車載充電機，工作原理和過程

1 電動汽車充電機種類

電動汽車充電機，按照是否固定在汽車上，劃分為車載充電機和非車載充電機兩類。非車載充電機又分成交流充電樁和直流充電樁兩種。

車載充電機，以交流電源作為輸入，輸出為直流，直接給動力電池充電；非車載直流充電機，交流輸入，直流輸出，可以直接給動力電池充電。前者功率較小，后者較大。另外一種，交流充電樁，交流作為輸入，輸出也是交流，不能直接給動力電池充電，需要連接車載充電機，進行交直流轉(zhuǎn)換，才能實現(xiàn)充電。交流充電樁內(nèi)部比較簡單，基本功能就是將電網(wǎng)交流電引出到方便電動汽車充電的位置，并提供一個標(biāo)準(zhǔn)的充電接口。受到車載充電機能力的限制，交流充電樁功率一般也不需要太大。

2 車載充電機在電動汽車上的位置

車載充電機作為電動汽車電氣系統(tǒng)的一部分，被固定在底盤上。車載充電機的輸入端，以標(biāo)準(zhǔn)充電接口的形式固定在車體上，用于連接外部電源。車載充電機的輸出端，直接連接動力電池包慢充電接口。

在電動汽車CAN總線通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，車載充電機作為一個節(jié)點，掛在CAN總線上，通過CAN與整車控制器交換數(shù)據(jù)。

3 充電模式

充電模式指充電過程中，電流、電壓以怎樣的規(guī)定性提供給電池。充電模式，對充電效率、電池壽命都會產(chǎn)生顯著影響。

主要的充電模式有恒流充電，恒壓充電，先恒流后恒壓充電，同向脈沖充電和正負(fù)脈沖充電幾類。

在基本類型的基礎(chǔ)上，一直有研究人員在探索更為合理高效的充電方式。比如，結(jié)合恒流恒壓充電，中間采用正負(fù)脈沖充電方式。在較長時間脈沖正向充電以后，夾雜短暫的負(fù)向脈沖充電，用以消除正向充電過程中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，降低回路電阻，進而提高了充電效率，同時對降低充電溫度也有正向作用。圖示在后面的案例說明中。

下圖所示為當(dāng)前最為常見的充電形式，恒流-恒壓充電。電量較低時采用較大電流充電，提高充電速度；電量較高時，采用恒壓充電，避免對電池造成傷害。

4 充電截止條件

充電模式另一個被討論最多的點，是充電截止條件?？梢员挥米鞒潆娊刂沟呐袚?jù)，常見的有電池包總電壓，電池單體最高電壓，充電電流。

電池包總體電壓作為充電截止條件：在充電過程后期，電池包總電壓隨著充電過程的進行而逐漸提高，達到某一個設(shè)定閾值后，充電過程結(jié)束。在這個過程中，如果充電截止總電壓的設(shè)置數(shù)值比較高，而電池包中單體電芯的一致性又不是特別好，可能出現(xiàn)單體電壓已經(jīng)到了報警閾值，而總電壓依然沒有觸及截止值的情況。

單體電池最高電壓作為充電截止條件：把電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到的單體電芯電壓中最大值作為判據(jù)，當(dāng)電壓達到設(shè)定的截止電壓值時，充電過程結(jié)束。由于單體之間不一致性的存在，如果沒有合理的均衡措施，必然存在著一批電芯，電壓還沒有達到滿電電壓。

充電電流作為充電截止條件：接近滿充狀態(tài)，電壓恒定，電流則逐漸減小，當(dāng)電流減小到設(shè)定閾值以下，充電過程結(jié)束；

5 組成及工作原理

5.1 組成

上圖是標(biāo)準(zhǔn)《QCT 895-2011 電動汽車用傳導(dǎo)式車載充電機》中的車載充電機結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥吹?，車載充電機主要的組成部分。輸入端口，控制單元，功率單元，低壓輔助單元和輸出端口。

輸入接口，7個pin口，三類連接，包括高壓電源連接、高壓中性線；車輛底盤地；低壓信號的充電連接確認(rèn)和控制確認(rèn)。標(biāo)準(zhǔn)的輸入接口采用工頻單相輸入220V電壓。但如果功率需要，也可以啟用兩個備用pin口（pin口NC1，NC2），可以實現(xiàn)380V輸入。

控制單元，采樣輸出電流和電壓，經(jīng)過處理后將實時值傳遞給PID（一種閉環(huán)自動控制技術(shù)，是比例、積分、微分控制器的簡稱）控制回路，由控制器比較測量值與期望值之間的差距，再將調(diào)節(jié)要求傳遞給PWM回路（PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)），用脈沖寬度變化去控制高壓回路中功率器件的開閉時間的長短，最終實現(xiàn)輸出電流和電壓盡量接近于主控系統(tǒng)要求的數(shù)值。

低壓輔助單元，是一個標(biāo)準(zhǔn)低壓電源，輸出電壓12V或者24V，用于充電期間，給電動汽車上的用電器供電，比如電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、汽車儀表等。

功率單元，一般包括輸入整流，逆變電路和輸出整流3個部分，將輸入的工頻交流電轉(zhuǎn)化成適合動力電池系統(tǒng)能夠接受的適當(dāng)電壓的直流電。

輸出端口，包括低壓輔助電源正負(fù)極兩個pin口，高壓充電回路正負(fù)極兩個pin口，底盤地，通訊線CANH和CANL（還可以有CAN屏蔽），充電請求信號線。其中，高壓連個pin口與電池包相連；充電請求信號線用于，充電機的輸入端口與外部電源之間完成充電連接確認(rèn)以后，通過“充電請求信號”線向車輛控制器發(fā)送充電請求信號，同時或延時一小段時間后，用低壓輔助電源給整車供電。

5.2 工作過程

車載充電機的充電工作過程，在標(biāo)準(zhǔn)《QCT 895-2011 電動汽車用傳導(dǎo)式車載充電機》中有詳細敘述。

連接確認(rèn)

上圖所示，是汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的典型充電連接電路形式，圖示狀態(tài)為電源插頭與車輛上的充電插座插合后的狀態(tài)。

完成插頭插座連接后，車輛處于不可行駛狀態(tài)（具體實現(xiàn)形式?jīng)]有要求，可以是互鎖回路或者其他狀態(tài)控制方法）；

整車控制器VCU檢查檢測點3的電壓，用來確認(rèn)插頭插座是否連接完好。如果連接好，檢測點3應(yīng)該與系統(tǒng)地接通；

圖中的開關(guān)S1為電源上的起動開關(guān)，閉合后，電源上的PWM發(fā)生器發(fā)出調(diào)制脈沖信號，VCU檢查檢測點2是否收到PWM信號，如果有信號，說明充電設(shè)備連接完成；

車輛就緒

車載充電機充電控制引導(dǎo)電路如上圖所示。在完成前面的連接確認(rèn)過程以后，車載充電機通過輸出端口的“充電請求信號”線，向VCU發(fā)送充電請求信號，并通過低壓電源口向整車控制器供電；如果VCU判斷電池包狀態(tài)可以充電，則向充電機發(fā)送充電報文包含對充電參數(shù)的要求（報文內(nèi)容為整車通訊報文的一部分）。

電源通過PWM信號向整車控制器提供電源最大充電電流值，整車控制器綜合考慮電池包，車載充電機和充電電源三者的最大電流，選擇最小值作為此次充電的電流上限，避免三者中的任意一方出現(xiàn)過流。

充電

充電電流閾值設(shè)置完畢，閉合慢充回路繼電器，開始充電過程。過程中，VCU監(jiān)測檢測點3的狀態(tài)，周期確認(rèn)連接狀態(tài)是否完好；電源側(cè)則檢查檢測點1，確認(rèn)連接完好。

充電完成

充電完成的條件是電池充滿或者前面在充電開始以前，充電連接確認(rèn)過程中，任何一個連接確認(rèn)條件不滿足，VCU都會要求充電結(jié)束，并發(fā)送報文，要求車載充電機停止工作，并停止低壓供電。

6 一個充電機設(shè)計案例

何盼盼在她的文章《電動汽車充電機充電策略設(shè)計》中提出了一種充電機的設(shè)計方案。目標(biāo)是實現(xiàn)正負(fù)脈沖充電方式，不太常見。

根據(jù)馬斯的最佳充電曲線設(shè)計了這個充電過程，總體想法是在電池電量較低時，其對大電流的接受能力較強，就使用較大的充電電流；隨著電量的增加，充電電流逐步減小。當(dāng)電壓達到設(shè)定值以后，改為脈沖充電，用短暫的反向脈沖達到去極化的目的。電池即將充滿時，又轉(zhuǎn)換到恒壓充電方式。

充電截止的判斷方式，采用同時考慮溫度和電壓兩個因素，設(shè)定最大截止溫度和電壓負(fù)增長兩個條件，如下面的公式所示。