2.2 电动汽车充电机性能及设计方案

2.2.1 电动汽车充电机性能及充电模式

1.充电机性能

（1）安全性 充电机在给电动汽车充电时，保证人员的人身安全和动力电池组的安全是至关重要的。充电机必须保证在整个充电过程安全可靠，特别是在以下几种情况下：

1）操作者将电动汽车动力电池组通过充电机与供电电网连接；

2）充电过程中，人身与电动汽车车体接触；

3）在充电过程中，充电机发生故障；

4）充电结束后，操作者进行断开操作；

5）外部环境条件恶劣，如遇雨雪天气等。

（2）易于使用 当在供电电源、充电机和动力电池组之间进行插头和插座的插拔操作时，要本着操作简单、易于安全使用的原则。电动汽车充电插头一般较大、较重，需要一定的插拔力度。插头和插座应该具有明确的极性，防止错误连接。充电机应具有较高的智能性，不需要操作人员过多干预充电过程。

（3）经济效益 成本经济、价格低廉的充电机有助于降低整个电动汽车的成本，提高运行效益，促进电动汽车的商业化推广。

（4）高效率 高效率是对现代充电机最重要的要求之一，因为它对整个电动汽车的能量效率有着巨大的影响。

（5）对供电电源污染小 采用电力电子技术的充电机是一种非线性的设备，会产生对供电网及其他用电设备有害的谐波污染，而且，由于充电机功率因数低，在充电机负载增加时，其对供电网的影响也不容忽视，因此在选择充电机时要保证较高的输入功率因数。

2.电动汽车充电方式及模式

（1）电动汽车充电方式

1）传导式充电方式。传导式充电方式又称接触式充电，接触式充电通常采用传统的接触器控制，使用者把充电源接头（插头）连接到电动汽车上（插座），即利用金属接触来导电，充分利用了技术成熟、工艺简单和成本低廉的优点。接触式充电的最大问题在于它的安全性和通用性，为了使它满足严格的安全充电标准，必须在电路上采取措施，使得充电设备能够在各种环境下安全充电。接触式充电的缺点是：导体裸露在外面不安全，而且会因多次插拔操作引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能。

2）无线充电方式。对电动汽车无线充电方式的研究，目前主要集中在感应式充电，即不需要接触即可实现充电，感应式充电是采用感应耦合方式充电，即充电电源和汽车接收装置之间不采用直接电接触的方式，而是采用由分离的高频变压器通过感应耦合无接触地传输能量。采用感应耦合方式充电，可以有效解决接触式充电的缺点。感应式充电的最大优点是安全，这是因为充电器与车辆之间并无直接的电接触，即使车辆在恶劣的气候下，如雨雪天，进行充电也无触电危险。

（2）电动汽车充电模式

电动汽车充电模式可分为常规充电和快速充电。

1）常规充电是采用随车配备的车载充电机进行充电，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，电流可分为直流或两相交流电和三相交流电，视动力电池组容量大小，充电时间为5～8h。

2）快速充电是通过非车载充电机采用大电流给车载动力电池直接充电，使车载动力电池在短时间内可充至80%左右的电量。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，充电机功率大，输出电流和电压变化范围宽。

目前，整车充电模式是全球绝大部分新能源汽车采用的主流方式，已广泛应用在私人、公交、出租、物流、环卫等各领域。

在GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》中，对充电模式提出的要求不同，可分为以下四种充电模式：

1）充电模式1。将电动汽车连接到交流电网（电源）时，在电源侧使用符合GB/T 2099.1—2008和GB 1002—2008要求的插头插座，在电源侧使用了相线、中性线和接地保护的导体。应采用单相交流供电，且不允许超过8A和250V。

2）充电模式2。将电动汽车连接到交流电网（单相）时，在电源侧使用符合GB/T 2099.1—2008和GB 1002—2008要求的16A插头插座时输出不能超过13A；电源侧使用符合GB/T 2099.1—2008和GB 1002—2008要求的10A插头插座时输出不能超过8A，在电源侧使用了相线、中性线和接地保护的导体，且在电动车辆和插头或控制盒之间有控制导向器，并且在充电连接时使用缆上控制与保护装置（IC-CPD），应具备剩余电流保护和过电流保护功能。

3）充电模式3。电动汽车和交流电网相连时，使用特定的电动车辆供电设备，将电动汽车与交流电网直接相连，并且在专用供电设备上安装了控制导引装置。应具备剩余电流保护功能，连接方式A、B、C适用于模式3。采用单相供电时，电流不大于32A；采用三相供电且电流大于32A时，应采用连接方式C。

4）充电模式4。用非车载充电机将电动汽车连接到交流电网或直流电网时，使用了带控制导引功能的直流供电设备，且控制导向器固定安装在电源一侧。模式4可直接连接至交流电网或直流电网，仅连接方式C适用于模式4。

按照目前最新实施的标准GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》规定，只有充电模式2和3适用于交流充电，表2-4为两种充电模式使用条件，图2-1所示为充电模式2和3与不同连接方式的充电系统控制导引原理图。不符合条件的充电将导致电动汽车无法充电，严重者或引起安全事故。

电动汽车的充电接口由于受不同国家和地区电网系统的影响，在充电标准中对充电连接器电压和电流的要求也不尽相同。比如在德国三相电的使用比较普遍，即使个人用户在民宅中也可以使用，因此在IEC 62196-2标准中，定义了480V交流充电电压和63A充电电流，实际充电功率可以达到40kW以上。

2.2.2 电动汽车充电机设计方案

1.车载充电机

（1）车载充电机构成 车载充电机对于要充电的动力电池是有针对性的，动力电池的充电方式也是预先定义好的。由于充电机和电池管理系统都装在车上，所以它们相互之间容易利用电动汽车的内部总线网络进行通信。

车载充电机既要考虑动力电池充电的实际需求，又要考虑车载动力电池的恶劣环境。所以车载充电机的方案必须满足高耐压、高可靠、高效率的要求。车载充电机采用电压、电流反馈的方法来达到恒流、恒压充电的目的，同时要对充电过程的各种参数进行控制和监测。目前，国内车载充电机功率主要有3.3kW、6.6kW，其他还有2kW、10kW、20kW、40kW等。车载充电机主要由功率电路和控制电路组成。

1）在功率电路中，由变压器和功率管组成的DC-DC变换器是功率电路的重要组成部分，功率电路部分主要作用是将220V交流电转化为300～450V的直流电，电源部分又分为PFC和LLC两部分，实际上可以把PFC看作是AC-DC，而把LLC看作是DC-DC。

2）控制电路的核心是控制器，用来实现与电池管理系统的通信，并控制功率电路按照三段式充电曲线为动力电池组充电。充电机控制电路主要功能是对电源部分进行控制、监测、计量、计算、修正、保护以及与外界网络通信等，是车载充电机的“中枢大脑”。当车载充电机接上交流电后，并不是立刻将电能输出给动力电池，而是通过电池管理系统首先对动力电池的状态进行采集分析和判断，进而调整充电机的充电参数。

车载充电机的两级式电源架构框图如图2-2所示，第一级是PFC（功率因数校正）升压转换器，第二级是PSFB（移相全桥）或LLC转换器。因为PFC的输出电压总是恒定的，所以当系统输出电压变化范围不大时，可选择效率更高的LLC转换器。

对于PFC级有许多解决方案，例如，UCC28070是交错的PFC控制器，其集成两个交错180°的脉冲宽度调制器（PWM）。使用交错的方法减小输入和输出电流纹波，从而减小电容器容量。它还可以通过交错技术和可编程频率抖动技术降低传导EMI滤波器的成本。此外，该器件还可用于设计双升压无桥PFC，其效率比正常PFC高出1%以上。UCC28180是一款易于使用的8脚CCM（连续导通模式）的PFC控制器，该控制器使用与单周期控制技术类似的控制方法，其具有良好的瞬态响应，并且在满负载条件下可获得低于5%的THD指标。还可以使用TMS320F28033设计图腾柱无桥PFC，以实现高效率和良好的EMI性能。

对于第二级，若输出电压范围比较宽，则可选用UCC28950。与UCC3895相比，该芯片有很多优点。例如，同步整流MOSFET输出、SR输出的自适应延迟、空载时的受控突发模式和斜率补偿等。随着MOSFET的导通阻抗变得越来越小，导通损耗占总损耗的比重就越来越小，LLC相对PSFB将变得更适用。对于LLC，可以使用UCC25600+UCC27714来设计变换器，因为电动汽车充电机需要与其他系统通信，因此可选择C2000芯片来设计半桥LLC DC-DC变换器。

（2）电动汽车车载充电机功能

1）具有为电动汽车动力电池安全、自动充电的能力，充电机依据动力电池管理系统提供的数据，能动态调节充电电流或电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。

2）具备高速控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）与电池管理系统的通信功能，判断动力电池连接状态是否正确，获得动力电池系统参数及充电前和充电过程中动力电池组和动力电池单体的实时数据。

3）可通过高速CAN与车辆监控系统通信，上传充电机的工作状态、工作参数和故障告警信息，接收启动充电或停止充电控制命令。

4）完备的安全防护措施。

① 具有交流输入过电压保护功能、交流输入欠电压告警功能、交流输入过电流保护功能。

② 具有直流输出过电流保护功能、直流输出短路保护功能。

③ 具有输出软启动功能，以防止电流冲击。

④ 在充电过程中，充电机能保证动力电池的温度、充电电压和电流不超过允许值。当动力电池充电电压、充电电流或动力电池温度超过允许值时，充电机应具有报警功能，并能够自动采取相应的控制措施。

⑤ 在动力电池总成ECU与充电机之间建立连接的情况下，如果动力蓄电池总成ECU尚未发出充电允许信号，则无法启动充电机。在充电过程中，充电机应能接收并执行动力电池总成ECU发出的充电关闭指令。

⑥ 在充电过程中拔掉充电连接器时，充电机应能检测到充电连接器的分离动作，并使充电连接器高压插接端子在零电流状态下分离。

⑦ 在充电过程中，采用手动或充电机监控系统调整充电电压或充电电流时，充电电压和充电电流不应超过动力电池总成ECU中设定的最高允许值。

⑧ 通信和充电导引电路发生故障后，充电机应能自动关闭。

⑨ 具有动力电池单体电压限制功能，自动根据电池管理系统的动力电池信息动态调整充电电流。

⑩ 具有充电联锁功能，确保充电机与电动汽车动力电池连接分开以前车辆不能启动；具有高压互锁功能，在有危害人身安全的高电压时，充电模块锁定无输出。

5）自动判断充电连接器、充电电缆是否正确连接。当充电机与动力电池正确连接后，充电机才能允许启动充电过程，即充电连接器没有可靠连接时，充电机应不能启动。当充电机检测到与动力电池连接不正常时，立即停止充电。

6）具有阻燃功能。

2.非车载充电机

（1）非车载充电机电路结构 非车载充电机是指固定在地面上的对交流电进行整流变换，其直流输出端对动力电池组进行充电的装置，也称为直流充电机。根据充电场所和充电需求的不同，非车载充电机主要应用于家庭、充电站以及各种公共场所。为了可以满足各种动力电池的各种充电方式，通常非车载充电机的功率、体积和重量都比较大，一般设计为大充电功率。

由于非车载充电机和电池管理系统在物理位置上是分开的，所以它们之间必须通过有线或者无线进行通信。根据电池管理系统提供的关于动力电池的类型、电压、温度和荷电状态的信息，非车载充电机选择一种合适的充电方式为动力电池充电，以避免动力电池的过充和过热。

大功率非车载充电机的额定输入线电压为380V、频率为50Hz的三相交流电，额定输出电压为700V，额定输出电流为600A，采用60个模块并联，每个模块10A/700V，模块的高×宽×深为133mm×425mm×270mm，15层4列，分四个柜体安放，四个柜体可分开运输，使用时紧凑左右排列。机架前门、后门均为双开门，方便检修。电源进线和汇流排输出位置均在底部。电源输入断路器及监控单元触摸屏安装在主机中间控制柜前部，大功率非车载充电机的控制结构框图如图2-3所示。

1）充电机功能模块。充电机的拓扑结构有多种，大功率充电机多以三相交流电为输入电源，采用高频隔离型桥式DC-DC变换技术，根据预先设定的充电过程参数对电动汽车车载动力电池组进行充电，电动汽车充电机功能模块框图如图2-4所示。

充电模块由三相无源PFC和DC-DC两个功率部分组成，在两功率部分之外还有辅助电源以及输入输出检测保护电路。前级三相无源PFC电路由输入EMI和无源PFC组成，用以实现交流输入的整流滤波和输入电流的校正，使输入电路的功率因数大于0.92，以满足DL/T781中三相谐波标准和GB/T 17794.2.2—2003中相关EMI、EMC标准。

后级的DC-DC电路由DC-DC变换器及其控制电路、整流滤波、输出EMI等部分组成，用来实现将前级整流电压转换成满足要求的稳定的直流电压输出。辅助电源在输入无源PFC之后，DC-DC变换器之前，利用三相无源PFC的直流输出，产生控制电路所需的各路控制电源。输入检测电路实现输入过欠电压、断相等检测，DC-DC的检测保护电路包括输出电压、电流的检测及散热器温度检测等，所有这些信号均用于DC-DC的控制和保护。

2）充电模块的功能。

① 模块具有输入过/欠电压保护功能，当输入电压低于AC 313±10V或者高于AC 485±10V时，模块保护，无直流输出，保护指示灯（黄色）亮。电压恢复到AC 335±10V～AC 460±15V之间后，模块自动恢复工作。

② 模块具有输出过电压保护、欠电压告警功能，当输出电压高于DC293±6V时，模块保护，无直流输出，保护指示灯（黄色）亮。模块不能自动恢复，必须将模块断电后重新上电。当输出电压低于DC198±1V时，模块告警，有直流输出，保护指示灯（黄色）亮。电压恢复后，模块输出欠电压告警消失。

③ 模块具有短路保护功能，当模块输出短路时，输出电流不大于40%额定电流。短路故障排除后，模块自动恢复正常输出。

④ 模块具有缺相保护功能。当输入缺相时，模块限功率，可半载输出，在输出电压为260V时输出5A电流。

⑤ 模块的进风口被堵住或环境温度过高导致模块内部的温度超过设定值时，模块会过温保护，模块面板的保护指示灯（黄色）亮，模块无电压输出。当异常条件排除、模块内部的温度恢复正常后，模块将自动恢复为正常工作。

⑥ 在异常状态下模块整流侧出现过电流，一次侧过电流保护动作。一次侧过流保护不能自动恢复，必须将模块断电后重新上电。

⑦ 风扇温度控制。模块采用温度和电流联合控制风扇的运转方式，风扇转速分为停转、半转和全转三档，通过对输出电流和模块温度综合考虑进行风扇调速控制。

⑧ 模块告警信息以故障代码的形式在LED上实时闪烁显示，此时LED显示内容为故障代码，按下显示切换按钮后显示电压。

⑨ 通信功能。模块可以RS485方式与上位机通信，将模块输出电压和电流、模块保护和告警信息发送给上位机，接受并执行上位机下发的控制命令。

3）充电模块主要特点。

① 采用高频开关电源技术，N+1热备份工作，组屏灵活、扩容方便、更可靠且更节省空间。

② 采用数字化双DSP控制、CAN总线技术、软开关技术、钳位专利技术、分散散热等专利技术。

③ 高功率密度设计，功率密度高达13.5W/in³。

④ 具备超宽电压输入范围（AC260～530V）和宽输入频率范围（45～65Hz），以及宽工作温度范围（-40～+65℃）。

⑤ 模块面板增加故障代码显示，方便故障检查。

⑥ 具有输入侧过、欠电压保护、输出侧过电压保护、欠电压告警、过电流及短路保护、过温保护等功能。

⑦ 充电模块采用业界领先的有源功率因数校正（APFC）技术，输入功率因数高达0.99，总谐波含量≤3%，无须在充电站内单独配置消谐滤波装置。

⑧ 充电模块符合CE安规和电磁兼容ClassA标准要求，符合欧盟RoHS指令，安全绿色环保。

（2）非车载充电机技术要求 非车载充电机作为电动汽车的能量补给装置，其充电性能关系到动力电池组的使用寿命、充电时间。实现对电动汽车动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给是电动汽车非车载充电机设计的基本原则，另外，还要考虑非车载充电机的对各种动力电池的适用性。

充电机与电动汽车动力系统连接示意图如图2-5所示，该充电机由一个能将输入的交流电转换为直流电的整流器和一个能调节直流电功率的功率转换器组成，通过把充电机的输出插头插入与电动汽车上配套的插座中，直流电能就输入至动力电池并对其充电。充电机的输出插头设置了一个锁止杠杆以利于插入和取出插头，同时杠杆还能提供一个确定已经锁紧的信号以确保安全。根据充电机和车上电池管理系统相互之间的通信，功率转换器能在线调节直流充电功率，而且充电机能显示充电电压、充电电流、充电量和充电费用。充电站中的充电机不同于车载充电机，有其特殊技术要求。

1）充电机能服务于由不同厂商制造的技术指标不同的电动汽车、不同类型的动力电池、不同的动力电池标称容量、不同的标称电压。不同动力电池类型的充电控制算法是不同的，相同动力电池类型的不同动力电池容量和标称电压的电动汽车对充电机的技术要求也不同。

2）公共场所用电动汽车充电设施必须实现无人值守自动充电，作为服务面广、量大的未来电动汽车的公共场所用充电设施，不可能由专业充电技术人员进行充电操作。而是应采用由驾驶员利用设置在公共场所的无人值守智能化充电设施，在网络管理下，实现无人值守自动充电。

3）充电设施必须能适应动力电池组技术状态离散性大的技术特点，同类型的动力电池不同的厂牌、同一厂牌的不同批次、同一批次的不同产品的技术性能离散性都很大，无法实现用一种典型的充电控制算法适应所有动力电池组。对于串联动力电池单体数量很多的电动汽车动力电池组，动力电池技术状态离散性大的问题就更为突出。如果不有效解决动力电池组技术性能离散性对充电的影响，就难以保证充放电中不伤害动力电池。

4）不同电动汽车制造厂商或不同动力电池制造商对充电控制算法有不同的要求，公共场所用充电设施必须满足用户对特殊充电控制算法的要求。

5）随着动力电池技术的发展，更高性能的新型动力电池将不断取代原来的动力电池应用于电动汽车，作为公共场所用电动汽车充电设施，必须能适应未来应用新型动力电池的电动汽车对充电的需要，因为当今技术发展日新月异，作为投资和规模都是非常巨大的电动汽车能源补给系统，在短时间之内频繁进行技术改造和设备更新是不现实的。

6）有适应公共场所电动汽车充电设施特点的特殊组网方式，公共场所电动汽车充电设施管理网络是对分布在相对广大地域内的、数量庞大的充电机群进行技术管理和商务管理。传统的组网方式不论是从经济指标、系统安全或对环境的基本要求，都无法应用在该领域，必须研究新的、能适应其特点的管理网络组网方式。

7）在宽的电压和功率范围内，保持高的运行效率。

（3）非车载充电机原理框图 非车载充电机的结构框图如图2-6所示，其主回路的工作过程与车载充电机类似，都是将输入的交流电整流调压后输出，再采取各种优化措施，确保电能输出的质量和输出的稳定性及准确性。非车载充电机基本都是设置在充电站内，对体积功率密度要求不高，可通过自然冷却或风冷的方式确保系统正常工作。另外，对比两大类型的充电机，非车载充电机增加了遥感、遥信方面的功能，这是基于充电站能够实现远程监控的需求。

非车载充电机与车载充电机充电过程的显著不同之处在于需要充电握手阶段。车载充电机是车辆的一部分，它与整车控制器及动力电池之间的连接都是已经调试过的，只要确认外部接通一个不具有智能能力的普通电源即可，充电过程控制和充电安全问题由车载充电机控制器协同整车控制器一起解决，不需要与车辆外部的设备配合。

非车载充电机则不同，非车载充电机是一个独立的系统。在用非车载充电机给电动汽车车载动力电池充电时，需要协调好充电机与电动汽车动力系统之间的高电压、低电压和程序控制的全部方面，为确保充电可靠、安全充电，在充电前和充电过程中需要确认的因素很多。

3.充电机选择

充电站按服务车辆类型不同可分公共充电站、专用充电站，专用充电站属固定服务车辆的充电站，充电机选择可按服务车辆动力电池参数，准确地选择充电机额定功率、充电电压和充电电流，充电机的有效充电功率近乎等于充电机额定功率。因此，专用充电站充电机选择较为简单。

专用充电站内的充电机宜选用室内型，以改善充电机的工作条件，减小外部环境对充电机的影响，便于运行维护。充电机应采用“一机一车”充电方式，即一台充电机在同一时间内，仅对同一辆电动汽车进行充电。不应采用主从充电模式。

公共充电站属无固定服务车辆的充电站，必须能够满足进入市场的各种电压等级的电动汽车充电需求。电动汽车高压系统标准电压为144V、288V、317V、346V、400V、576V，但各汽车厂商也生产许多非标准电压的电动汽车，这样，公共充电站充电机的选择更为复杂，具有不确定性。直流充电机可分为大、中、小三种基本类型。

1）大型充电机单台最大功率200kW，输出电压范围为DC 300～500V，最大输出电流为400A，占用两个800mm×800mm×2260mm的标准机柜空间。

2）中型充电机单台最大功率为100kW，输出电压范围为DC 300～500V，最大输出电流为200A，占用一个800mm×800mm×2260mm的标准机柜空间。

3）小型充电机由高频开关电源模块并机组成，单台电源模块最大输出功率为8.75kW，输出电压范围为DC 150～350V，最大输出电流为25A，两台占用一个800mm×800mm×2260mm的标准机柜空间。

在设计中选用充电机时，根据充电机的输出参数要求，同型号充电机可以多个并联工作，以提高输出功率。采用同一恒电流充电机对三种不同充电电压车型充电时，充电电压越高充电功率越高，充电电压越低充电功率越低。由此可见，倘若能准确选择充电机的充电电压，或充电机能恒功率充电，就能提高充电功率，具体方案分析如下：

1）方案一：选择2～3个充电电压的充电机。一个规格对一种车型或充电参数相近的几种车型充电，但充电区域应设车辆引导充电标识，但该方案可能出现充电机配比与实时充电车辆不匹配，造成部分充电机闲置，部分需要充电的车辆却在排队。

2）方案二：选用恒功率充电机。由于现阶段的恒功率电压范围小，充电功率提高有限。例如选择60kW充电机，充电电压为300～600V，600～750V（恒功率），最大充电电流为100A。这样还是会出现部分充电车辆的充电功率偏低的现象。

综合上述分析与规定，在选择公共充电站充电机时可选用方案一和方案二中的优点进行组合配置。

1）选择部分充电功率：60kW，充电电压：200～400V，400～500V，最大充电电流：150A，以满足类似于北汽EV200的充电电压较低的乘用车快速充电需求。

2）选择部分充电功率：60kW，充电电压：300～600V，600～750V（恒功率），最大充电电流：100A，以满足类似于比亚迪的充电电压高的乘用车快速充电需求，在充电高峰时作为类似于北汽EV200的充电电压较低的乘用车充电补充。

在选择充电机时，应特别注意充电接口的安全防护措施，包括防触电、防雨、防尘措施等。充电接口应在结构上防止手轻易触及裸露带电导体，充电连接器在不充电时应放置在人不轻易触及的位置。对于安装在室外的非车载充电机，充电接口处应采取必要的防雨、防尘措施。

4.充电机布置

充电机布置与安装应满足安全性和便利性的要求，除满足本条的规定外，还应根据充电站的整体布置因地制宜。充电机的布置与安装应符合下列要求：

1）充电机的布置应便于车辆充电，并应缩短充电机输出电缆的长度。室外充电机应采用电缆下进线方式。室内充电机应根据现场的情况，选用落地式或壁挂式。落地式充电机宜采用电缆下进线方式。壁挂式充电机可采用下进线方式，也可采用侧进线方式。

2）应采用接线端子与配电系统连接，在电源侧应安装空气开关。

3）充电机保护接地端子应可靠接地。

4）充电机应垂直安装于与地平面垂直的立面，偏离垂直位置任一方向的误差不应大于5°。

5）室外安装的充电机基础应高出充电站地坪0.2m及以上。必要时可在充电机附近设置防撞栏，其高度不应小于0.8m。