◆文/北京 馮超

本文介紹電動(dòng)汽車(chē)(包括混合動(dòng)力汽車(chē))高壓(HV)蓄電池充電系統(tǒng)，包括國(guó)標(biāo)要求、充電系統(tǒng)操作、充電系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)、交流(AC)充電及通信、直流(DC)充電及通信等內(nèi)容。車(chē)型以知名車(chē)企捷豹路虎為例，該車(chē)企不僅生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車(chē)(如攬勝運(yùn)動(dòng)P400e)，還生產(chǎn)純電動(dòng)汽車(chē)(如捷豹I-PACE)。電動(dòng)汽車(chē)高壓(HV)蓄電池充電系統(tǒng)符合一系列國(guó)內(nèi)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，所以，不同車(chē)企生產(chǎn)的不同車(chē)型其高壓(HV)蓄電池充電系統(tǒng)都是相似的。

一、電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)國(guó)標(biāo)通用要求

1.充電模式

(1)充電模式1

模式1充電系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的插座和插頭，采用單相交流供電，且不允許超過(guò)250V/8A。充電時(shí)應(yīng)使用無(wú)控制協(xié)議的便攜式充電電纜進(jìn)行低速充電，注意不能使用此模式對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。

(2)充電模式2

模式2充電系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的插座和插頭，采用單相交流供電。電源側(cè)使用符合GB2099.1和GB1002要求的16A插頭插座時(shí)，輸出不超過(guò)13A；使用符合上述國(guó)標(biāo)的10A插頭插座時(shí)，輸出不超過(guò)8A。模式2充電系統(tǒng)在電源側(cè)使用了相線、中性線和保護(hù)接地導(dǎo)體，并且采用電纜上控制與保護(hù)裝置(IC-CPD，即帶纜上控制盒ICCB的便攜式充電電纜)，以連接電源與電動(dòng)汽車(chē)。

(3)充電模式3

模式3在將電動(dòng)汽車(chē)連接到電網(wǎng)(電源)時(shí)，使用了專(zhuān)用供電設(shè)備，且在電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備上裝了專(zhuān)用保護(hù)裝置(控制引導(dǎo)裝置)，例如，壁掛充電箱或公共充電站。連接方式A、B、C適用于模式3(連接方式見(jiàn)后述)。采用單相供電時(shí)，電源不大于32A；采用三相供電且電源大于32A時(shí)，應(yīng)采用連接方式C。

(4)充電模式4

模式4在將電動(dòng)汽車(chē)連接到交流電網(wǎng)(電源)時(shí)，使用了帶控制引導(dǎo)功能的直流供電設(shè)備。控制電路內(nèi)置在電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備(EVSE)中。EVSE永久連接在電網(wǎng)(電源)，通過(guò)電纜為車(chē)輛供電。在EVSE中，AC市電電源被整流成DC充電電源。捷豹路虎提供的直流快充樁為20kW，最大輸出電壓為200～500V，最大輸出電流40A；捷豹I-PACE支持最高400V/250A(100kW)的直流快充，但只有連接方式C適用于模式4。

電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備(EVSE)和電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電控制系統(tǒng)間的通訊，模式2、3通過(guò)PWM告知電動(dòng)汽車(chē)允許最大可用電流。模式4通過(guò)數(shù)字通信(CAN)告知。

2.連接方式

(1)連接方式A

連接方式A在將汽車(chē)和交流電網(wǎng)連接時(shí)，使用和電動(dòng)車(chē)永久在一起的充電電纜和供電插頭，如圖1所示。

圖1 連接方式A

(2)連接方式B

連接方式B在將汽車(chē)和交流電網(wǎng)連接時(shí)，使用了帶有車(chē)輛插頭和供電插頭的獨(dú)立的活動(dòng)電纜組件，可拆卸電纜組件不是車(chē)輛或者充電設(shè)備的一部分，如圖2所示。

圖2 連接方式B

(3)連接方式C

連接方式C在將汽車(chē)和交流電網(wǎng)連接時(shí)，使用了和供電設(shè)備永久連接在一起的充電電纜和車(chē)輛插頭。電纜是充電設(shè)備的一部分，如圖3所示。

圖3 連接方式C

二、電動(dòng)汽車(chē)充電操作

1.電動(dòng)汽車(chē)充電基本信息

在我國(guó)，各車(chē)企一般會(huì)為售車(chē)會(huì)配備模式2充電電纜及安裝家用充電樁。例如，捷豹路虎為車(chē)主提供的模式2(基本型)充電電纜，其長(zhǎng)度是5m，最大電流是10A(2.2kW)。路虎攬勝(L494PHEV)混合動(dòng)力的高壓蓄電池為13.1kW·h，電壓為388.8V，最大功率105kW，最長(zhǎng)行駛里程為51km，近似最短充電時(shí)間為7.5h。如果用捷豹路虎提供的32A(7kW)充電樁，近似最短充電時(shí)間為2.5h。捷豹I-PACE純電動(dòng)汽車(chē)的高壓蓄電池是90kW· h，電壓為388.8V。如果用10A(2.2kW)充電，充電至80%電量需用時(shí)約40.5h。如果用32A(7kW)充電樁，用時(shí)13.5h。I-PACE支持最高400V/250A(100kW)的直流快充，充電至80%電量需用時(shí)約45min。如果用50kW的直流快充，充電至80%電量需用時(shí)約85min。目前，捷豹路虎已向經(jīng)銷(xiāo)商提供20kW直流充電站樁。

2.充電端口位置

捷豹I-PACE可以接受來(lái)自外部電源的交流(AC)或直流(DC)電源電壓來(lái)對(duì)高壓(HV)蓄電池進(jìn)行充電。充電端口位置如圖4所示，AC插座位于車(chē)輛右側(cè)，DC插座位于車(chē)輛左側(cè)。在車(chē)輛上市時(shí)，將會(huì)提供多種充電解決方案，車(chē)主可以使用不同的充電電纜和電源，并且可以采用不同的充電率：模式2通用型(AC)-便攜式電纜，使用家用電源；模式3(AC)-專(zhuān)用壁掛充電箱，含可拆卸式或帶線式充電電纜；模式4(DC)-專(zhuān)用充電站，含帶線式充電電纜系統(tǒng)支持通過(guò)模式2或模式3充電電纜進(jìn)行的最高充電率為7kW的單相AC充電。還支持通過(guò)連接至充電站的模式4充電電纜進(jìn)行的最高充電率為100kW的DC充電。

采用模式2和模式3(AC)充電方式時(shí)，車(chē)輛的蓄電池充電控制模塊(BCCM)控制EVSE提供的充電率，這稱(chēng)為車(chē)載充電。采用模式4(DC)充電方式時(shí)，EVSE控制充電率，這稱(chēng)為車(chē)外充電。

圖4 I-PACE充電端口位置

3.連接充電電纜

(1)解鎖車(chē)輛。

(2)確保選擇駐車(chē)擋(P)。

(3)確保車(chē)輛電氣系統(tǒng)已關(guān)閉。

(4)打開(kāi)充電端口蓋。

(5)將接頭插入電源或壁掛充電箱。務(wù)必先將充電電纜連接電源，然后再連接到車(chē)輛上。

(6)將充電電纜連接到車(chē)輛的充電端口上。

注意：車(chē)輛無(wú)法在連接充電電纜的情況下行駛，因?yàn)槌潆姾托旭偛豢赏瑫r(shí)進(jìn)行。

4.斷開(kāi)充電電纜

(1)確保使用智能鑰匙上的解鎖按鈕解鎖車(chē)輛，或使用任一車(chē)門(mén)上的被動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)解鎖車(chē)輛。如果30s后充電電纜未被取下，則電纜鎖定裝置將重新鎖定。

(2)確保選擇了駐車(chē)擋(P)。

(3)確保車(chē)輛電氣系統(tǒng)已關(guān)閉。

(4)按下充電電纜接頭頂部的釋放按鈕(僅限北美/中國(guó))，然后從車(chē)輛上斷開(kāi)電纜。務(wù)必先從車(chē)輛上斷開(kāi)充電電纜。

(5)完全關(guān)閉充電端口蓋。

(6)從電源/壁掛充電箱上拆下接頭。

5.充電電纜緊急釋放(充電電纜鎖定裝置)

每個(gè)充電插座都有一個(gè)由電磁閥驅(qū)動(dòng)的鎖銷(xiāo)，進(jìn)行充電時(shí)，該鎖銷(xiāo)可將充電電纜鎖定到位(鎖定機(jī)構(gòu)A裝在充電電纜接頭中)，充電電纜鎖定后，切勿嘗試從充電端口拔出電纜，否則會(huì)損壞電纜鎖定裝置。如果發(fā)生以下任一情況，充電電纜將被鎖定到位：鎖閉車(chē)輛、成功連接充電電纜后。

每個(gè)充電插座都有一個(gè)由電磁閥驅(qū)動(dòng)的鎖銷(xiāo)，進(jìn)行充電時(shí)，該鎖銷(xiāo)可將充電電纜鎖定到位。每個(gè)鎖都有四個(gè)電氣連接：鎖電源饋電1；鎖電源饋電2；鎖位置開(kāi)關(guān)反饋；接地。

BCCM 通過(guò)向鎖銷(xiāo)1或2供應(yīng)任一極性的電源饋電來(lái)控制鎖定和解鎖操作。鎖位置開(kāi)關(guān)用于監(jiān)測(cè)鎖銷(xiāo)的位置并向BCCM提供反饋。如果BCCM感測(cè)到鎖位置開(kāi)關(guān)未處于鎖定或解鎖位置，則車(chē)輛在連接充電電纜后將無(wú)法充電。如果操作過(guò)鎖緊急釋放拉索并且鎖位置卡在打開(kāi)和關(guān)閉之間，則就會(huì)發(fā)生這種情況。

如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無(wú)法釋放充電電纜，則打開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，然后拉動(dòng)紅色環(huán)，即可釋放充電電纜，如圖5所示。

圖5 充電電纜緊急釋放拉環(huán)

三、電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

1.蓄電池充電控制模塊(BCCM)

蓄電池充電控制模塊BCCM的作用是向高壓(HV)蓄電池供應(yīng)直流(DC)充電電壓。BCCM將進(jìn)入的交流(AC)電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)HV蓄電池充電所需的直流(DC)。BCCM位于前艙內(nèi)，如圖6所示，在DC-DC轉(zhuǎn)換器與前逆變器之間。BCCM及其連接器如圖7所示。

也可以使用DC電源壁掛充電箱直接用DC電流對(duì)HV蓄電池進(jìn)行充電。該模式能夠以最高100 kW功率直接對(duì)HV 蓄電池進(jìn)行充電，并由BCCM 進(jìn)行管理。該模塊將會(huì)調(diào)節(jié)充電電流以防止損壞HV蓄電池，從而確保蓄電池模塊具有最佳性能和壽命。這個(gè)100kW是最高值，在充電過(guò)程中，BCCM可能會(huì)將該值調(diào)節(jié)至較低的水平。BCCM輸入電流類(lèi)型的變化由其內(nèi)部進(jìn)行管理，以便將輸入電壓從AC改變?yōu)镈C或轉(zhuǎn)換為DC直接輸出，即可釋放充電電纜插頭。

圖6 CCM的位置

圖7 BCCM及其連接器

BCCM通過(guò)高速電源模式0 (HSPMZ)CAN與蓄電池電量控制模塊(BECM)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制模塊(PCM)進(jìn)行通信。當(dāng)車(chē)輛處于電源模式0時(shí)，有關(guān)模塊溫度和充電功率的信息將被發(fā)送，以確保維持最佳的充電率。BCCM的冷卻包含在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)冷卻液回路中，該回路由PCM進(jìn)行監(jiān)測(cè)。BCCM是一個(gè)不可維修的項(xiàng)目，因此應(yīng)該作為一個(gè)整體進(jìn)行更換。

2.充電類(lèi)型

(1)BCCM充電類(lèi)型

BCCM可以接受來(lái)自HV充電插座的交流(AC)或直流(DC)電源電壓來(lái)對(duì)HV蓄電池進(jìn)行充電。如果有多個(gè)電源連接至車(chē)輛上，則車(chē)輛將會(huì)使用具有最高充電率的方法。BCCM充電類(lèi)型示意圖如圖8所示。

圖8 BCCM充電類(lèi)型示意圖