◆文/江蘇　譚　婷　吳書龍

新能源汽車充電技術(shù)淺析(一)

◆文/江蘇譚婷吳書龍

近年來(lái)新能源汽車在國(guó)家的大力支持下高速發(fā)展，當(dāng)前新能源汽車主要以插電式混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車為主，這兩種新能源汽車都需要進(jìn)行充電，本文根據(jù)目前國(guó)家采用的交流和直流充電技術(shù)，將從充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、充電標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)要求、充電模式和充電方法、充電狀態(tài)識(shí)別等幾個(gè)方面進(jìn)行探討。

一、充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

對(duì)于純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車，高電壓蓄電池充電系統(tǒng)是不可缺少的子系統(tǒng)之一，其功能是將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)化為車載高電壓蓄電池的電能，當(dāng)高電壓蓄電池充滿后自動(dòng)停止充電。高電壓蓄電池充電系統(tǒng)主要由充電器、充電設(shè)備和車載充電接口三部分組成。

1.充電器

充電器是指將電網(wǎng)提供的交直流電能轉(zhuǎn)化為車載高電壓蓄電池所需的直流電能的裝置(即AC/DC、DC/DC整流器)。純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車充電器分為車載充電器(安裝在車內(nèi))和非車載充電器(安裝在充電樁內(nèi))兩種。

車載充電器是指將AC/DC整流器安裝在插電式混合動(dòng)力或純電動(dòng)汽車上，采用地面交流電網(wǎng)或車載電源對(duì)高電壓蓄電池組進(jìn)行充電的裝置，如圖1所示。車載充電器負(fù)責(zé)與交流電網(wǎng)建立連接并滿足車輛充電電氣安全要求。此外還通過(guò)控制導(dǎo)線與車輛建立通信。這樣可以安全啟動(dòng)充電過(guò)程并在車輛與車載充電器之間交換充電參數(shù)(例如最大電流強(qiáng)度)。

圖1　車載充電器

2.充電設(shè)備

充電設(shè)備是指為滿足純電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力汽車充電而配備的戶外使用型供電設(shè)備，可固定在停車場(chǎng)、廣場(chǎng)及其他便于新能源汽車停靠的地點(diǎn)。充電設(shè)備給純電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力汽車提供單相或三相交流電源，使用標(biāo)準(zhǔn)非接觸式智能卡控制充電開始和結(jié)束，并提供過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)溫、防雷等系統(tǒng)保護(hù)功能。

(1)移動(dòng)充電包

所謂的移動(dòng)充電包，就是一條充電線，任何有普通電源插口的地方都可以充電，體積和重量均較小，所以使用非常方便，如圖2所示?？蓪⒁苿?dòng)充電包放在發(fā)動(dòng)機(jī)室蓋下方的移動(dòng)充電包盒內(nèi)或者后備箱內(nèi)。由于使用普通家用插座將移動(dòng)充電包連接到交流電壓網(wǎng)絡(luò)上，因此限制了最大充電電流強(qiáng)度。在我國(guó)針對(duì)該交流電壓網(wǎng)絡(luò)提供的相關(guān)產(chǎn)品型號(hào)可使用最大16A電流強(qiáng)度或最大3.7kW充電功率，屬于車載慢充系統(tǒng)，從計(jì)算角度來(lái)說(shuō)，使之前完全放電的插電式混合動(dòng)力與純電動(dòng)汽車高電壓蓄電池重新充滿電大約需要持續(xù)7小時(shí)。為減少數(shù)小時(shí)計(jì)的最大充電功率使用時(shí)間，不允許以最大充電電流進(jìn)行充電。因此實(shí)際充電持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

圖2　寶馬i3移動(dòng)充電包

需要注意的是使用家用插座為新能源汽車充電時(shí)，也需要考慮插座及線路的承受能力，如果采用一些偽劣產(chǎn)品的插座，也可能導(dǎo)致充電插座燒毀、線路燒熔等安全隱患。

(2)固定充電樁

插電式混合動(dòng)力與純電動(dòng)汽車供電設(shè)備型號(hào)根據(jù)其尺寸和電氣要求必須以固定方式安裝，例如客戶屋內(nèi)或車庫(kù)內(nèi)；在公共場(chǎng)所例如停車場(chǎng)也可以設(shè)立這種充電樁。固定安裝式充電樁設(shè)備(又稱為“充電樁”)分為交流電充電樁和直流電充電樁。

交流電充電樁可通過(guò)二相(美國(guó))或三相(在德國(guó)普及)方式將交流電充電樁連接至交流電壓網(wǎng)絡(luò)，但始終通過(guò)單相方式與新能源汽車充電接口進(jìn)行連接。在我國(guó)，固定安裝式交流電充電樁包括落地式和掛壁式兩種，如圖3所示。與移動(dòng)充電包不同，在此最大電流強(qiáng)度可為32A，最大充電功率可為7.4 kW。這些最大值由電氣安裝所用導(dǎo)線橫截面大小所決定。進(jìn)行安裝時(shí)，電氣專業(yè)人員根據(jù)導(dǎo)線橫截面進(jìn)行充電樁配置，從而確?？赏ㄟ^(guò)控制信號(hào)將相應(yīng)最大電流強(qiáng)度傳輸至車輛。

在美國(guó)，充電電纜與交流電充電站之間不允許使用插接連接件。因此客戶無(wú)法斷開充電電纜與交流電充電站的連接。

圖3　固定式交流電充電樁

直流電充電樁是固定安裝式充電樁的另一種形式。與交流電充電樁不同，在直流電充電樁內(nèi)已將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓。因此在新能源汽車上無(wú)需通過(guò)車載充電器將交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓。直流電充電樁通?？商峁┻h(yuǎn)高于交流電充電樁的充電功率。因此通過(guò)直流電充電樁可更加迅速地為高電壓蓄電池充電。

3.車載充電接口

插電式混合動(dòng)力與純電動(dòng)汽車車載充電可分為快充和慢充，為了保證充電迅速高效，使用特定的充電接口進(jìn)行充電，像在傳統(tǒng)車輛上必須打開燃油箱蓋一樣，按壓充電接口蓋或操作遙控鑰匙開鎖按鈕從而使充電接口蓋開鎖。此外，充電時(shí)需要保證整車防水密封性要求，通過(guò)另一個(gè)端蓋防止真正的充電接口受潮和弄臟，如圖4所示。并且要保證車載充電接口能夠承受瞬時(shí)大電流的充電過(guò)程。

圖4　充電口防潮保護(hù)裝置

車載充電接口一般設(shè)置在車輛的側(cè)面(原加油口位置)和前面(車標(biāo)后面)，不同廠家在充電接口位置設(shè)置時(shí)略有不同。比亞迪e6電動(dòng)汽車車載充電接口安裝在左側(cè)圍外板上，如圖5所示。可以用直流充電樁給汽車進(jìn)行充電，以100A或30A的充電電流給高壓蓄電池充電(連接圖中左側(cè)充電接口)；也可以充電樁或家用220V交流充電(連接圖中右側(cè)充電接口)。

圖5　比亞迪e6車載充電接口

二、充電標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求

1.全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

為了加速電動(dòng)汽車市場(chǎng)化進(jìn)程，降低開發(fā)成本，利于供應(yīng)商、運(yùn)營(yíng)商及用戶、縮短開發(fā)周期并利于電動(dòng)汽車廠商的出口競(jìng)爭(zhēng)力，很多充電組件均采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)和功能。目前全球充電標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為“Combo(聯(lián)合充電系統(tǒng))”，如圖6所示。

圖6　全球充電標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為“Combo”

其優(yōu)點(diǎn)是低成本，快速、便利、可靠、體積小、帶寬高，可應(yīng)用于其他場(chǎng)合。目前主要標(biāo)準(zhǔn)有SAE(美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)和IEC(國(guó)際電工委員會(huì))標(biāo)準(zhǔn)。GB(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))暫時(shí)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。在歐洲國(guó)家IEC 61851為相關(guān)適用標(biāo)準(zhǔn)；2012年2月21日美國(guó)SAE發(fā)布了J1772 v4“Combo”標(biāo)準(zhǔn)；中國(guó)與國(guó)家電網(wǎng)合作，完成充電協(xié)議的PWM規(guī)范，遵循IEC規(guī)范。

2.充電插頭的技術(shù)要求

所用充電插頭為標(biāo)準(zhǔn)化部件(IEC 62196-2)。根據(jù)車輛配置和國(guó)家規(guī)格使用不同充電接口。表1概括了最常見的插頭形式。

表1　常見的充電插頭型號(hào)

(1)美規(guī)交流充電插頭技術(shù)要求

美、日、韓等國(guó)家主要使用充電插頭型號(hào)1進(jìn)行交流電充電。用于7.4kW交流電充電和3.7kW交流電充電的充電電纜基本上使用相同插頭來(lái)連接車輛，插頭區(qū)別僅在于根據(jù)充電電纜的電流承載能力，接近導(dǎo)線內(nèi)的電阻大小不同，圖7展示了該插頭的結(jié)構(gòu)和接口。

圖7　交流充電插頭(美規(guī)型號(hào) 1)

(2)歐規(guī)交流充電插頭技術(shù)要求

歐洲和我國(guó)主要使用充電插頭型號(hào)2進(jìn)行交流電充電。在與交流電充電，即車載充電機(jī)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中，國(guó)網(wǎng)的Q/GDW 399-2009僅規(guī)定了接口的定義、實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)于具體外形尺寸、控制電路并未具體說(shuō)明；南網(wǎng)只有交流充電樁的標(biāo)準(zhǔn)，而且通過(guò)了解，現(xiàn)在交流充電的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)統(tǒng)一，即工信部的QCT841-2009，所以文章重點(diǎn)介紹QCT 841-2010中交流接口的部分，圖8展示了該插頭的結(jié)構(gòu)和接口。

圖8　交流充電插頭(歐規(guī)型號(hào)2)