電動汽車動力電池充電方法課件

1、電動汽車動力電池充電方法動力電池充電功能典型的動力電池充電方法動力電池成組充電方式議題動力電池充電功能電池充電通常應該完成三個功能：1）盡快使電池恢復額定容量，即在恢復電池容量的前提下，充電時間越短越好；2）消除電池在放電使用過程中引起的不良后果，即修復由于深放電、極化等導致的電池性能被破壞；3）對電池補充充電，克服電池自放電引起的不良影響。典型的動力電池充電方法1.常規(guī)充電方法(1)恒流充電法 恒流充電方法是通過調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方式使充電電流強度保持不變的充電方法。該方法控制簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的到充電后期，充電電流多用于

2、電解水，產(chǎn)生氣體，此時電能不能有效轉(zhuǎn)化為化學能，多變?yōu)闊崮芟牡袅恕?2)恒壓充電法 在蓄電池充電過程中充電電源電壓始終保持一定，叫做恒壓充電。充電開始時，電池電動勢小，所以充電電流很大，對蓄電池的壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報廢；充電中期和后期由于電池極化作用的影響，正極電位變得更高，負極電位變得更低，所以電動勢增大，充電電流過小，形成長期充電不足，影響電池的使用壽命。鑒于這種缺點，恒壓充電很少使用,只有在充電電源電壓低、工作電流大時才采用。(3)階段充電法 該方法包含多種充電方法的組合，如先恒流后恒壓充電法、多段恒流充電法、先恒流冉恒壓最后恒流充電法等。常用的為先恒流

3、再恒壓的充電方式，如鉛酸電池、鋰離子電池常采用該種方式充電。2.快速充電方法為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學反應速度，縮短蓄電池達到充滿電狀態(tài)的時間，同時保證蓄電池正負極板的極化現(xiàn)象盡量少或輕提高蓄電池使用效率，快速充電技術近年來得到了迅速發(fā)展。(1)脈沖式充電法 該方法是首先用脈沖電流對電池充電，然后停充一段時間，再用脈沖電流對電池充電，如此循環(huán)，如圖所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學反應產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄

4、電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。(2)RenexTM快速充電法 這種技術是美國的一項專利技術，最早主要面對的充電對象是鎳鎘電池。這種充電方法緩解了鎳鎘電池的記憶效應問題，并大大降低了蓄電池快速充電的時間。(3)變電流間歇充電法 這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎上。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復至完全充電狀態(tài)。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學反應產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而

5、然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。(4)變電壓間歇充電法 在變電流間歇充電法的基礎上又有人提出了變電壓間歇充電法，如下圖所示。變電壓間歇充電法與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。(5)變電壓、變電流波浪式間歇正負零脈沖快速充電法 綜合脈沖充電法、ReflexTM快速充電法、變電流間歇充電法及變電壓間歇充電法的優(yōu)點，變電壓、變電流波浪式正負零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應用。脈沖充電法充電電路的控制一般有兩種：1)脈沖電流的幅值可變，而PWM(驅(qū)動充放電開關管)信號的頻率是固定的。2)脈沖電流幅

6、值固定不變，PWM信號的頻率可調(diào)。下圖采用了一種不同于這兩者的控制模式，脈沖電流幅值和PWN信號的頻率均固定，PWM占空比可調(diào)，在此基礎上加入間歇停充階段能夠在較短的時間內(nèi)充進更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力。動力電池成組充電方式根據(jù)運營方式的不同，電動車輛動力電池組充電又可分為地面充電和車載充電兩種充電情況。1.地面充電方式當車輛進行補充充電時，將需要充電的電池從車輛上卸下，安裝 已充滿電的電池，車輛即離開繼續(xù)運營或應用，對卸載下的電池采用地面充電系統(tǒng)進行補充充電。采取地面充電方式有利于電池維護，提高電池使用壽命和車輛使用效率，但對車輛及電池更換設備提出了更高的要求。地面充電又有分箱充電

7、或者整組充電。（1)分箱充電 分箱充電時，每臺充電機對電池組中一箱電池充電，并和該箱的電池管理單元通信，完成充電控制。采用這種方式，有利于提高電池組的均衡性，延長電池組使用壽命，但充電機數(shù)量多，電池組與充電機間的連線多，監(jiān)控網(wǎng)絡復雜，成本較高。地面單箱充電結(jié)構(gòu)圖充電平臺包括與車輛低壓電源一致的直流電源、電池存儲架、充電機通信接口連接器、充電機輸出連接器、煙霧傳感器。其中，當單箱電池放置在充電平臺上、低壓電源為電池管理單元提供供電電源，充電機和電池管理單元通信實現(xiàn)充電控制，能量通過充電機輸出連接器從充電機傳輸?shù)诫姵?。煙霧傳感器、溫度傳感器等實現(xiàn)在充電過程中的現(xiàn)場監(jiān)視。當采用單箱充電時，需要電池調(diào)

8、度系統(tǒng)對所有的電池實時進行數(shù)量、質(zhì)量和狀態(tài)的監(jiān)控和管理，完成電池存儲、更換、重新配組和電池組均衡、實際容量測試及電池故障的應急處理等功能。（2）整組充電 采用整組充電，則將從電動車輛上卸下的各箱電池按照車輛上的應用方式連接，通過一臺充電機給整組電池進行充電，所有的電池管理單元通過電池管理主機與充電進行通信，完成充電控制。采用這種方式，充電機數(shù)量較少，監(jiān)控網(wǎng)絡簡單，但是相對單箱充電方式而言，電池組的均衡性較差，使用壽命較低。地面整組充電結(jié)構(gòu)圖序號整車充電分箱充電1充電電壓高、安全性差充電電壓低、安全性好2單臺充電設備功率大，技術不成熟，設備成本高充電設備單機功率??；技術成熟，總體成本低3一致性差

9、異增加快減緩一致性差異增加4諧波相對較大諧波相對較小5不適于更換模式下電池對稱布置適于更換模式下電池對稱布置6電池使用壽命短兼顧一致性，有效提高了電池使用壽命表2-6 兩種充電方式比較2.車載充電方式當車輛進行補充充電時，充電機與充電車輛通過充電插頭進行連接，電池無需從車輛上卸下可直接進行充電。其優(yōu)點是充電操作過程簡單，不涉及電池存儲、電池更換等過程。但車輛充電時間占用了車輛的運營或應用時間，車輛利用率較低，不利于保持電池組的均衡性以及延長電池組的使用壽命。DC+750V 125A直流電源總正DC-750V 125A直流電源總負PE保護接地S+30V2A 充電通信CANHS-30V2A充電通信

10、CANLCC130V2A充電連接確認1CC230V2A充電連接確認2A+30V20A低壓輔助電源正A-30V20A低壓輔助電源負圖2-22 充電機與充電車輛通過充電插頭進行連接充電圖2-23 一種充電接頭的端子功能圖2-24 充電接頭端子布局圖表2-7 充電接頭端子功能該系統(tǒng)通過充電插頭上的CAN網(wǎng)絡連接線與電動汽車內(nèi)部CAN網(wǎng)絡進行連接，與車載電池管理主機進行通信，完成充電控制。圖2-25 車載充電通訊網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖車載電池充電采用的充電機有兩種形式，一種是隨車安裝攜帶的車載充電機，一般功率較小，對于電動轎車多數(shù)在5kW以下，充電電流小，充電時間長。適于晚間充電、白天應用的電動車輛工況。另有非車

11、載快速充電機，一般保證車輛充電在30min以內(nèi)，可以充入保證車輛行駛超過50km的電量。已經(jīng)產(chǎn)品化的電動轎車為了滿足這兩種充電機的應用，需要在車輛上設置車載充電機接口和快速充電接口。圖2-26 日產(chǎn)公司LEAF電動汽車的充電接口四、充電機充電機是與交流電網(wǎng)連接，為動力電池等可充電的儲能系統(tǒng)提供直流電能的設備。一般可由功率單元控制單元、計量單元、充電接口、供電接口及人機交互界面等部分組成。實現(xiàn)充電計量等功差，并擴展具有反接、過載、短路、過熱等多重保護功能及延時起動、軟起動、斷電記憶自起動等功能。充電機技術涉及兩個方面:充電機的集成和控制技術，主要是通過研究充電過程對電池使用壽命、溫度、安全性等方

12、面的影響，選擇合理的拓撲結(jié)構(gòu)，采取合適的充電方式，實現(xiàn)充電過程的動態(tài)優(yōu)化及智能化控制，從而實現(xiàn)最優(yōu)充電;充電監(jiān)控技術，主要是規(guī)范充電機和充電站監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信協(xié)議，實現(xiàn)對多臺充電機狀態(tài)和充電過程的實時監(jiān)控，并達到和其他監(jiān)控系統(tǒng)、運營收費系統(tǒng)通信的功能。1.充電機的類型電動車輛充電機根據(jù)不同的分類標準，可分為多種類型（1)車載充電機 車載充電機安裝于電動車輛上，通過插頭和電纜與交流插座連接。車載充電機的優(yōu)點是在蓄電池需要充電的任何時候，只要有可用的供電插座，就可以進行充電。其缺點是受車上安裝空間和重量限制，功率小，只能提供小電流慢速充電，充電時間一般較長。圖2-26為電動轎車安裝的3kW車載充

13、電機。圖2-26 某電動轎車安裝的3kW車載充電機(2)非車載充電機 非車載充電機一般安裝于固定的地點，與交流輸入電源連接，直流輸出端與需要充電的電動汽車充電接口相連接。非車載充電機可以提供大功率電流輸出，不受車輛安裝空間的限制，可以滿足電動車輛大功率快速充電的要求。圖2-27所示為電動轎車提供快速充電的50kW充電機。圖2-27非車載充電機(3)傳導式充電機和感應式充電機 傳導式充電機的供電部分與受電部分有著機械式的連接，即輸出通過電力電纜直接連接到電動汽車充電接口上，如圖2-28所示，電動汽車上不裝備電力電子電路。這種充電器結(jié)構(gòu)相對簡單，容易實現(xiàn)，但操作人員不可避免地要接觸到強電，所以容易

14、發(fā)生危險。圖2-28 傳導式充電感應式充電機利用了電磁能量傳遞原理，電磁感應耦合方式向電動汽車傳輸電能，供電部分和受電部分之間沒有直接的機械連接，如圖2-29所示，兩者的能量傳遞只是依靠電磁能量的轉(zhuǎn)換，這種結(jié)構(gòu)設計比較復雜，受電部分安裝在電動車輛上，受到車輛安裝空間的限制，因此功率受到一定的限制，但由于不需要充電人員直接接觸高壓部件，安全性高。圖2-29 感應式充電2.充電機的性能要求 為實現(xiàn)安全、可靠、高效的動力電池組充電，充電機需要達到如下的基本性能要求。1)安全性。保證電動汽車充電時，操作人員的人身安全和蓄電池組充電安全。2)易用性。充電機要具有較高的智能性，不需要操作人員對充電過程進行

15、過多的干預。3)經(jīng)濟性。充電機的成本降低，對降低整個電動汽車使用成本，提高運行效益，促進電動汽車的商業(yè)化推廣有重要的作用。4)高效性。保證充電機在充電全功率范圍內(nèi)高效率，在長期的使用中可以節(jié)約大量的 電能。提高充電機能量轉(zhuǎn)換效率對電動汽車全壽命經(jīng)濟性有重要作用5)對電網(wǎng)的低污染性。由于充電機是-種高度非線性設備，在使用中會產(chǎn)生對電網(wǎng)及其他用電設備有害的諧波污染，需要采用相應的濾波措施降低充電過程對電網(wǎng)的污染。3.充電技術發(fā)展趨勢由于電動汽車技術的不斷發(fā)展，對于充電系統(tǒng)的要求也越來越高，為了適應電動汽車的快速發(fā)展，充電系統(tǒng)需要盡量向以下目標靠近。1)快速化。在目前動力電池比能量不能大幅度提高，續(xù)

16、駛里程有限的情況下，提高充電速度，從某種意義上可以緩解電動汽車續(xù)駛里程短導致的使用不方便的問題。2)通用性。電動汽車應用的動力電池具有多樣性，在同種類電池中由于材料、加工工藝的差異也存在各自的特點。為了節(jié)約充電設備投入，增加設備應用的方便性，就需要充電機具有充電適用的廣泛性和通用性，能夠針對不同種類的動力電池組進行充電。3)智能化。充電系統(tǒng)應該能夠自動識別電池類型、充電方式、電池故障等信息，以降低充電人員工作強度，提高充電安全性和充電工作效率。4)集成化。目前電動汽車充電系統(tǒng)是作為一個獨立的輔助子系統(tǒng)而存在的，但是隨著電動汽車技術的不斷成熟，本著子系統(tǒng)小型化和多功能化的要求，充電系統(tǒng)將會和電動

17、汽車能量管理系統(tǒng)以及其他子系統(tǒng)集成為一個整體，從而為電動汽車其余部件節(jié)約出布置空間并降低電動汽車的生產(chǎn)成本。5)網(wǎng)絡化。對于一些公共場合，例如，大型市場的停車場、公交車總站等，為了適用 數(shù)量巨大的電動汽車充電要求，就必須配備相當數(shù)量的充電器，如何對這些充電器進行有效的協(xié)調(diào)管理是一個不可忽視的問題。基于網(wǎng)絡化的管理體制可以使用中央控制主機來監(jiān)控分散的充電器，從而實現(xiàn)集中管理，統(tǒng)一標準，降低使用和管理成本的目的。充電管理模式充電策略的實現(xiàn)，需要電池系統(tǒng)與充電機間實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)實施判斷。電池管理系統(tǒng)完成了電池系統(tǒng)中參數(shù)的采集工作，在現(xiàn)有的智能充電中，通過實現(xiàn)與充電機的通信，保證充電安全性，

18、實現(xiàn)充電過程的有效控制。充電管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)BMS的作用是實現(xiàn)對電池狀態(tài)的在線監(jiān)測、SOC估算、狀態(tài)分析以及實施必要的熱管理。充電機的主要任務是電源變換、輸出電壓和電流的閉環(huán)控制、必要的保護以及與BMS通信，實現(xiàn)對電池狀態(tài)的全面了解和對輸出電流的動態(tài)調(diào)節(jié)。當電池組需要充電的時候，除了充電機的輸出總正和總負動力線需要與電池組相連以外，BMS和充電機之間還增加了用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的通信線該充電模式通過電池管理系統(tǒng)和充電機系統(tǒng)之間建立通信鏈路，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，使得在整個充電過程中電池的電壓、溫度以及絕緣性能等安全性相關的參數(shù)都能參與電池的充電控制和管理，使得充電機能充分地了解電邊的狀態(tài)和信息，并據(jù)此改

19、變充電電流，有效地防止了電池組中所有電池發(fā)生過充電和溫度過高情況，提高了串聯(lián)成組電池充電的安全性。充電站充電站( Charge Station)主要是指快速高效、經(jīng)濟安全地為各種電動車輛提供運行中所需電能的服務性基礎設施。為提高車輛的使用率和使用方便性，除采用動力電池車載充電以外，還可采取電動汽車動力電池系統(tǒng)與備用電池系統(tǒng)更換的方案使電動汽車獲得行駛必需的電能。1.主要功能與布局充電站的主要功能決定其總體布局。一般來說，一個功能完備的充電站由配電區(qū)、監(jiān)控區(qū)充電區(qū)、更換電池區(qū)和電池維護區(qū)等五個基本部分組成，如圖2-31所示。根據(jù)充電站的規(guī)模和服務功能差異，在功能區(qū)設置上存在一定的差異。例如，不需

20、要對電池進行更換的充電站將不需要設置更換區(qū)以及配備電池更換設備和大量電池的存儲設備。圖2-31 充電站總體結(jié)構(gòu)(1)配電區(qū) 配電區(qū)為充電站提供所需的電源，不僅給充電機提供電能，而且要滿足照明、控制設備的需要，內(nèi)部建有變配電所有設備、配電監(jiān)控系統(tǒng)，相關的控制和補償設備也需要加以考慮。配電室是整個充電站正常運行的基礎。根據(jù)配電功率的需要，一般采用充電用負荷、監(jiān)控和辦公負荷分開供電的形式。(2)充電區(qū) 充電區(qū)完成動力電池組電能的補給，是整個充電站的核心部分，配備各種形式的充電機，建設充電平臺以及充電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡接口，滿足多種形式的充電需求，提供方便、安全和快捷的全方位充電服務。(3)更換電池區(qū) 更

21、換電池區(qū)是車輛更換電池和電池調(diào)度的場所，需要配備電池更換設備，同時應建設電池存儲區(qū)域用于存放備用動力電池組。(4)電池維護區(qū) 對所有的電池實時進行數(shù)量、質(zhì)量和狀態(tài)管理，開展電池重新配組、電池組均衡、電池組實際容量測試、電池故障的應急處理和日常維護等工作。(5)監(jiān)控區(qū) 監(jiān)控區(qū)用于監(jiān)控整個充電站的運行情況，包括充電參數(shù)監(jiān)控、煙霧監(jiān)控、配電監(jiān)控等，并可以擴展具備車輛運行參數(shù)監(jiān)控、場站安保監(jiān)控等功能，并完成管理情況的報表打印等。各監(jiān)控子系統(tǒng)可通過局域網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議與中央監(jiān)控室以及上一級的監(jiān)控中心進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計、故障顯示以及監(jiān)控功能。充電站監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2-32所示，一般采用分級并

22、行結(jié)構(gòu)。圖2-32 充電站監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖配電監(jiān)控系統(tǒng)要通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)配電站供電系統(tǒng)信息的交換和管理，除實現(xiàn)常規(guī)的二次設備繼電保護、安全自動裝置、測量儀表、操作控制、信號系統(tǒng)等功能之外，該系統(tǒng)需要和監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)通信，保證當充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，配電系統(tǒng)能夠采取適當?shù)拇胧┻M行處理。煙霧報警監(jiān)視系統(tǒng)主要監(jiān)視充電平臺上的電池狀態(tài)，當電池發(fā)生冒煙、燃燒等危險情況時發(fā)出警報。該系統(tǒng)獨立于電池管理系統(tǒng)，是電池安全措施的一部分。充電機監(jiān)控系統(tǒng)完成充電過程的監(jiān)控，充電機數(shù)據(jù)以及電池數(shù)據(jù)通過通信傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機完成數(shù)據(jù)分析以及報表打印等。監(jiān)控計算機也可以用過通信對充電機的啟停以及輸出電流、電壓實現(xiàn)控制

23、。視頻監(jiān)視系統(tǒng)對整個充電站的主要設備運轉(zhuǎn)以及人員進行安全監(jiān)視。2.建設形式由于電動汽車可以采用整車充電和更換電池的方式來進行電能補充，故充電站的建設形式較加油站有很大的靈活性。按建設和結(jié)構(gòu)形式來劃分，充電站可分為:一體式充換電站、子母式電池更換站、停車式整車充電站。(1)一體式充換電站 一體式充換電站根據(jù)作業(yè)車間布局的相對位置可分為:地面一體式充換電站、地下一體式充換電站以及立體式充換電站等。該類充換電站以采用電池更換設備提供電池更換服務為主，也可提供少量整車應急充電服務。更換下的動力電池在站內(nèi)實現(xiàn)電能補充。具有電動車輛能量補給速度快，服務能力強，自動化和專業(yè)化程度高，對電池性能要求較低，有利

24、于增加電池壽命等優(yōu)點，但也存在建站靈活性較低，備用電池和充電設備造成建設成本高，成本回收周期長，配電容量較大等缺點。地面一體式 地下一體式立體式（2）子母式電池更換站 子母式電池更換站是指動力電池在母站集中充電，電邊的更換作業(yè)在母站和各子站進行，通過配送體系將母站充滿電的電池配送到各子站并將更換下的電池運送回母站集中充電，母站和子站也可提供少量應急充電服務的充電站。子母式電池更換站由一個母站和若干子站構(gòu)成，母站主要建立在城市中土地資源充裕、交通便利、離大型配電站近的地區(qū)，主要進行規(guī)模大、專業(yè)化程度高的集中充電作業(yè);子站建立在城市中交通流量較大、電動車輛充電和電池更換需求旺盛、土地資源緊張的地區(qū)

25、，主要提供電池更換服務。子母式電池更換站示意圖子母站形式的充電站電池大規(guī)模集中充電，專業(yè)化、自動化程度高，有利于更好地監(jiān)控電池的性能并作出專業(yè)化的處理，充分發(fā)揮電池的潛能，延長電池壽命，提高電池的充電安全性，也增強了輻射服務范圍，緩解了充電站用地緊張的問題。但其也存在需要建立專用的配送服務體系，增加了系統(tǒng)復雜性，電池的利用率相對有一定程度的降低。母站作為高能儲存場所，配電容量巨大，需要更加嚴格的措施來保證母站的安全性。(3)停車式整車充電站 停車式整車充電站是指車輛提供整車常規(guī)充電和應急快速充電的充電站，其本質(zhì)就是一個配有一定數(shù)量充電機的停車場。這種充電站依托現(xiàn)有的飛機場、火車站、酒店、醫(yī)院、學校、購物場、超市、會議中心、旅游勝地和社區(qū)等停車場，在停車位附近設置常規(guī)充電機或快速充電機，利用車輛的停車間隙時間或者夜晚，為車輛提供小電流常規(guī)充電或大電流、短時快速充電服務。由于停車式整車充電站對已有停車場影響小，可以利用的場地很多因此具有靈活性大，配電容量小，對城市規(guī)劃布局或現(xiàn)有設施影響小，服務范圍廣等優(yōu)點。3.典型實例：奧運電動汽車充電站在中國國內(nèi)目前建設的大型電動汽車充電站中，2008年北京建設的奧運電動客車充電站是國際上第一個具有電池自動快速更換功能的充電站， 2010年上海建設的世博電動客車充電站是目前國際上規(guī)模最大的充電站。這兩個充電站功能完善，充換電兼容，在設計和