1、电动汽车动力电池充电方法动力电池充电功能典型的动力电池充电方法动力电池成组充电方式议题动力电池充电功能 电池充电通常应该完成三个功能： 1）尽快使电池恢复额定容量，即在恢复电池容量的前提下，充电时间越短越好； 2）消除电池在放电使用过程中引起的不良后果，即修复由于深放电、极化等导致的电池性能被破坏； 3）对电池补充充电，克服电池自放电引起的不良影响。典型的动力电池充电方法 1.常规充电方法 (1)恒流充电法 恒流充电方法是通过调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方式使充电电流强度保持不变的充电方法。 该方法控制简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的到充电后期，
2、充电电流多用于电解水，产生气体，此时电能不能有效转化为化学能，多变为热能消耗掉了。 (2)恒压充电法 在蓄电池充电过程中充电电源电压始终保持一定，叫做恒压充电。 充电开始时，电池电动势小，所以充电电流很大，对蓄电池的寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废；充电中期和后期由于电池极化作用的影响，正极电位变得更高，负极电位变得更低，所以电动势增大，充电电流过小，形成长期充电不足，影响电池的使用寿命。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用,只有在充电电源电压低、工作电流大时才采用。 (3)阶段充电法 该方法包含多种充电方法的组合，如先恒流后恒压充电法、多段恒流充电法、先恒流冉恒压最后恒流充电
3、法等。常用的为先恒流再恒压的充电方式，如铅酸电池、锂离子电池常采用该种方式充电。 2.快速充电方法 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到充满电状态的时间，同时保证蓄电池正负极板的极化现象尽量少或轻提高蓄电池使用效率，快速充电技术近年来得到了迅速发展。 (1)脉冲式充电法 该方法是首先用脉冲电流对电池充电，然后停充一段时间，再用脉冲电流对电池充电，如此循环，如图所示。 充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以
4、吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。 (2)RenexTM快速充电法 这种技术是美国的一项专利技术，最早主要面对的充电对象是镍镉电池。这种充电方法缓解了镍镉电池的记忆效应问题，并大大降低了蓄电池快速充电的时间。 (3)变电流间歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上。 其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电状态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被
5、吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。 (4)变电压间歇充电法 在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如下图所示。变电压间歇充电法与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。 (5)变电压、变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法 综合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压、变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种： 1)脉冲电流的幅值可变，而PWM(驱动充放电开
6、关管)信号的频率是固定的。 2)脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。 下图采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和PWN信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。动力电池成组充电方式 根据运营方式的不同，电动车辆动力电池组充电又可分为地面充电和车载充电两种充电情况。 1.地面充电方式 当车辆进行补充充电时，将需要充电的电池从车辆上卸下，安装 已充满电的电池，车辆即离开继续运营或应用，对卸载下的电池采用地面充电系统进行补充充电。采取地面充电方式有利于电池维护，提高电池使用寿命和车辆使用效率，但对车辆及
7、电池更换设备提出了更高的要求。地面充电又有分箱充电或者整组充电。 （1)分箱充电 分箱充电时，每台充电机对电池组中一箱电池充电，并和该箱的电池管理单元通信，完成充电控制。采用这种方式，有利于提高电池组的均衡性，延长电池组使用寿命，但充电机数量多，电池组与充电机间的连线多，监控网络复杂，成本较高。地面单箱充电结构图 充电平台包括与车辆低压电源一致的直流电源、电池存储架、充电机通信接口连接器、充电机输出连接器、烟雾传感器。 其中，当单箱电池放置在充电平台上、低压电源为电池管理单元提供供电电源，充电机和电池管理单元通信实现充电控制，能量通过充电机输出连接器从充电机传输到电池。烟雾传感器、温度传感器等
8、实现在充电过程中的现场监视。当采用单箱充电时，需要电池调度系统对所有的电池实时进行数量、质量和状态的监控和管理，完成电池存储、更换、重新配组和电池组均衡、实际容量测试及电池故障的应急处理等功能。 （2）整组充电 采用整组充电，则将从电动车辆上卸下的各箱电池按照车辆上的应用方式连接，通过一台充电机给整组电池进行充电，所有的电池管理单元通过电池管理主机与充电进行通信，完成充电控制。采用这种方式，充电机数量较少，监控网络简单，但是相对单箱充电方式而言，电池组的均衡性较差，使用寿命较低。地面整组充电结构图序号整车充电分箱充电1充电电压高、安全性差充电电压低、安全性好2单台充电设备功率大，技术不成熟，设
9、备成本高充电设备单机功率小；技术成熟，总体成本低3一致性差异增加快减缓一致性差异增加4谐波相对较大谐波相对较小5不适于更换模式下电池对称布置适于更换模式下电池对称布置6电池使用寿命短兼顾一致性，有效提高了电池使用寿命表2-6 两种充电方式比较 2.车载充电方式 当车辆进行补充充电时，充电机与充电车辆通过充电插头进行连接，电池无需从车辆上卸下可直接进行充电。其优点是充电操作过程简单，不涉及电池存储、电池更换等过程。但车辆充电时间占用了车辆的运营或应用时间，车辆利用率较低，不利于保持电池组的均衡性以及延长电池组的使用寿命。DC+750V 125A直流电源总正DC-750V 125A直流电源总负PE
10、保护接地S+30V2A 充电通信CANHS-30V2A充电通信CANLCC130V2A充电连接确认1CC230V2A充电连接确认2A+30V20A低压辅助电源正A-30V20A低压辅助电源负图2-22 充电机与充电车辆通过充电插头进行连接充电图2-23 一种充电接头的端子功能图2-24 充电接头端子布局图表2-7 充电接头端子功能 该系统通过充电插头上的CAN网络连接线与电动汽车内部CAN网络进行连接，与车载电池管理主机进行通信，完成充电控制。图2-25 车载充电通讯网络结构图 车载电池充电采用的充电机有两种形式，一种是随车安装携带的车载充电机，一般功率较小，对于电动轿车多数在5kW以下，充电
11、电流小，充电时间长。适于晚间充电、白天应用的电动车辆工况。另有非车载快速充电机，一般保证车辆充电在30min以内，可以充入保证车辆行驶超过50km的电量。已经产品化的电动轿车为了满足这两种充电机的应用，需要在车辆上设置车载充电机接口和快速充电接口。图2-26 日产公司LEAF电动汽车的充电接口 四、充电机 充电机是与交流电网连接，为动力电池等可充电的储能系统提供直流电能的设备。一般可由功率单元控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等部分组成。实现充电计量等功差，并扩展具有反接、过载、短路、过热等多重保护功能及延时起动、软起动、断电记忆自起动等功能。 充电机技术涉及两个方面: 充电
12、机的集成和控制技术，主要是通过研究充电过程对电池使用寿命、温度、安全性等方面的影响，选择合理的拓扑结构，采取合适的充电方式，实现充电过程的动态优化及智能化控制，从而实现最优充电; 充电监控技术，主要是规范充电机和充电站监控系统之间的通信协议，实现对多台充电机状态和充电过程的实时监控，并达到和其他监控系统、运营收费系统通信的功能。 1.充电机的类型 电动车辆充电机根据不同的分类标准，可分为多种类型 （1)车载充电机 车载充电机安装于电动车辆上，通过插头和电缆与交流插座连接。车载充电机的优点是在蓄电池需要充电的任何时候，只要有可用的供电插座，就可以进行充电。其缺点是受车上安装空间和重量限制，功率小
13、，只能提供小电流慢速充电，充电时间一般较长。图2-26为电动轿车安装的3kW车载充电机。图2-26 某电动轿车安装的3kW车载充电机 (2)非车载充电机 非车载充电机一般安装于固定的地点，与交流输入电源连接，直流输出端与需要充电的电动汽车充电接口相连接。非车载充电机可以提供大功率电流输出，不受车辆安装空间的限制，可以满足电动车辆大功率快速充电的要求。图2-27所示为电动轿车提供快速充电的50kW充电机。图2-27非车载充电机 (3)传导式充电机和感应式充电机 传导式充电机的供电部分与受电部分有着机械式的连接，即输出通过电力电缆直接连接到电动汽车充电接口上，如图2-28所示，电动汽车上不装备电力
14、电子电路。这种充电器结构相对简单，容易实现，但操作人员不可避免地要接触到强电，所以容易发生危险。图2-28 传导式充电 感应式充电机利用了电磁能量传递原理，电磁感应耦合方式向电动汽车传输电能，供电部分和受电部分之间没有直接的机械连接，如图2-29所示，两者的能量传递只是依靠电磁能量的转换，这种结构设计比较复杂，受电部分安装在电动车辆上，受到车辆安装空间的限制，因此功率受到一定的限制，但由于不需要充电人员直接接触高压部件，安全性高。图2-29 感应式充电2.充电机的性能要求 为实现安全、可靠、高效的动力电池组充电，充电机需要达到如下的基本性能要求。1)安全性。保证电动汽车充电时，操作人员的人身安
15、全和蓄电池组充电安全。2)易用性。充电机要具有较高的智能性，不需要操作人员对充电过程进行过多的干预。3)经济性。充电机的成本降低，对降低整个电动汽车使用成本，提高运行效益，促进电动汽车的商业化推广有重要的作用。4)高效性。保证充电机在充电全功率范围内高效率，在长期的使用中可以节约大量的 电能。提高充电机能量转换效率对电动汽车全寿命经济性有重要作用5)对电网的低污染性。由于充电机是-种高度非线性设备，在使用中会产生对电网及其他用电设备有害的谐波污染，需要采用相应的滤波措施降低充电过程对电网的污染。 3.充电技术发展趋势 由于电动汽车技术的不断发展，对于充电系统的要求也越来越高，为了适应电动汽车的
16、快速发展，充电系统需要尽量向以下目标靠近。 1)快速化。在目前动力电池比能量不能大幅度提高，续驶里程有限的情况下，提高充电速度，从某种意义上可以缓解电动汽车续驶里程短导致的使用不方便的问题。 2)通用性。电动汽车应用的动力电池具有多样性，在同种类电池中由于材料、加工工艺的差异也存在各自的特点。为了节约充电设备投入，增加设备应用的方便性，就需要充电机具有充电适用的广泛性和通用性，能够针对不同种类的动力电池组进行充电。 3)智能化。充电系统应该能够自动识别电池类型、充电方式、电池故障等信息，以降低充电人员工作强度，提高充电安全性和充电工作效率。 4)集成化。目前电动汽车充电系统是作为一个独立的辅助
17、子系统而存在的，但是随着电动汽车技术的不断成熟，本着子系统小型化和多功能化的要求，充电系统将会和电动汽车能量管理系统以及其他子系统集成为一个整体，从而为电动汽车其余部件节约出布置空间并降低电动汽车的生产成本。 5)网络化。对于一些公共场合，例如，大型市场的停车场、公交车总站等，为了适用 数量巨大的电动汽车充电要求，就必须配备相当数量的充电器，如何对这些充电器进行有效的协调管理是一个不可忽视的问题。基于网络化的管理体制可以使用中央控制主机来监控分散的充电器，从而实现集中管理，统一标准，降低使用和管理成本的目的。充电管理模式 充电策略的实现，需要电池系统与充电机间实现有效的数据传输和参数实施判断。
18、电池管理系统完成了电池系统中参数的采集工作，在现有的智能充电中，通过实现与充电机的通信，保证充电安全性，实现充电过程的有效控制。充电管理系统基本结构 BMS的作用是实现对电池状态的在线监测、SOC估算、状态分析以及实施必要的热管理。充电机的主要任务是电源变换、输出电压和电流的闭环控制、必要的保护以及与BMS通信，实现对电池状态的全面了解和对输出电流的动态调节。当电池组需要充电的时候，除了充电机的输出总正和总负动力线需要与电池组相连以外，BMS和充电机之间还增加了用于实现数据共享的通信线 该充电模式通过电池管理系统和充电机系统之间建立通信链路，实现了数据共享，使得在整个充电过程中电池的电压、温度
19、以及绝缘性能等安全性相关的参数都能参与电池的充电控制和管理，使得充电机能充分地了解电边的状态和信息，并据此改变充电电流，有效地防止了电池组中所有电池发生过充电和温度过高情况，提高了串联成组电池充电的安全性。充电站 充电站( Charge Station)主要是指快速高效、经济安全地为各种电动车辆提供运行中所需电能的服务性基础设施。为提高车辆的使用率和使用方便性，除采用动力电池车载充电以外，还可采取电动汽车动力电池系统与备用电池系统更换的方案使电动汽车获得行驶必需的电能。 1.主要功能与布局 充电站的主要功能决定其总体布局。一般来说，一个功能完备的充电站由配电区、监控区充电区、更换电池区和电池维
20、护区等五个基本部分组成，如图2-31所示。根据充电站的规模和服务功能差异，在功能区设置上存在一定的差异。例如，不需要对电池进行更换的充电站将不需要设置更换区以及配备电池更换设备和大量电池的存储设备。图2-31 充电站总体结构 (1)配电区 配电区为充电站提供所需的电源，不仅给充电机提供电能，而且要满足照明、控制设备的需要，内部建有变配电所有设备、配电监控系统，相关的控制和补偿设备也需要加以考虑。配电室是整个充电站正常运行的基础。根据配电功率的需要，一般采用充电用负荷、监控和办公负荷分开供电的形式。 (2)充电区 充电区完成动力电池组电能的补给，是整个充电站的核心部分，配备各种形式的充电机，建设
21、充电平台以及充电站监控系统网络接口，满足多种形式的充电需求，提供方便、安全和快捷的全方位充电服务。 (3)更换电池区 更换电池区是车辆更换电池和电池调度的场所，需要配备电池更换设备，同时应建设电池存储区域用于存放备用动力电池组。 (4)电池维护区 对所有的电池实时进行数量、质量和状态管理，开展电池重新配组、电池组均衡、电池组实际容量测试、电池故障的应急处理和日常维护等工作。 (5)监控区 监控区用于监控整个充电站的运行情况，包括充电参数监控、烟雾监控、配电监控等，并可以扩展具备车辆运行参数监控、场站安保监控等功能，并完成管理情况的报表打印等。各监控子系统可通过局域网和TCP/IP协议与中央监控
22、室以及上一级的监控中心进行连接，实现数据汇总、统计、故障显示以及监控功能。充电站监控系统构架如图2-32所示，一般采用分级并行结构。图2-32 充电站监控系统架构图 配电监控系统要通过现场总线实现配电站供电系统信息的交换和管理，除实现常规的二次设备继电保护、安全自动装置、测量仪表、操作控制、信号系统等功能之外，该系统需要和监控系统实现通信，保证当充电系统出现故障时，配电系统能够采取适当的措施进行处理。 烟雾报警监视系统主要监视充电平台上的电池状态，当电池发生冒烟、燃烧等危险情况时发出警报。该系统独立于电池管理系统，是电池安全措施的一部分。 充电机监控系统完成充电过程的监控，充电机数据以及电池数
23、据通过通信传输到监控计算机，监控计算机完成数据分析以及报表打印等。监控计算机也可以用过通信对充电机的启停以及输出电流、电压实现控制。 视频监视系统对整个充电站的主要设备运转以及人员进行安全监视。 2.建设形式 由于电动汽车可以采用整车充电和更换电池的方式来进行电能补充，故充电站的建设形式较加油站有很大的灵活性。按建设和结构形式来划分，充电站可分为:一体式充换电站、子母式电池更换站、停车式整车充电站。 (1)一体式充换电站 一体式充换电站根据作业车间布局的相对位置可分为:地面一体式充换电站、地下一体式充换电站以及立体式充换电站等。该类充换电站以采用电池更换设备提供电池更换服务为主，也可提供少量整
24、车应急充电服务。更换下的动力电池在站内实现电能补充。具有电动车辆能量补给速度快，服务能力强，自动化和专业化程度高，对电池性能要求较低，有利于增加电池寿命等优点，但也存在建站灵活性较低，备用电池和充电设备造成建设成本高，成本回收周期长，配电容量较大等缺点。地面一体式 地下一体式立体式 （2）子母式电池更换站 子母式电池更换站是指动力电池在母站集中充电，电边的更换作业在母站和各子站进行，通过配送体系将母站充满电的电池配送到各子站并将更换下的电池运送回母站集中充电，母站和子站也可提供少量应急充电服务的充电站。 子母式电池更换站由一个母站和若干子站构成，母站主要建立在城市中土地资源充裕、交通便利、离大
25、型配电站近的地区，主要进行规模大、专业化程度高的集中充电作业;子站建立在城市中交通流量较大、电动车辆充电和电池更换需求旺盛、土地资源紧张的地区，主要提供电池更换服务。子母式电池更换站示意图 子母站形式的充电站电池大规模集中充电，专业化、自动化程度高，有利于更好地监控电池的性能并作出专业化的处理，充分发挥电池的潜能，延长电池寿命，提高电池的充电安全性，也增强了辐射服务范围，缓解了充电站用地紧张的问题。但其也存在需要建立专用的配送服务体系，增加了系统复杂性，电池的利用率相对有一定程度的降低。母站作为高能储存场所，配电容量巨大，需要更加严格的措施来保证母站的安全性。 (3)停车式整车充电站 停车式整
26、车充电站是指车辆提供整车常规充电和应急快速充电的充电站，其本质就是一个配有一定数量充电机的停车场。 这种充电站依托现有的飞机场、火车站、酒店、医院、学校、购物场、超市、会议中心、旅游胜地和社区等停车场，在停车位附近设置常规充电机或快速充电机，利用车辆的停车间隙时间或者夜晚，为车辆提供小电流常规充电或大电流、短时快速充电服务。 由于停车式整车充电站对已有停车场影响小，可以利用的场地很多因此具有灵活性大，配电容量小，对城市规划布局或现有设施影响小，服务范围广等优点。 3.典型实例：奥运电动汽车充电站 在中国国内目前建设的大型电动汽车充电站中，2008年北京建设的奥运电动客车充电站是国际上第一个具有
27、电池自动快速更换功能的充电站， 2010年上海建设的世博电动客车充电站是目前国际上规模最大的充电站。这两个充电站功能完善，充换电兼容，在设计和功能实现上具有典型性。下面以奥运电动客车充电站为例，进行充电站设计的介绍。 奥运电动汽车充电站总占地面积为5000m2，建设面积约2600m在奥运期间为50辆电动客车提供24h充电、动力电池更换服务以及相应的整车和电池维护保养服务。电动汽车充电站建设充分考虑了功能性、技术要求、经济效益和社会效益等多方面因素。充电站主体为个封闭式充电间，主要组成部分有配电站、充电车间、停车区、办公区、车辆调度区。车辆在快速更换区域通过自动更换机械实施电池分箱组合式快速更换
28、， 10min内可以完成一辆车的电池更换工作。充电站整体布置示意图 电动车辆进站停到指定位置后，手动或机械自动打开电池仓门，更换设备通过激光定位，自动循迹找到电池箱位置，通过液力驱动直线导轨将电池搁置平台伸出与车体实现搭桥连接，电磁吸取装置动作实现电池箱解锁并拖出到电池搁置平台。电池拖出过程中，升降臂将根据车体刚度变化调整搁置平台高度，保持电池箱拖出过程平稳。另一侧更换设备从电池存储架上取电池的过程与从车上取电池类似。之后回转平台旋转180，实现电池换位。再次调整定位后，按照拖出电池过程的逆过程将电池分别推入电动客车电池仓和电池存储架，完成一组电池的更换工作 电池存储平台再向外对称拓展为充电机
29、，通过电力电缆和通信电缆实现与电池存储平台上的电池连接，对电池存储平台上待充电电池在单体电压、温度等极端单体参数监测条件下实施电池分箱充电。充电数据通过充电监控系统传输并记录在监控终端。 其他配电区、监控区、电池维护区等独立区域根据功能要求和安全要求进行统一布局。为保证电动客车在不同线路高效、有序运行，综合集成通信、计算机络、GPS、GIS等多项技术，根据电动汽车的特点和奥运应用工况需要，在充电站设置了电动客车远程监控与调度系统，在充电站设置了电动汽车调度监控中心，进行车辆运行状态全方位，控制和管理。 该站至今在为北京电动公交客车提供运行充电保障服务，由该站建设创建的对称式布局、充换电兼容的总体布局结构对国内外更换式充电站的设计和建设产生了深远的影响。手动换电方式自动换电方式
