电动汽车智能充电系统设计

曹艳玲

【摘要】随着电动汽车的普及，智能充电技术也受到了广泛关注，如何设计出可靠、安全的充电系统是解决电动汽车高压安全和延长续驶里程的关键技术。本文设计了一种以220V交流慢充为核心的智能充电系统，围绕该系统开发了硬件接口、软件控制策略和故障容错控制策略。

【关键词】电动汽车;智能充电;充电桩

1.引言

高速发展的汽车工业与高速增长的汽车保有量使我国能源与环境正面临着严峻挑战，发展电动汽车已成为保障我国能源安全和转型低碳经济的重要途径。电动汽车必将成为未来的主要交通工具之一。近年来，随着各国政府和社会各方面对电动汽车重视程度的不断提高，电动汽车技术得到发展，成本得到控制，一批装备了先进动力电池的电动汽车已进入市场销售。因此，随着电动汽车的大批量产业化，作为电动汽车核心技术的充电技术，对电动汽车产业的发展、整车安全及可靠性至关重要，建立完善的充电策略对电动汽车的发展与产业化有着重要意义。本文对目前较为流行的充电方式的优缺点进行了系统分析，提出了220V交流慢充是适合我国发展现状的充电方式，并设计了一种以220V交流慢充为核心的智能充电系统，围绕该系统开发了硬件接口、软件控制策略和故障容错控制策略。

2.系统设计

目前电动汽车的电力补充方式有三种，分别为220V交流慢充、直流快速充电和电池快换。220V交流慢充又分为家庭式充电与充电桩充电两种方式。家庭式充电为使用家用供电插座（即两相三线交流220V），一般充电时间为3～6小时。它可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本，适用于电池容量不大的乘用电动车。其优点是可延长电池的使用寿命，且不需要增加额外的充电设备，对电网的改造最小。但充电时间较长，且用电量统计困难。

充电桩充电是使用220V/32A供电能力的充电桩充电，一般充电时间为3～6小时，适用于乘用电动车进行充电。其优点为充电地点更具有灵活性[1]，且易于统计用电量。但需增加充电设施，需要专用充电场地。直流快速充电是以较大电流短时间为电动汽车提供充电服务，在几十分钟内就可充电70%～80%。

快速充电适用于日平均里程大于电池的续驶里程的车辆，如大型商用车及乘用车紧急充电。其优点为充电时间较短，但对电池寿命影响较大（寿命降低50%以上）[2]。电池快换是在服务站更换电池。车上的电池会被卸下并换上充满电的电池，而整个换电过程只需要几分钟，而换下的电池将会在充电间内充电，充满电后，这个电池组会被用到下一辆来换电的车上。

其优点为换电时间短，可实现规模化，生产成本降低，电池维护方便，电池可以在用电低峰进行充电。但需增加换电设施，建设大型换电站，人力、物力成本高，电池库存管理复杂。电池若出现损坏，责任难以区分。上述三种充电方式各有优缺点，至于哪种能源补给模式更有利于新能源汽车的长远发展，最终还是需要市场来确定主导模式。但从技术与商业化运营方面综合考虑，就目前情况看，直流快速充电对电池寿命的影响无法解决。电池快换对基础设施及运营体系要求太高，且需要很大的投入[3];在经营上，电池损坏或造成高压安全事故时责任划分问题无法解决。220V交流慢充除去充电时间较长外没有技术及运营方面的瓶颈，综上，220V交流慢充技术应该为近阶段电动汽车能源供给的主流方式，因此本文设计开发了以220V交流慢充为核心的智能充电系统，开发了围绕该系统的硬件接口、软件控制策略和故障容错控制策略。

3.交流充电系统

交流充电系统主要由车辆端、供电端和充电接口三部分组成，其充电模式可分为两种，一种为充电桩充电模式，另一种为单相三线AC220V插头充电模式。两种模式的车辆端是一致的，但在供电端和充电接口部分有一定的区别，下面将分别进行说明。

3.1 车辆端

如图1所示，车辆端的充电系统主要由动力电池、220V交流电源、充电接口、充电机、整车控制器（HCU）、电池管理系统（BMS）、DC/DC、网关和仪表等构成。车辆侧的220V交流充电插座由220V火线、220V底线，车辆侧地线，CP和CC硬线信号组成。电池管理系统（BMS）的主要功能是监控电池的工作状态（电池的电压、电流和温度）、预测动力电池的电池容量（SOC）和相应的剩余行驶里程，进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，最大限度地利用电池存储能力和循环寿命。具体充电过程是首先由充电枪端的CC连接确认信号唤醒HCU，HCU再唤醒BMS、充电机、DC/DC、仪表和网关等充电相关控制器。然后由BMS控制充电机的输出，HCU主导整个充电过程。

图1 车辆端的充电系统构成

图2 充電桩

3.2 供电端

充电模式的供电端为充电桩，如图2所示，主要由充电桩及其附属接头组成;单相三线AC220V插头充电模式的供电端为220V三相插头。

3.3 充电接口

充电接口的控制导引电路是实现充电连接装置的连接确认以及额定电流参数的判断，除此之外还具有监测充电过程、停止充电系统等功能。当电动汽车使用充电桩充电模式进行充电时，推荐使用图3所示的充电导引电路，充电时需使用充电导引电路，该电路由供电控制装置、接触器K1和K2（也可用一个）、电阻R1、R2、R3、RC、二极管D1、开关S1、S2、S3、车载充电机及HCU组成。其中电阻RC安装在车辆端的充电插头上。开关S1为供电设备内部开关。开关S2为车辆内部开关，在车辆接口与供电接口完全连接后，如果车载充电机自检没有问题，且高压电池处于可充电状态，HCU判断可以充电时，S2闭合。S3为车辆端充电插头的内部常闭开关，与插头上的下压按钮联动（即充电枪上的机械锁止开关按钮）。当按下下压按钮时，S3处于断开状态。对于小于16A的电流充电时，S2可以常闭。当供电设备无故障，并成功完成充电启动设置后，如供电接口完全连接，则开关S1从连接12V状态切换至PWM连接状态，供电装置发出PWM信号。供电装置通过检测点1或检测点4的电压值来判断充电连接装置是否完全连接。车辆端的控制装置（车载充电机或BMS）通过检测点2的PWM信号，来判断充电装置是否完全连接。供电装置通过检测点1的电压值判断车辆是否准备就绪。当判断连接准备就绪后，供电控制装置闭合接触器K1与K2，开始供电。

图3 充电导引电路

当充电系统连接完成后，车辆端的控制器（车载充电机或BMS）通过判断检测点2的PWM信号占空比确认供电设备的最大可供电能力，并通过判断检测点3与PE之间的电阻值来确认电缆的额定容量。车辆端的控制器（车载充电机、BMS或HCU）对供电设备的最大供电能力、车载充电机的额定输入电流值及电缆的额定容量进行比较，将最小值设定为车载充电机的最大输入电流。在充电系统完全连接后，如车辆端控制器没有检测到检测点2的PWM信号，车辆端如要求充电，则应允许充电，但充电时车载充电机的输入电流不大于13A。单相三线AC220V插头充电模式：当电动汽车使用单相三线AC220V插头充电模式进行充电时，推荐使用图4所示的充电导引电路。充电相关电路的车辆端按充电桩充电模式设置，对于单相三线插头充电没有影响。

图4 单相三线AC220V插头充电模式的充电导引电路

4.结论

该充电系统平台方案可以满足电动汽车充电要求，充电方案充分考虑了充电操作方便性及整车高压安全等方面因素，结合目前中国现有充电基础设施状况，全面考虑了实际操作时可能出现的问题，在整车充电系统中制定了相应的应对策略。对驾驶员来说，操作上除了充电时间较长外与传统车相比要求更低。为电动汽车大批量上市提供了有力保障，大大推进了市场化进程。同时该充电方案可应用在所有类型的电动汽车上，实现了充电方案的平台化。

参考文献

[1]赵春明，贾俊国，罗怀平.电动汽车传导充电用连接装置[M].北京：中国标准出版社（第3版），2012：3-9.

[2]王刚，周荣，乔维高.电动汽车充电技术研究[J].农业装备与车辆工程，2008（6）：7-9.

[3]黄望军，曾志刚.电动汽车充电对电网的影响及智能充电装置研究[J].制造业自动化，2012（2）：99-101.