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新能源汽車車載充電器OBC工作原理和過程

一、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。
二、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)。
三、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。
四、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;
五、車載充電機組成及工作原理
1.組成及原理
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?刂茊卧,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。
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(xì)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 

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