新能源汽車充電技術淺析(一)

◆文/江蘇　譚　婷　吳書龍

新能源汽車充電技術淺析(一)

◆文/江蘇譚婷吳書龍

近年來新能源汽車在國家的大力支持下高速發展，當前新能源汽車主要以插電式混合動力和純電動汽車為主，這兩種新能源汽車都需要進行充電，本文根據目前國家采用的交流和直流充電技術，將從充電系統的結構組成、充電標準與技術要求、充電模式和充電方法、充電狀態識別等幾個方面進行探討。

一、充電系統的結構組成

對于純電動汽車和插電式混合動力汽車，高電壓蓄電池充電系統是不可缺少的子系統之一，其功能是將電網的電能轉化為車載高電壓蓄電池的電能，當高電壓蓄電池充滿后自動停止充電。高電壓蓄電池充電系統主要由充電器、充電設備和車載充電接口三部分組成。

1.充電器

充電器是指將電網提供的交直流電能轉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)。純電動汽車和插電式混合動力汽車充電器分為車載充電器(安裝在車內)和非車載充電器(安裝在充電樁內)兩種。

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

圖1　車載充電器

2.充電設備

充電設備是指為滿足純電動汽車或插電式混合動力汽車充電而配備的戶外使用型供電設備，可固定在停車場、廣場及其他便于新能源汽車停靠的地點。充電設備給純電動汽車或插電式混合動力汽車提供單相或三相交流電源，使用標準非接觸式智能卡控制充電開始和結束，并提供過壓、欠壓、過流、過溫、防雷等系統保護功能。

(1)移動充電包

所謂的移動充電包，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。可將移動充電包放在發動機室蓋下方的移動充電包盒內或者后備箱內。由于使用普通家用插座將移動充電包連接到交流電壓網絡上，因此限制了最大充電電流強度。在我國針對該交流電壓網絡提供的相關產品型號可使用最大16A電流強度或最大3.7kW充電功率，屬于車載慢充系統，從計算角度來說，使之前完全放電的插電式混合動力與純電動汽車高電壓蓄電池重新充滿電大約需要持續7小時。為減少數小時計的最大充電功率使用時間，不允許以最大充電電流進行充電。因此實際充電持續時間更長。

圖2　寶馬i3移動充電包

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

(2)固定充電樁

插電式混合動力與純電動汽車供電設備型號根據其尺寸和電氣要求必須以固定方式安裝，例如客戶屋內或車庫內；在公共場所例如停車場也可以設立這種充電樁。固定安裝式充電樁設備(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二相(美國)或三相(在德國普及)方式將交流電充電樁連接至交流電壓網絡，但始終通過單相方式與新能源汽車充電接口進行連接。在我國，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。與移動充電包不同，在此最大電流強度可為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線橫截面大小所決定。進行安裝時，電氣專業人員根據導線橫截面進行充電樁配置，從而確保可通過控制信號將相應最大電流強度傳輸至車輛。

在美國，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，在直流電充電樁內已將交流電壓轉化為直流電壓。因此在新能源汽車上無需通過車載充電器將交流電壓轉化為直流電壓。直流電充電樁通常可提供遠高于交流電充電樁的充電功率。因此通過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

插電式混合動力與純電動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行充電，像在傳統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，充電時需要保證整車防水密封性要求，通過另一個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大電流的充電過程。

圖4　充電口防潮保護裝置

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

圖5　比亞迪e6車載充電接口

二、充電標準和技術要求

1.全球統一標準

為了加速電動汽車市場化進程，降低開發成本，利于供應商、運營商及用戶、縮短開發周期并利于電動汽車廠商的出口競爭力，很多充電組件均采用標準化結構和功能。目前全球充電標準統一為“Combo(聯合充電系統)”，如圖6所示。

圖6　全球充電標準統一為“Combo”

其優點是低成本，快速、便利、可靠、體積小、帶寬高，可應用于其他場合。目前主要標準有SAE(美國機動車工程師學會)標準和IEC(國際電工委員會)標準。GB(國家標準)暫時沒有統一的標準出臺。在歐洲國家IEC 61851為相關適用標準；2012年2月21日美國SAE發布了J1772 v4“Combo”標準；中國與國家電網合作，完成充電協議的PWM規范，遵循IEC規范。

2.充電插頭的技術要求

所用充電插頭為標準化部件(IEC 62196-2)。根據車輛配置和國家規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

(1)美規交流充電插頭技術要求

美、日、韓等國家主要使用充電插頭型號1進行交流電充電。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連接車輛，插頭區別僅在于根據充電電纜的電流承載能力，接近導線內的電阻大小不同，圖7展示了該插頭的結構和接口。

圖7　交流充電插頭(美規型號 1)

(2)歐規交流充電插頭技術要求

歐洲和我國主要使用充電插頭型號2進行交流電充電。在與交流電充電，即車載充電機有關的標準中，國網的Q/GDW 399-2009僅規定了接口的定義、實現的功能，對于具體外形尺寸、控制電路并未具體說明；南網只有交流充電樁的標準，而且通過了解，現在交流充電的標準已經統一，即工信部的QCT841-2009，所以文章重點介紹QCT 841-2010中交流接口的部分，圖8展示了該插頭的結構和接口。

圖8　交流充電插頭(歐規型號2)