢与充电器功率、电池充电特性和温度等紧密相关。当前电池技术水平下，即使快充也需要30min才能充电到电池容量的80%,超过8096后，为保护电池安全，充电电流必须变小，充到100%的时间将较长。止匕外，在冬天气温较低时，电池要求充电电流变小，充电

8、时间会变得更长些。传统加油站汽车加油整个流程为58min,充电站如果无法提供15min以内的快充服务，基本就失去了社会基础建设的功能性。（2）充电站成本较高，盈利模式值得商榷。目前，直流充电方式的充电价格在2元/W左右。以一个充电站IoOokN的容量计算，加上送变电设施、铺设专用电缆以及新建监控系统等（不包括建设用地成本），一个充电站的成本在300万500万元。这样的高成本，在电动汽车还没完全普及的情况下，是难以维持充电站的运营的。直流充电关键技术如下：高性能直流充电器技术：效率、谐波、使用寿命。直流充电环境适应性技术：宽的温度范围、户外使用时凝露、风沙防护等。安全防护技术：漏电、短路防护、误

9、插拔防护、断线防护、倾倒防护、防误操作、防止带电插拔等。充电器的高互换性技术：物理接口、电气接口、通信协议的高度兼容互换。直流充电与电网的接口、有序充电以及与电网的互动技术。2）常规充电蓄电池在放电终止后，应立即充电（在特殊情况下也不应超过24h）o常规充电电流相当低，约为15A,这种充电叫作常规充电（交流慢充或慢速充电）。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时间为58卜，甚至长达1020h。这种充电方式是利用车载充电器，接220V交流电即可。常规慢充方式的适用情况主要有：（1）用户对电动汽车的行驶里程要求相对较低，车辆行驶里程能满足用户1天的使用需要，利用晚间停运时间可

10、以完成充电。(2)由于常规慢充充电电流和充电功率比较小，因此在居民区、停车场和公共充电站都可以进行充电。(3)规模较大的集中充电站，能够同时为多辆电动汽车提供停车场地并进行充电。常规充电模式的优点如下：(1)尽管充电时间较长，但因为所用功率和电流的额定值并不是关键问题，因此，充电器价格和安装成本比较低。目前，国内厂商提供的交流充电桩价格在每个2.5万元左右，一旦市场形成规模化，成本可以控制在每个5000元以内。如图2-1-7所示为壁挂式交流充电桩，可安装在车库内使用。(2)可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本。目前，我国发电量和装机容量均已居世界第二位，电力装机容量达到8亿kW以上，电

11、网的高峰负荷增长很快，峰谷差逐年拉大，造成发电资源的很大闲置。电动汽车依靠充电桩在夜间低谷充电(北京电网峰谷差达4096),有利于改善电网运行质量，减少电网为平衡峰谷差投入的费用，可以说基本上不增加电网的负荷。(3)可提高充电效率和延长电池的使用寿命。与快速充电相反，常规充电的充电电流小，有利于提高充电效率和延长电池的使用寿命。常规充电模式的主要缺点为充电时间过长，难以满足车辆紧急运行的需求。此外，我国城市的建筑密度也无法满足电动汽车对充电桩的需求，我国城市的建筑结构以高楼为主，地面停车场数量有限，这样会造成有的车充不上电。这种充电模式通常适用于续驶里程大的电动汽车且利用晚间停运时间进行充电即

12、可，可满足车辆第二天运营需要的情况。交流充电关键技术如下：(1)各种恶劣环境的适应性技术：高低温、高热、高湿、风沙、凝露、雨水，露天/市内使用等。(2)充电安全防护技术：漏电、短路、误插拔防护、断线防护、倾倒防护、防误操作等。(3)充电桩高互换性技术：物理接口、电气接口、通信协议等，实现充电桩和电动汽车充电的兼容互换。(4)灵活的计量计费技术：与各种不同运营模式的结合。(5)友好方便的人机交互技术：适应不同层次、不同水平的操作者。(6)充电桩的运行管理与综合监控。(7)有序充电及与电网的互动技术。3)更换电池方式充电难、充电时间长、续航里程短的问题，一直困扰着新能源汽车用户。北汽新能源提出“嫌

13、充电慢不如去换电”的想法，与中国石油化工股份有限公司北京分公司签订战略合作协议，双方合作开展新技术、新产业在企业生产和管理中的应用。第一步就是利用加油站场地资源建设换电站，最先受益的是北京电动出租车。现在国内运营的电动出租车续航里程在150250km,但充满一次电需要Ih以上，部分车辆甚至需要2h,严重影响了出租车的运营效率。北汽新能源开发的C50EB换电出租车换一块充满电的电池仅需要3min,比普通燃油车加油还快，而且换一次电池可以行驶200km,不仅可以提高运营效率，还可以实现出租车的双班运营，提高出租车公司的效益。此次大力推广换电模式出租车运营是解决出租车电动化的最佳途径，驾驶员收入增加

14、、出租车公司实现双班运营、换电服务公司发展了新的业务、新能源汽车得到了发展并带动了下游产业链的发展、电网实现了低谷电的有效利用、燃油补贴减少实现绿色财政，真正实现了全产业链的共赢。直接更换电动汽车的电池组时需要考虑的是：由于电池组质量较大，更换时的专业化要求较高，故需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。采用这种模式，具有如下优点：(1)电动汽车用户可租用充满电的蓄电池，更换需要充电的蓄电池,有利于提高车辆使用效率，也提高了用户使用的方便性和快捷性。(2)对更换下来的蓄电池，可以利用低谷时段进行充电，降低了充电成本，提高了车辆运行经济性。(3)从另一个侧面来看，也解决了充电

15、时间乃至蓄存电荷量、电池质量、续驶里程不足及价格高等难题。(4)可以及时发现电池组中单元电池的故障，对于电池的维护工作将具有积极意义。电池组放电深度的降低也将有利于提高电池的寿命。应用这种模式面临的几个主要问题是：电池与电动汽车的标准化，电动汽车的设计改进、充电站的建设和管理，以及电池的流通管理等。3 .新能源汽车充电系统组成与工作原理以北汽新能源EV系列电动汽车为例，介绍充电系统的结构组成与工作原理。1）充电系统低压设计的功能纯电动汽车充电系统低压部分主要是用于低压供电及控制信号。（1）车载充电器相关低压部分12V电源（低压蓄电池）供电：供充电过程中BMSxVCUx仪表等用电OCAN通信：BMS通过CAN通信控制车载充电器工作状态。CAN网络：FCBUS250kl典q新能源汽车维修技或2)慢充和快充控制策略(1)充电系统控制过程作为纯电动汽车的核心，动力电池的充电过程由BMS进行控制及保护。车载充电器工作状态及指令均由BMS发出的指令进行控制，包括工作模式指令、动力电池允许最大电压、充电允许最大电流、加热状态电流值。快充和慢充的流程均为：采用恒流一恒压充电方法，在不同温度范围内以恒定电流充电至动力电池组总电压达到或最高单体电压达到此温度条件下的规定电压值，以恒定电压充电至电流小于O.8A后停止充电。(2