電動汽車高壓蓄電池充電系統(tǒng)(上)

◆文/北京 馮超

本文介紹電動汽車(包括混合動力汽車)高壓(HV)蓄電池充電系統(tǒng)，包括國標要求、充電系統(tǒng)操作、充電系統(tǒng)基礎知識、交流(AC)充電及通信、直流(DC)充電及通信等內(nèi)容。車型以知名車企捷豹路虎為例，該車企不僅生產(chǎn)混合動力汽車(如攬勝運動P400e)，還生產(chǎn)純電動汽車(如捷豹I-PACE)。電動汽車高壓(HV)蓄電池充電系統(tǒng)符合一系列國內(nèi)和國際標準，所以，不同車企生產(chǎn)的不同車型其高壓(HV)蓄電池充電系統(tǒng)都是相似的。

一、電動汽車充電系統(tǒng)國標通用要求

1.充電模式

(1)充電模式1

模式1充電系統(tǒng)使用標準的插座和插頭，采用單相交流供電，且不允許超過250V/8A。充電時應使用無控制協(xié)議的便攜式充電電纜進行低速充電，注意不能使用此模式對電動汽車進行充電。

(2)充電模式2

模式2充電系統(tǒng)使用標準的插座和插頭，采用單相交流供電。電源側使用符合GB2099.1和GB1002要求的16A插頭插座時，輸出不超過13A；使用符合上述國標的10A插頭插座時，輸出不超過8A。模式2充電系統(tǒng)在電源側使用了相線、中性線和保護接地導體，并且采用電纜上控制與保護裝置(IC-CPD，即帶纜上控制盒ICCB的便攜式充電電纜)，以連接電源與電動汽車。

(3)充電模式3

模式3在將電動汽車連接到電網(wǎng)(電源)時，使用了專用供電設備，且在電動汽車供電設備上裝了專用保護裝置(控制引導裝置)，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(連接方式見后述)。采用單相供電時，電源不大于32A；采用三相供電且電源大于32A時，應采用連接方式C。

(4)充電模式4

模式4在將電動汽車連接到交流電網(wǎng)(電源)時，使用了帶控制引導功能的直流供電設備?？刂齐娐穬?nèi)置在電動汽車供電設備(EVSE)中。EVSE永久連接在電網(wǎng)(電源)，通過電纜為車輛供電。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。

電動汽車供電設備(EVSE)和電動汽車(EV)充電控制系統(tǒng)間的通訊，模式2、3通過PWM告知電動汽車允許最大可用電流。模式4通過數(shù)字通信(CAN)告知。

2.連接方式

(1)連接方式A

連接方式A在將汽車和交流電網(wǎng)連接時，使用和電動車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在將汽車和交流電網(wǎng)連接時，使用了帶有車輛插頭和供電插頭的獨立的活動電纜組件，可拆卸電纜組件不是車輛或者充電設備的一部分，如圖2所示。

圖2 連接方式B

(3)連接方式C

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

圖3 連接方式C

二、電動汽車充電操作

1.電動汽車充電基本信息

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

2.充電端口位置

捷豹I-PACE可以接受來自外部電源的交流(AC)或直流(DC)電源電壓來對高壓(HV)蓄電池進行充電。充電端口位置如圖4所示，AC插座位于車輛右側，DC插座位于車輛左側。在車輛上市時，將會提供多種充電解決方案，車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)-專用壁掛充電箱，含可拆卸式或帶線式充電電纜；模式4(DC)-專用充電站，含帶線式充電電纜系統(tǒng)支持通過模式2或模式3充電電纜進行的最高充電率為7kW的單相AC充電。還支持通過連接至充電站的模式4充電電纜進行的最高充電率為100kW的DC充電。

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

圖4 I-PACE充電端口位置

3.連接充電電纜

(1)解鎖車輛。

(2)確保選擇駐車擋(P)。

(3)確保車輛電氣系統(tǒng)已關閉。

(4)打開充電端口蓋。

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

(6)將充電電纜連接到車輛的充電端口上。

注意：車輛無法在連接充電電纜的情況下行駛，因為充電和行駛不可同時進行。

4.斷開充電電纜

(1)確保使用智能鑰匙上的解鎖按鈕解鎖車輛，或使用任一車門上的被動進入系統(tǒng)解鎖車輛。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)確保選擇了駐車擋(P)。

(3)確保車輛電氣系統(tǒng)已關閉。

(4)按下充電電纜接頭頂部的釋放按鈕(僅限北美/中國)，然后從車輛上斷開電纜。務必先從車輛上斷開充電電纜。

(5)完全關閉充電端口蓋。

(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)

每個充電插座都有一個由電磁閥驅動的鎖銷，進行充電時，該鎖銷可將充電電纜鎖定到位(鎖定機構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：鎖閉車輛、成功連接充電電纜后。

每個充電插座都有一個由電磁閥驅動的鎖銷，進行充電時，該鎖銷可將充電電纜鎖定到位。每個鎖都有四個電氣連接：鎖電源饋電1；鎖電源饋電2；鎖位置開關反饋；接地。

BCCM 通過向鎖銷1或2供應任一極性的電源饋電來控制鎖定和解鎖操作。鎖位置開關用于監(jiān)測鎖銷的位置并向BCCM提供反饋。如果BCCM感測到鎖位置開關未處于鎖定或解鎖位置，則車輛在連接充電電纜后將無法充電。如果操作過鎖緊急釋放拉索并且鎖位置卡在打開和關閉之間，則就會發(fā)生這種情況。

如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無法釋放充電電纜，則打開發(fā)動機罩，然后拉動紅色環(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、電動汽車充電系統(tǒng)基礎知識

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)蓄電池供應直流(DC)充電電壓。BCCM將進入的交流(AC)電壓轉換為對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HV蓄電池進行充電。該模式能夠以最高100 kW功率直接對HV 蓄電池進行充電，并由BCCM 進行管理。該模塊將會調(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100kW是最高值，在充電過程中，BCCM可能會將該值調(diào)節(jié)至較低的水平。BCCM輸入電流類型的變化由其內(nèi)部進行管理，以便將輸入電壓從AC改變?yōu)镈C或轉換為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通過高速電源模式0 (HSPMZ)CAN與蓄電池電量控制模塊(BECM)和動力傳動系統(tǒng)控制模塊(PCM)進行通信。當車輛處于電源模式0時，有關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的冷卻包含在電動驅動冷卻液回路中，該回路由PCM進行監(jiān)測。BCCM是一個不可維修的項目，因此應該作為一個整體進行更換。

2.充電類型

(1)BCCM充電類型

BCCM可以接受來自HV充電插座的交流(AC)或直流(DC)電源電壓來對HV蓄電池進行充電。如果有多個電源連接至車輛上，則車輛將會使用具有最高充電率的方法。BCCM充電類型示意圖如圖8所示。

圖8 BCCM充電類型示意圖