充電機工作原理和工作過程

 1、電動汽車充電機種類

        電動汽車充電機，按照是否固定在汽車上，劃分為車載充電機和非車載充電機兩類。非車載充電機又分為交流充電樁和直流充電樁兩種。車載充電機，以交流電源作為輸入，輸出為直流，直接給動力電池充電；非車載直流充電機，交流輸入，直流輸出，可以直接給動力電池充電。前者功率較小，后者較大。另外一種，交流充電樁，交流作為輸入，輸出也是交流，不能直接給動力電池充電，需要連接車載充電機，進行交直流轉換，才能實現充電。交流充電樁內部比較簡單，基本功能就是將電網交流電引出到方便電動汽車充電的位置，并提供一個標準的充電接口。受到車載充電機能力的限制，交流充電樁功率一般也不需要太大。

2、 車載充電機在電動汽車上的位置

       車載充電機作為電動汽車電氣系統的一部分，被固定在底盤上。車載充電機的輸入端，以標準充電接口的形式固定在車體上，用于連接外部電源。車載充電機的輸出端，直接連接動力電池包慢充電接口。在電動汽車CAN總線通訊拓撲結構中，車載充電機作為一個節點，掛在CAN總線上，通過CAN與整車控制器交換數據。

3、充電模式

       充電模式指充電過程中，電流、電壓以怎樣的規定性提供給電池。充電模式，對充電效率、電池壽命都會產生顯著影響。主要的充電模式有恒流充電，恒壓充電，先恒流后恒壓充電，同向脈沖充電和正負脈沖充電幾類。在基本類型的基礎上，一直有研究人員在探索更為合理高效的充電方式。比如，結合恒流恒壓充電，中間采用正負脈沖充電方式。在較長時間脈沖正向充電以后，夾雜短暫的負向脈沖充電，用以消除正向充電過程中產生的極化現象，降低回路電阻，進而提高了充電效率，同時對降低充電溫度也有正向作用。圖示在后面的案例說明中。下圖所示為當前最為常見的充電形式，恒流-恒壓充電。電量較低時采用較大電流充電，提高充電速度；電量較高時，采用恒壓充電，避免對電池造成傷害。

 

4、充電截止條件

       充電模式另一個被討論最多的點，是充電截止條件�？梢员挥米鞒潆娊刂沟呐袚�，常見的有電池包總電壓，電池單體最高電壓，充電電流。電池包總體電壓作為充電截止條件：在充電過程后期，電池包總電壓隨著充電過程的進行而逐漸提高，達到某一個設定閾值后，充電過程結束。在這個過程中，如果充電截止總電壓的設置數值比較高，而電池包中單體電芯的一致性又不是特別好，可能出現單體電壓已經到了報警閾值，而總電壓依然沒有觸及截止值的情況。

       單體電池最高電壓作為充電截止條件：把電池管理系統監測到的單體電芯電壓中最大值作為判據，當電壓達到設定的截止電壓值時，充電過程結束。由于單體之間不一致性的存在，如果沒有合理的均衡措施，必然存在著一批電芯，電壓還沒有達到滿電電壓。充電電流作為充電截止條件：接近滿充狀態，電壓恒定，電流則逐漸減小，當電流減小到設定閾值以下，充電過程結束；

5、車載充電機組成及工作原理

5.1 、組成及原理

       按照標準《QCT 895-2011 電動汽車用傳導式車載充電機》中的充電機結構示意圖�？梢钥闯�，車載充電機主要的組成部分。輸入端口，控制單元，功率單元，低壓輔助單元和輸出端口。

       輸入端口

       7個pin口，三類連接，包括高壓電源連接、高壓中性線；車輛底盤地；低壓信號的充電連接確認和控制確認。標準的輸入接口采用工頻單相輸入220V電壓。但如果功率需要，也可以啟用兩個備用pin口（pin口NC1，NC2），可以實現380V輸入。

        控制單元

       采樣輸出電流和電壓，經過處理后將實時值傳遞給PID（一種閉環自動控制技術，是比例、積分、微分控制器的簡稱）控制回路，由控制器比較測量值與期望值之間的差距，再將調節要求傳遞給PWM回路（PWM脈沖寬度調制技術），用脈沖寬度變化去控制高壓回路中功率器件的開閉時間的長短，最終實現輸出電流和電壓盡量接近于主控系統要求的數值。

       低壓輔助單元

       是一個標準低壓電源，輸出電壓12V或者24V，用于充電期間，給電動汽車上的用電器供電，比如電池管理系統、熱管理系統、汽車儀表等。

        功率單元

        一般包括輸入整流，逆變電路和輸出整流3個部分，將輸入的工頻交流電轉化成適合動力電池系統能夠接受的適當電壓的直流電。

        輸出端口

        包括低壓輔助電源正負極兩個pin口，高壓充電回路正負極兩個pin口，底盤地，通訊線CANH和CANL（還可以有CAN屏蔽），充電請求信號線。其中，高壓連個pin口與電池包相連；充電請求信號線用于，充電機的輸入端口與外部電源之間完成充電連接確認以后，通過“充電請求信號”線向車輛控制器發送充電請求信號，同時或延時一小段時間后，用低壓輔助電源給整車供電。

5.2 、工作過程

       車載充電機的充電工作過程，在標準《QCT 895-2011 電動汽車用傳導式車載充電機》中有詳細敘述。標準所示，是汽車行業標準推薦的典型充電連接電路形式，圖示狀態為電源插頭與車輛上的充電插座插合后的狀態。完成插頭插座連接后，車輛處于不可行駛狀態（具體實現形式沒有要求，可以是互鎖回路或者其他狀態控制方法）；整車控制器VCU檢查檢測點3的電壓，用來確認插頭插座是否連接完好。如果連接好，檢測點3應該與系統地接通；圖中的開關S1為電源上的起動開關，閉合后，電源上的PWM發生器發出調制脈沖信號，VCU檢查檢測點2是否收到PWM信號，如果有信號，說明充電設備連接完成；

       車輛就緒

       車載充電機充電控制引導電路如上圖所示。在完成前面的連接確認過程以后，車載充電機通過輸出端口的“充電請求信號”線，向VCU發送充電請求信號，并通過低壓電源口向整車控制器供電；如果VCU判斷電池包狀態可以充電，則向充電機發送充電報文包含對充電參數的要求（報文內容為整車通訊報文的一部分）。電源通過PWM信號向整車控制器提供電源最大充電電流值，整車控制器綜合考慮電池包，車載充電機和充電電源三者的最大電流，選擇最小值作為此次充電的電流上限，避免三者中的任意一方出現過流。

       充電

       充電電流閾值設置完畢，閉合慢充回路繼電器，開始充電過程。過程中，VCU監測檢測點3的狀態，周期確認連接狀態是否完好；電源側則檢查檢測點1，確認連接完好。

      充電完成

      充電完成的條件是電池充滿或者前面在充電開始以前，充電連接確認過程中，任何一個連接確認條件不滿足，VCU都會要求充電結束，并發送報文，要求車載充電機停止工作，并停止低壓供電。

6 、一個充電機設計案例（正負脈沖充電模式）

根據馬斯的最佳充電曲線設計了這個充電過程，總體想法是在電池電量較低時，其對大電流的接受能力較強，就使用較大的充電電流；隨著電量的增加，充電電流逐步減小。當電壓達到設定值以后，改為脈沖充電，用短暫的反向脈沖達到去極化的目的。電池即將充滿時，又轉換到恒壓充電方式。充電截止的判斷方式，采用同時考慮溫度和電壓兩個因素，設定最大截止溫度和電壓負增長兩個條件，如下面的公式所示。

 

式中: T———電池溫度;

Tmax———電池充滿電量時電池的最大溫度;

Δu /Δt———電壓增量。

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