[PDF] 電動汽車充電方式的探討

1、電池技術<2009年11月刊76 隨著以蓄電池為動力的電動車輛不斷面世并逐步走向市場,能否解決好這些車輛的動力電池的充電問題,已經(jīng)成為這類新能源車輛能否推廣應用的關鍵之一。為此,我們提出了電動汽車充電方法的探討。(一動力電池組的充電要求充電模式采用“限流、限壓”兩階段充電模式。充電開始階段,一般采用最佳充電倍率(鋰離子電池為0.3CA進行限流充電。在這一階段,由于電池的電動勢較低,即使電池充電電壓不高,電池的充電流也會很大,必須對充電電流加以限制。所以,這一階段的充電叫 “限流”充電,充電電流保持在限流值。隨著充電的延續(xù),電池電動勢不斷上升,電池的充電壓也不斷上升。當電池電壓上升到允許的

2、最高充電電壓時,保持恒壓充電。在這一階段,由于電池電動勢還在不斷上升,而充電電壓又保持不變,所以電池的充電流呈雙曲線趨勢不斷下降,一直下降到零。但在實際充電過程中,當充電電流減小到0.015CA 時就可停止充電。這一階段的充電叫恒“恒壓”充電,這一階段的充電電壓:U=E+IR=恒壓值。充電過程及充電電壓、電流的變化如下圖所示 。這是鋰離子動力電池組對充電模式的基本要求。此外,充電系統(tǒng)還必須具有自動調節(jié)充電參數(shù)、自動控制和自動保護功能:1自動調節(jié)充電參數(shù)在充電過程中,充電系統(tǒng)必須能根據(jù)電池組的狀態(tài)、電池管理系統(tǒng)(BMS輸出的信息和整車監(jiān)控輸出的信息,自動調節(jié)充電參數(shù)和自動控制充電。例如,在充電時

3、,尤其在恒壓充電階段,如果電池組中有某一個單體電池的充電電壓超過允許的充電電壓(根據(jù)不同鋰電池的特性一般設定為3.9V 4.3V 之間時,充電系統(tǒng)應會根據(jù)電池管理系統(tǒng)(BMS輸出的信號,自動減小充電電壓和電流,使該電池的充電電壓不超過允許的充電電壓,防止該電池過壓充電。又如,在充電開始時,經(jīng)電池管理系統(tǒng)(BMS監(jiān)測到有某一個單體電池的電壓過低,充電系統(tǒng)應能自動改小初始充電電流,待電池的電壓正常后,再轉入正常充電。2自動控制和自動保護功能在充電過程中,電池組和電動車發(fā)生任何不正常情況時,如電池組短路、斷路、高溫、起火和有電池損壞時,充電系統(tǒng)應能迅速切斷電源,停止充電。3與整車CAN總線通信在充電

4、過程中,充電系統(tǒng)的信息可與整車CAN 總線通信。(二充電設備充電器根據(jù)電池的充電特性和電動汽車動力電池組的充電要求,常用充電設備充電器,可分為直流充電器和脈沖充電器兩類。直流充電器就是把電網(wǎng)電源經(jīng)過整流濾波后,并經(jīng)一系列調控后,輸出DC 電源,供給動力電池組進行充電。目前使用最多的直流充電器是高頻開關電源充電器。它具有體積小,重量輕,工作可靠,效率高,功率因數(shù)高、不怕電網(wǎng)波動和不造成電網(wǎng)波動、既不怕電網(wǎng)干擾又不干擾電網(wǎng)、功率可小可大,容易實現(xiàn)智能化等優(yōu)點。特別適合做小功率到大功率、特大功率的高頻開關電源充電器。溧陽市華電動汽車充電方式的探討<教授級高級工程師 李保成<溧陽市華元電源

5、設備廠總工 李杏元摘要:本文旨在論述電動汽車的動力電池組應當如何正確地去進行充電,才能保證電池良好的使用性能、使用安全和使用壽命,降低電池的使用成本。論述:1動力電池組的充電要求;2充電器;3電池管理系統(tǒng)(BMS;4電動汽車的充電方式。本文還介紹了溧陽市華元電源設備廠獲得國家發(fā)明專利的高頻開關電源充電器的基本特點。關鍵詞:電池充電,充電器,充電方式 元電源設備廠獲得國家發(fā)明專利的高頻開關電源,就是這樣的電源。該開關電源充電器采用模塊化設計方案,可以通過模塊的串聯(lián),做成高壓充電器;也可以通過模塊的并聯(lián),做成大電流充電器;還可以通過模塊的串聯(lián)和并聯(lián),做成高電壓、大電流的大功率充電器。該開關電源充電

6、器還具有根據(jù)電池管理系統(tǒng)(BMS的信息,自動調節(jié)充電參數(shù)和自動保護電池的功能。溧陽市華元電源設備廠應用自主發(fā)明專利生產的節(jié)能型高頻開關充電機,無論單臺或并聯(lián)充電,均能按被充電池的實際要求設置最高充電電壓和電流,在充電中能根據(jù)電池的變化,自動調整投入功率,使充電機效率始終保持最高狀態(tài).采用可控硅作整流控制元件的工頻充電器,是早期使用最多的充電器。但它必須配置一個龐大而笨重的工頻變壓器。而且效率低、功率因數(shù)低、容易對電網(wǎng)造成污染?，F(xiàn)在還有人使用和設計這類充電器。不過,它必然被性能更加優(yōu)異的高頻開關電源充電器所代替。脈沖充電可以減少電池在充電時產生的極化現(xiàn)象,從而提高電池的充電效率,減少充電時間,實

7、現(xiàn)快速充電。但這種脈沖充電器,結構比較復朵,技術難度較大,充電參數(shù)的設定還沒有成熟的理論和試驗依據(jù)。所以,脈沖充電方法還有待繼續(xù)研究。(三充電設備-電池管理系統(tǒng)(BMS電池管理系統(tǒng)(BMS是電池在充電過程中必不可少的設備。電池管理系統(tǒng)(BMS的主要作用是實時監(jiān)測電池組在充電過程中每一個單體電池的電壓、溫度和電池組的電流,經(jīng)過處理、比較,輸出報警、調控信息,并顯示電池組和每一個單體電池的實時的和歷史的資信。電池管理系統(tǒng)(BMS是保證電池安全的充好電的重要保障。電池組在充電過程中之所以容易發(fā)生問題,主要是由于電池的一致性誤差過大引起的。為此,近十幾年來,國內外的許多專家學者,廣大蓄電池的制造者和使

8、用者,都大力開展了旨在解決電池一致性誤差所帶來危害的研究,開發(fā)出了各種各樣的電池管理系統(tǒng)(BMS,強烈地提出了對電池進行均衡的要求,并采用了各種各樣的方法來進行電池的均衡。如分流法、切斷法、并聯(lián)法、能量回收法、輔助充電法、單充法但是,從理論分析和實際的使用效果看,很少有令人滿意的結果。這并不是由于電子技術存在問題,而是由于對電池管理系統(tǒng)(BMS的理念和電池管理策略存在問題。為此,我們必須按照科學的理念,采用有效的策略設計電池管理系統(tǒng)(BMS。推薦的方法就是:管兩頭、帶中間、自動均衡。具體說就是:在充、放電和停車時,全天候的實時監(jiān)測每個單體電池的電壓、溫度和電池組的電流,根據(jù)電池的使用性能和使用

9、條件設定最高充電電壓、最低放電電壓、最高和最低使用溫度、最大電流的門限值,當某一個電池的電壓、溫度、電池組電流超限時,就啟動調控和報警功能。一方面,保證任何一個單體電池都不會超限工作,這就叫做“管兩頭”。另一方面,保證在稍小的充電電流下繼續(xù)充電,一直到充電總電壓和最小充電流達到設定值時,充電結束。這就叫做“帶中間”。電池的均衡充電是在調控的充電過程中自動進行的。(四電動汽車的充電方式電動汽車充電時間長,充電難是電動汽車推廣應用的一個難題。按最佳充電要求對電動汽車充電的充電時間,至少要3個小時。因此,電動汽車的充電方式不能像燃油汽車在加油站加油那樣,在像加油站那樣的充電站進行充電。此外,根據(jù)電池

10、的充電特性和電動汽車動力電池組的充電要求,電動汽車的充電系統(tǒng)是各自獨立的。它不可能在充電站里并聯(lián)充電。也就是說不能幾輛電動汽車共用一臺充電器。有人提出20分鐘的快速充電方案。20分鐘充滿電,那至少要用3CA的充電倍率進行充電。這對于磷酸鐵鋰鋰離子電池來說是可能的,但是也存在一定的問題需要進一步探討:其-,電池組導線及接頭的容量至少要增加5倍以上;其二,充電設備所需的功率很大。以一輛電動大巴為例,它配置600Ah的電池120個。3CA的充電電流為1800A,充電電壓510V。充電器的輸出功率為918kw,電網(wǎng)提供的功率1150kw。其三,充電電流加大,什么樣的電池的壽命不會受影響,需要科學論證。

11、那么,用奧運村那樣的電動車充電站,快速更換電池的方法是否可行?奧運村那樣的電動車充電站,每輛電動大巴更換一次電池的時間大約需要10分鐘。對于公交車站來說,平常發(fā)車,時間夠用了。但高峰時發(fā)車,時間就不夠了。用快速更換電池的方法時,往往電池組的容量減半,這樣一來,電池的放電倍率增加一倍,會使電池的壽命減少。如果仍然保持電池合理的配置,那么也要增加一倍的電池儲備,自然會增加電動車的運行成本。此外,用快速更換電池的方法時,對電池組的標準化設計和電池的一致性、充電控制要求更高,會增加電動車的運行成本,而且很難實現(xiàn)。綜上所述,電動汽車的充電還是采用按最佳充電的常規(guī)充電為主、快速補充充電為輔的充電方式為好。

12、常規(guī)充電的時間約4小時,我們主張快速補充充電的充電倍率1CA左右,充電1小時,就可充電80%以上。對于電動公交車而言,充電站就設在公交車總站內。在晚間下班后利用低谷電充電,可利用時間56小時。全天運行的車輛,續(xù)駛里程不夠時,可利用中間休息待班時間進行電池技術<2009年11月刊77 補充充電。充電器的數(shù)量和容量根據(jù)車隊的規(guī)模而定。充電站由車隊管理。對于電動出租車而言,它需求的續(xù)駛里程長。由于車型比較統(tǒng)一,品種也不多,快速更換電池的方法還比較實用。但要建立一個換電網(wǎng)絡。對于公務電動汽車而言,在機關設立充電站就可以了。利用低谷電充電。對于個人電動小汽車而言,在小區(qū)內設立充電站就可以了。利用低

13、谷電充電。利用低谷充電,對電網(wǎng)來說相當于蓄能,對車主來說減少了充電費用。(五一種大中型電動汽車充電站設計方案為了適應城市和城市間的電動車輛的推廣應用,建立多個大、中、小型電動車輛充電站是必然措施。充電站的設計和布局,必須體現(xiàn)“節(jié)能、環(huán)保、安全、方便和有利于電網(wǎng)供用電”的原則。假如建設一次可為12輛或8輛大型鋰動力電動大巴(大型公交車、豪華大巴同時充電,加上附設的中、小型充電器,則這個充電站的主要設備:1、充電機:12臺充電機。每臺充電機最高充電電壓700V(相當于165只最高充電電壓4.2V左右的鋰電池單體串聯(lián)電壓,最大充電電流350A(相當于700AH電池容量的0.5C充電率,最大輸出功率2

14、45kw,輸出功率可在20kw至245kw范圍內調節(jié)。12臺充電機平常按單機充電方式充電?？焖俪潆姇r,可用6臺充電機并聯(lián)充電,最大輸出功率為1470kw,最大充電電流2100A(相當于700AH電池的3c充電率?；蛘哂?臺充電機平時為8輛電動車輛充電,每臺輸出最高充電電壓700V,最大充電電流500A(相當于700AH電池用量0.7CA的充電率。4臺并聯(lián)時最高充電電壓700V,最大充電電流2000A(相當于700AH 電池用量的3CA充電率。1CA3CA的快速充電模式,有人在探討應用,我們認為應在確保電池的安全和使用壽命的前提下進行。也許會有應用新材料、新技術生產的電池能適合大電流快速充電模式

15、。溧陽市華元電源設備廠應用自主發(fā)明專利生產的節(jié)能型高頻開關充電機,無論單機或并聯(lián)充電,均能按被充電池的實際要求設置最高充電電壓和電流,在充電中能根據(jù)電池的變化,自動調整投入功率,使充電機效率始終保持最高狀態(tài)。所以,雖然充電機功率大,富裕量大,能適應各種用量的電池組充電,又不會浪費能源。該廠生產出上述特大功率高頻電源充電機,能支持1CA3CA的快速充電實驗。另外,充電站可以附加配置20kw以下至500w左右的中、小型充電器若干只,總功率在100kw左右。2、電力變壓器:按照上述充電機、充電器的最大功率配置,加上充電站內的車輛檢修、洗車、照明、空調等方面的用電,電力變壓器有效總功率約為3300kw

16、左右。這么大的電力變壓器,最好由2只以上變壓器分攤,工作時按實際需要投入功率,減少變壓器的空載損耗。對為大型公交電動車、軍警用電動車、電力搶修電動車等充電的較重要的充電站,宜采用兩回線路供電的方案,確保充電站供電的可靠性。3、BMS和智能化充電計費系統(tǒng):溧陽市華元電源設備廠生產的大功率充電機單臺工作時都和BMS有互動信號接口,并聯(lián)工作時,充電狀態(tài)的調節(jié)與監(jiān)控均應受主控充電機的指揮。智能化充電計費系統(tǒng)是一臺充電機一套,均能自動計費、開據(jù),也可與充電站“收銀臺”計算機聯(lián)網(wǎng)。幾臺充電機并聯(lián)工作時,計費量為并聯(lián)充電機各臺計費量的總和。4、配電、充電間:這是充電站的核心設施,一般應160M2 ( 8M