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电动汽车充电方法及传导充电系统技术要求

通过把电网或者其他储能设备中的电能转移到车辆的电池的过程就是充电。电网或者储能设备中的电能,需要经过充电设备的转化,以匹配电动汽车动力电池的技术特性才能完成充电。充电设备的转化过程还需要和电动汽车上动力电池的管理系统BMS协商,以适当的电压和电流来完成充电。

二、充电方法

1、常规(慢)充电

常规充电即是采用随车配备的便携式充电设备进行充电,可使用家用电源或专用的充电桩电源。充电电流较小一般在16-32A左右,电流可直流或者两相交流电和三相交流电,因此视乎电池组容量大小充电时间为5至8小时。优点是可对电池深度充电,提升电池充放电效率,延长电池寿命。缺点是充电时间较长。常规充电模式主要采用定流充电和定压充电两种方式进行充电。现在的常规充电模式基本都采用定流和定压充电混合工作,充电前期采用定流充电,可保证电池深度充电,后期则采用定压充电,可自动减少电流大小结束充电,避免过充电。

通过非车载充电机采用大电流给电池直接充电,使电池在短时间内可充至80%左右的电量,因此也称为应急充电。快速充电模式的代表为特斯拉超级充电站。快速充电模式的电流和电压一般在150～400A和200～750V,充电功率大于50kW。此种方式多为直流供电方式,地面的充电机功率大,输出电流和电压变化范围宽。

采用更换动力电池的方式给电池充电。即在动力电池电量耗尽时,用充满电的电池组更换电量过低的电池组。需要各厂商同一电池规格。

无线充电模式为未来充电模式,后续有机会漫谈君再为大家详细介绍。

1)对电源电压的要求

电动车辆的交流电源电压的额定值最大可为660V(见GB156),设备在标称电压±10%范围内应正常运行,频率的额定值为50Hz±1Hz。

2)插头和插座出口端或连接器的标称值

交流标称电压:单相 250V、三相 415V;

交流标称电流:16A、32A、60A、100A、150A和250A。

1)充电模式1

将电动车辆连接到交流电网时使用已标准化的插座,用单相或三相交流电,并使用相线、中线及按地性保护性导体。该充电模式要求在电源一侧有漏电流保护装置(RCD)。如果国家法令禁止在电源一侧安装RCD设备,那么就不能采用充电模式1。

2)充电模式2

将电动车辆连接到交流电网时使用已标准化的插座,用单相或三相交流电,并使用相线、中线及接地性保护性导体,并且在电动车辆和插头或控制盒之间有控制导向器。

3)充电模式3

电动车辆和交流电网相连时,使用了特定的电动车辆供电设备,并且把控制导向器固定安装在电源一侧。

4)充电模式4

用非车载充电机将电动车辆和交流电网间接地连接,且控制导向器固定安装在电源一侧。

1)连接方式A

将电动车辆和交流电网相连时,使用和电动车辆连在一起的供电电缆和插头。

2)连接方式B

将电动车辆和交流电源连接时,使用带有电动车辆连接器和电源连接器的独立的活动电缆。

3) 连接方式C

将电动车辆和交流电源连接时,使用了和交流电网连在一起的供电电缆和连接器,对充电模式3来说只能用连接方式C来连接。

1)通用接口的结构设计

通用接口以有多达12个功率或信号触点,各触点都有唯一的物理结构。根据车辆的充电模式,这些触点可能用到也可能没用到。它们的电气额定值和功能在表1中说明。通用的车辆插孔应该既能和高压交流电连接器相连,也能和高压直流电连接器相连。两种插孔应该都能和民用的交流电连接器相连。应该采取一些措施,防止交流电连接器和直流的车辆插孔连到一起,对直流电连接器和交流的车辆插孔也应该这样。如果必要的话,在连接器或供电电缆中采用通用插孔的车辆应该采用一些措施,将基本接口的电阻功率指示器转换成控制导引的信号。

2)基本接口的结构设计

具有为单相或三相电提供接触点的特殊设计构造的基本接口应该包含8个或更多的触点。其电气额定值和功能在表1里叙述。通用的车辆插孔应该既能和三相连接器又能和单相连接器配合作用。这种耦合器的额定值应是220V、32A(单相),220V/380V、32A(三相)。耦合器里还可以包括用于控制导引和功率指示器的附加触点。

1)工作温度

在正常运行期间耦合器应能经受-30℃～+50℃连续变化的环境渴度。在储存库中,耦合器应能经受-50℃～+80℃连续变化的环境温度。

2)车辆插孔的额定值

车辆插孔的额定值应和车辆的要求相一致。

3)连接器的额定值

A. 与通用耦合器一致的连接器

B. 与基本耦合器一致的连接器

1)电击防护的一般要求

在正常条件下或在偶发件故障条件下,外露导电部分不应该带电、危险带电部分应该避免被触及。电击防护是由GB14821.1-1993中411部分定义的,是在正常和误操作条件下的保护,或由GB14821.1-1993中412部分定义的正常操作下的保护(直接接触防护或基本保护),或由GB14821.1-1993中413部分定义的误操作的保护(间接接触防护)提供的。

2)自接接触防护

直接接触防护应提出防止在正常条件下和危险带电部分接触的一个或多个措施。

A. 带电部分的可触及性

电动车辆和电动车辆供电设备应设计为,当和电网相连接时,不用工具就能打开的部分被打开后,其中危险带电部分不应该能触及到。应根据目测观察和GB/T17627.1的要求检查。

B. 容性的存储能量的放电

当电动车辆和电源断开1s以后,在任何可触及的导电部分之间或任何可触及导电部分和地之间的峰值电压应低于42.4V(有效值30V),并且存储的能量应少于20J(见GB4943)。如果峰值电压高于42.4V,或能量是20J或更高,在合适的地方应该设置一个警告标签。应该通过检查和测试来判断其符合性。

3)间接接触防护

间接接触防护应该包含一个或多个可被认可的措施。根据GB14821.1用于故障保护可被认可的专用措施如下:附加或加强绝缘措施;保护性等电位连接;保护性屏蔽;自动断开电源;简单的隔离。

4)辅助措施

A. 必备的附加保护措施

应该提供防电击的附加保护措施,以防止基本的保护措施失效或由于用户的疏忽造成的危险。在电动车辆传导供电设备的接地系统中,应该提供一个RCD(漏电流IΔn≤30mA)。在绝缘系统中用于监视电路对地的绝缘情况的监视装置,应该能在出现故障时,自动断开和电源的的连接。

B. 可选的附加保护措施

在特殊的环境条件下,充电时的保护可以通过使用附加的装置或部件来加强保护。例如:控制导引、接地监视设备。

5)对动力电池采取的防护措施

如果动力电池是和车辆的导电体连接在一起(可能是ELV动力电池这种情况),那么充电系统应该提供车体和电源总线之间的电隔离。

6)其它要求

在正常条件、误动作或偶发生故障的条件下,充电系统应该设计成能防止交流、直流谐波和非正弦电流的串入,这些电流可能会影响漏电流装置或其他设备的功能。

电动车辆交流电源额定电压最大值为660V(参见GB156),允许偏差为标称电压的±10%;频率的额定值为50Hz±1Hz。直流电压最高为1000V。在充电期间,环境温度范围在-30℃～+50℃之间。

1)本标准的所有测试都是型式试验,本标准不规定常规试验。

2)除非特殊规定,型式试验应在单一样品上进行,该样品应按制造者的说明交付和连接。

3)除非特殊规定,本试验应按照本标准中的条义、子条文的次序来执行。

4)试验应当在样品或样品的任何可移动部分被放于正常使用中最不利的位置进行。

5)试验应在气流通畅的场所进行,如没有特殊规定,是在环境温度20℃±5℃条件下进行。

6)试验电压的特性应符合GB/T17627.1的要求。

1)通则

本标准采用下列以及GB/T18487.1中所涉及的通用电气安要求。

2)电动车辆接地连接和车体电气连接性

有可能连到电源上去的所有电动车辆外露导电部分应当连在一起;出现故障时,它们有效地导电,使存在的故障电流流入大地。测试的目的是检验外露导电部分和接地回路间的电气连接性能。连接性能应当用16A的直流电流源来检验,该电源产生不低于12V的电压。所有外露导电部分和接地回路问的电阻值不应超过0.1Ω。注:试验过程应和ISO一致。

3)保护导体电气连接性的检查

为了使电动车辆供电设备接地端和电动车辆的外露导电部分处于等电位状态,需要一个保护接地导体。保护导体应当有足够的电流容量来满足GB16895.3的要求。

当采用充电模式2、模式3、模式4充电时,保护导体的电气连接性应当一直由电动车辆供电设备来监视。一旦保护导体失去电气连接性,就关断电源。

1)绝缘特性

A. 介电强度

将电动车辆控制信号电路的所有外部连接点接地,在电动车辆交流/直流输入端和接地端之间加2U+1000的试验电压(U是50Hz的交流输入电压,至少1500V),持续时间1min。在试验期间,测试端子间不应出现电晕、电离、飞弧或击穿现象。试验后,检查连到电源设备上的电动车辆电路,基本性能应完好。

如果车上有附加的安全低压电路,应在所有交流或直流电压的输入端和安全低压电路之间进行4kV耐压试验。

B. 电动车辆的绝缘电阻

在所有连在一起的输入/输出端(包括主电源)和外露导电部分之间加上500V直流电压,持续1min。对于新车,绝缘电阻R≥1MΩ。为了达到这个数值,车上所用独立卒载部件的绝缘电阻应远大于这个数值。

2)漏电流

当电动车辆连到交流电源上充电时,应当检测漏电流。整套系统应工作在额定容量下,并通过隔离变压器供电。电动车辆上任何可接触到的金属部分或绝缘部分(使用金属箔紧贴测试表面)与任意一个交流输入端之间的漏电流不应超过3.5mA。

3)充电器的过流特性

避免过电流和过电压的保护测量应分别遵守GB16895.5和IEC60364-4-443中的规定。
电动车辆中所用避免过电流或短路的保护装置应与电网中的保护装置是匹配的。

4)爬电距离及电气间隙

当采用爬电距离及电气间隙时,参照GB/T16935.1。

所有试验用电缆都应当采用GB/T18487.1中规定的连接电缆。

1)抗扰度

性能判据和试验应遵守IEC61000。采用本标准中所规定的试验,电动车辆应是安全的和无危险的。注:抗扰度差可能会被电动车辆的其他设备影响。在有认证的情况下,作为电磁兼容性试验结果的功能描述和性能判据的规定都应由制造商提供,并且根据下列判据在试验报告中注明。

性能判据A:设备应像预期的那样正常连续工作。当设备如期按低于制造者所规定的抗干扰特性电平运行时,不允许功能丧失或性能降低。在某些情况下,特性电平可能被一个允许的性能失效来替代。假若没有规定最低的特性电平和允许的性能失效,那么这两项中任一项都可以从产品说明书和文件(散页印刷品和广告)中引出。假若应用情况像期望的那样,用户可从设备中合理地获得这些特性。

性能判据B:在试验以后,设备应像期望的那样连续工作。当设备运用情况正常时,不允许功能失效或性能降低到制造商所规定的抗干扰特性电平之下。某些情况下,特性电平可能被一个允许的性能失效来替代。在试验期间性能降低是允许的,但不允许实际操作状态和存储数据的改变。假若制造商没有规定最低的特性电平和允许性能失效,那么这两项中的任一项可从产品说明书和文件(散页印刷品和广告)中引出。如设备按预期的工作,用户理应从设备中获得这些性能。性能判据C:只要功能失效可用控制操作来恢复,暂时的功能丧失是允许的。

2)产生的电磁骚扰

A. 低频传导骚扰

当电动车辆连到电源时,所引起的交流输入电流失真不应超过有关规定。有关电动车辆交流输入电流(额定电流小于16A)谐波限制的规定在GB/T17625.1一般试验条件中。在这种情况下,符合性根据GB/T17625.1来检验。测量应在额定功率下进行,直到交流电流达到它的起始值的80%。

B. 高频传导和辐射骚扰

以应用于新能源汽车电池管理系统(BMS)中传导骚扰为例,对电源端口进行传导骚扰电压法、电流法测试时,均不能满足标准要求,从而对设备的传导骚扰性能进行分析和整改。根据初始测试结果发现,电压法、电流法低中高频均存在超标。现场对系统进行测试方法与板级分析,分析结果如下:

原因分析:

a. 按照电压法测试方法,LISN与EUT的电源连接线长为200mm+200mm(如电压法测试布置图中的“6”),而客户端初始测试时,线长有几米长度,不符合标准测试条件;

b. 从电源原始滤波电路图可以看出,整个系统输入端、输出端只有简单的电容与差模电感滤波,很难满足汽车电子标准GBT 18655要求;

c. 从整个设备可以看出,输入端滤波电路的整个地是一大块,各种信号共一个地,重点是未经过滤波电路,因此此电路布局方式容易导致滤波电路失效或弱化滤波效果。

根据上述分析,可提出以下改善方法:

a. 完善测试方法,将电源线设备在400mm左右;

b. 通过割板,将输入地进行分割(无法完全分割),在输入端增加如下图滤波电路;

c. 在输入正与输出正、输入负与输出负各增加一个1nF/2KV 1206 的陶瓷电容;

d. 在输入电源线上套磁环。

6、功能要求

1)驱动系联锁装置

电动车辆应设计使用联锁装置,以保证两个连接装备被分开以前车辆不能启动。这包括:

A. 当移动式的连接器连到电动车辆的输入端(连接方式B和C),电动车辆应能检测到连接器的存在。

B. 当插头连到电动车辆供电设备的插座中(连接方式A),那么电动车辆应能检测到插座及电缆的存在。

2)电动车辆中的电缆安装

在连接方式A中,有效地给出电缆是否正确连接的报警信号。

参见GB/T18487.1。

电动汽车充换电设施的供电电压偏差应符合下表要求:

1)电动汽车充换电设施接入公共电网,电网正常运行时,公共连接点负序电压不平衡度不应超过2%,短时不得超过4%

2)电动汽车充换电设施接入公共电网连接点引起负序电压不平衡度允许值一般为1.3%,短时不得超过2.6%

3、谐波限值

1)电动汽车充换电设施接人公共电网连接点谐波电压的限值(相电压)要求应符合GB/T14549规定.

2)电动汽车充换电设施注人公共电网连接点的谐波电流允许值应符合GB/T14549规定。

3)电动汽车非车载充电机额定功率输出时,按输人侧的谐波电流和功率因数分为A级设备和B级设备,见下表的规定。对A级设备,可不对谐波和无功电流进行补偿。对于B级设备,应对谐波和无功电流进行补偿,补偿后注人公共电网连接点的谐波电流允许值应符合相应的要求。

4)接入交流充电桩的车载充电机在额定功率输出时,交流输入侧电流总谐波畸变率应小于等于8%,功率因数应大于等于0.95。

4、电能质量检测

1)充换电设施电能质量检测点宜取自电源进线,监测仪器宜采用符合GB/T14549规定的A级仪器。

2)电能质量检测参数应包含电压偏差、三相不平衡度.谐波电压、谐波电流等。

六、交流与直流充电接口比较

1、连接界面比较

1)交流

(2) 直流

七、结语

如今全球普遍采用的电动汽车充电标准SAEJ1772,尽管明确了电动车与充电桩之间的相容技术规格要求,但对于车与充电站间的通讯协定,并没有统一的验证标准做法,也无实验室认可的体系;而随着厂商设计认知与零件的差异,就可能造成两者在实际操作时的通讯沟通出现问题,因而无法顺利充电。

随着电动汽车技术正突飞猛进,要真正推动普及,其中充电站、充电桩等基础硬件设施的建设,技术协议的统一、市场的规范化等等都是需要有待进一步完善的。