第2章 电动汽车充电机设计方案及测试

2.1 电动汽车充电机电气参数及分类

2.1.1 电动汽车充电机电气参数及技术要求

1.电动汽车充电机电气参数

1）环境条件。环境温度：-20～50℃；相对湿度：5%～95%；海拔：≤2000m；大气压强：80k～110kPa。

2）电源条件。交流输入电压：220V/380V（1±15%）；交流电源频率：50±1Hz。

3）输出电压误差。在恒压状态下，直流输出电压设定在200～500V、350～700V、500～950V规定的相应调节范围内，充电机的输出电压误差不应超过±0.5%。

4）输出电流误差。在恒流状态下，输出直流电流设定在优选值：80A、100A、120A、125A、133A、160A、200A、240A、250A、266A、600A范围内。在设定的直流输出电流≥30A时，充电机的输出电流误差不应超过±1%；在设定的输出电流＜30A时，充电机的输出电流误差不应超过±0.3A。

5）额定功率。额定直流输出功率优选值：60kW、100kW、120kW、200kW、450kW。

6）稳压精度。当交流电源电压在额定值的±15%范围内变化，直流输出电流在4）规定的额定值0～100%范围内变化时，输出直流电压在3）规定的相应调节范围内任一数值上，充电机的输出电压稳压精度不应超过±0.5%。

7）稳流精度。当交流电源电压在额定值的±15%范围内变化，直流输出电压在3）规定的相应范围内变化时，直流输出电流在4）规定的额定值的20%～100%范围内任一数值上，充电机的输出电流稳流精度不应超过±1%。

8）纹波系数。当交流电源电压在额定值的±15%范围内变化，直流输出电流在4）规定的额定值0～100%范围内变化时，直流输出电压在3）规定的相应调节范围任一数值上，充电机的输出纹波有效值系数不应超过±0.5%，纹波系数不应超过±1%。

9）限压、限流特性。

① 充电机在恒流状态下运行，当直流输出电压超过限压整定值时，应能立即进入恒压充电状态，自动限制其输出电压的增加。

② 充电机在恒压状态下运行，当直流输出电流超过限流整定值时，应能立即进入限流充电状态，自动限制其输出电流的增加。

10）输出响应要求。在充电阶段，车辆向充电机实时发送电池充电需求参数，充电机最长应在1s以内将充电电压和充电电流调整到与车辆发送的电池充电需求命令值相一致，充电机根据电池充电需求参数实时调整充电电压和充电电流。

11）均流不平衡度。当充电机采用多个高频开关整流模块并机工作时，各模块应能按比例均分负载，当各模块平均输出电流为50%～100%的额定电流值时，其均流不平衡度不应超过±5%。

12）待机功耗。在额定输入电压下，当充电机处于待机状态时，其整机功耗不应大于额定输出功率的0.15%。

13）效率和功率因数。将额定输入电压及直流输出电压限制在规定的相应调节范围内，即200～500V（取200V、350V和500V三点），350～700V（取350V、550V和700V三点），500～950V（取500V、725V和950V三点），调节输出电流使输出功率在额定值的20%～100%之间变化，充电机效率和功率因数不应低于表2-1所示要求。

14）抗扰度要求。

① 静电放电抗扰度。充电机应能承受GB/T 17626.2—2018中第5章规定的试验等级为3级的静电放电抗扰度试验。

② 射频电磁场辐射抗扰度。充电机应能承受GB/T 17626.3—2016中第5章规定的试验等级为3级的射频电磁场辐射抗扰度试验。

③ 电快速瞬变脉冲群抗扰度。充电机应能承受GB/T 17626.4—2018中第5章规定的试验等级为3级的电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。

④ 浪涌（冲击）抗扰度。充电机应能承受GB/T 17626.5—2019中第5章规定的试验等级为3级的浪涌（冲击）抗扰度试验。

⑤ 电压暂降、短时中断抗扰度。充电机应能承受GB/T 17626.11—2008中第5章规定的电压试验等级在0%、40%、70%的额定工作电压的电压暂降、短时中断抗扰度试验。

15）电磁发射限值要求。

① 传导和辐射发射限值要求。充电机的电源端口应符合表2-2规定的传导发射限值，外壳端口应符合表2-3规定的辐射发射限值。

② 谐波电流限值要求。当输出功率为额定功率的50%～100%时，充电机总谐波电流含有率不应大于8%。

16）噪声。充电机的噪声最大值应不大于65dB（A级）。

17）低压辅助电源。充电机应能为电动汽车提供低压辅助电源，且具备过载、过电压、过温保护功能。辅助电源电压为12V（1±5%）；辅助电源额定电流为10A；纹波峰值系数不超过±1%。

2.电动汽车充电机技术要求

（1）电动汽车充电机对供电电压的要求：

1）直流充电机输入为额定线电压：380V（1±10%）、（50±1）Hz的三相交流电。

2）对于容量小于（等于）5kW的交流充电机，输入为额定电压220V（1±10%）、（50±1）Hz的单相交流电。

3）对于容量大于5kW的交流充电机，输入为额定线电压380V（1±10%）、（50±1）Hz的三相交流电。

（2）电动汽车充电机接口和通信要求：

1）充电机接口。充电机与电动汽车之间的连接应包括高压充电线路、充电控制导引线、充电控制电源线、充电监控通信连接线和接地保护线。同时，充电机应预留与充电站监控系统连接的通信接口。

2）充电机通信要求。推荐采用CAN总线以及CAN2.0协议作为充电机的通信总线和通信协议。

3）通信内容包括动力电池单体、模块和总成的相关技术参数，充电过程中动力电池的状态参数，充电机工作状态参数及车辆基本信息等。

（3）充电机在安全和控制方面需要满足以下技术要求：

1）充电机应能和电池管理系统或者电池管理单元通信，接收动力电池数据，在充电过程中应采用适当方法保证串联动力电池组中的动力电池单体电压不超过上限，同时当电池管理系统发出动力电池严重故障信息后应能自动停止充电。

2）充电机应具有面板操作和远程操作功能，充电机应能和充电机监控系统连接，在监控计算机上能完成除闭合和切断输入电源外的所有功能。

3）充电机应能为充电站监控系统提供事件记录数据，为事故分析和运行测试提供历史数据。充电机应能通过监控网络向监控计算机传送对应电池管理系统发送的数据，充电机应具有故障报警功能，能主动向监控系统发送故障信息。

4）充电机应提供充电电缆连接确认信号，一方面，在充电期间，当充电插头连接到车辆后，车辆控制逻辑可通过此信号来禁止在充电期间车辆驱动系统工作，保证充电安全；另一方面，此确认信号与充电电缆形成闭锁，保证充电人员安全。

5）充电机应具有输入欠电压、输入过电压、输出短路、动力电池反接、输出过电压、过温、动力电池故障等保护功能。在充电机脱离电池管理系统的情况下，充电机应停止充电。

6）充电机应提供良好的人机界面，能完成充电机充电过程的闭环控制，并显示故障类型，提供一定的故障排除指示。提供开放式充电过程参数（包括充电模式、充电参数、阶段数）设定功能，并按照参数完成对充电过程的自动控制。当充电机的保护系统动作时，引起充电过程中断，此时应能显示故障类型，对比较容易排除的故障提供简单的处理方法。

7）在整车充电时，充电机要为电池管理系统提供所需的直流电源（24V/50A）。

8）充电机的可靠性必须满足一定的指标，综合考虑成本和利用率，充电机必须保证安全可靠运行70000～80000h。

9）充电机的设计必须充分保证人身安全，其带电部分不可外露，同时保证车体和大地等电位。充电机与充电站接地连接，充电机与车体外壳连接、充电站接地网连接等要可靠方便。

2.1.2 电动汽车充电机分类及功能

1.电动汽车充电机分类

（1）电动汽车充电机根据不同的分类标准可以分成多种类型，充电机按安装位置可分为：

1）车载充电机。车载充电机又称交流充电机，安装于电动汽车上，通过插座和电缆与交流插座连接，车载充电机采用三相或单相交流电源。车载充电机的优点是不管车载动力电池在任何时候、任何地方需要充电时，只要有充电机额定电压的交流插座，就可以对电动汽车的车载动力电池进行充电。车载充电机的缺点是受电动汽车的空间所限，功率较小，输出的充电电流小，对动力电池的充电时间较长。

2）非车载充电机。非车载充电机又称直流充电机，即采用直流充电模式，直流充电模式是以充电机输出的可控直流电源直接对动力电池组进行充电。非车载充电机安装于固定的地点，充电机的交流输入电源已事先连接完成。充电机的直流输出端在充电操作时再与电动汽车的车载动力电池连接。非车载充电机的功率较大，可以提供几百kW的充电功率，可以对电动汽车车载动力电池进行快速充电。

（2）充电机按输入电源可分为：

1）单相充电机。充电机的交流输入电源为单相电源，功率较小，一般用于车载充电机。

2）三相充电机。充电机的交流输入电源为三相电源，功率较大，一般用于非车载充电机。

（3）充电机若按连接方式可分为：

1）传导式充电机。传导式充电机的输出直接连接到电动汽车的车载动力电池上，两者之间存在实际的物理连接。

2）感应式充电机。感应式充电机利用电磁感应耦合方式向电动汽车的车载动力电池传输电能，两者之间没有物理连接。感应式充电机又分为地面部分和车载部分。

（4）充电机按使用功能可分为：

1）普通充电机。普通充电机只提供对动力电池的充电功能，无自动控制、对电网谐波的抑制及无功补偿等功能。对动力电池的充电由人工手动控制。

2）多功能充电机。多功能充电机除了具有对电动汽车车载动力电池的充电功能外，还能够提供诸如测量电动汽车动力电池容量、抑制电网谐波、无功补偿及负载平衡等功能。

（5）充电机按所采用的功率变换元件及控制原理的不同可分为：

1）磁放大型充电机。磁放大型充电机由饱和电抗器和整流变压器构成，利用饱和电抗器的调整绕组进行调压，接线简单，调试方便，但容量较小。

2）相控型充电机。相控型充电机由接在隔离变压器二次绕组上的晶闸管整流器进行调压，接线较复杂，容量较大。

3）高频开关模块型充电机。高频开关模块型充电机采用高频脉宽调制技术，取消了庞大的隔离变压器。实现了高频化、小型化和模块化，具有输出稳流、稳压精度高，纹波系数小等优点。

（6）充电机按基本构成（基本构成包括功率单元、计费控制单元、充电控制器、计量表计、充电接口、人机交互界面等）可分为：

1）分体式充电机。分体式充电机由整流柜和直流充电机两部分构成，它们之间通过电缆连接组成一套完整的充电机。形式有一机一桩，即一套整流柜连接一个直流充电机，还有一机双桩，即一套整流柜连接两个直流充电机，两个直流充电机同时输出电流，具备直流输出功率自动分配功能。

2）一体式充电机。一体式充电机全部构成元件安装在同一个柜体内。形式有一机一枪，即一体式充电机配置一个直流充电接口，还有一机双枪，即一体式充电机配置两个直流充电接口，两个充电接口轮流输出电流。

2.电动汽车充电机的功能要求

充电机的具体功能要求参照了现行行业标准NB/T 33001—2018《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》的有关规定。充电机的功能应符合下列要求：

1）充电机应具有与电动汽车或电池管理系统通信的功能，通信协议应能满足Q/GDW 1235的规定。通信目的是判断动力电池类型；判断充电机是否与电动汽车动力电池组正确连接；获得电动汽车车载动力电池的系统参数、充电前和充电过程中动力电池的状态参数；充电机还应具有与充电站监控系统通信的功能。

2）充电机与电池管理系统的通信是保证连接安全和充电安全的必要措施，并应具有根据电池管理系统提供的数据动态调整充电参数、自动完成充电过程的功能。

3）具有判断充电机与电动汽车是否正确连接的功能，当检测到充电接口连接异常时，应立即停止充电。

4）充电机应具有人机交互功能，通过人机交互功能可以使充电人员获得充电机的一些信息。充电机应显示的信息有动力电池类型、充电电压、充电电流、电能量计量信息；在出现故障时应有相应的提示信息；动力电池温度、充电时间等，并具有待机、充电、充满等状态的指示。

5）充电机应具有自动设定方式和手动设定方式。

① 自动设定方式。在充电过程中，充电机依据电动汽车电池管理系统提供的数据动态调整充电参数，执行相应动作，完成充电过程。

② 手动设定方式。由操作人员通过外部手动控制设备设置充电方式、充电电压、充电电流等参数，充电机根据设定参数执行相应操作，完成充电过程。充电机采用手动设定方式时，应具有明确的操作指示信息。

6）充电机应具有对每个充电接口输出电能进行计量的功能，电能计量装置应符合国家计量器具检定相关要求。电能计量装置应具备RS 485接口，通信应接入计费控制单元，通信协议应遵循DL/T 645—2007《多功能电能表通信协议》技术要求。

7）充电机应具备交流输入过电压保护、交流输入过电流保护、直流输出过电压保护、直流输出过电流保护、内部过温保护、防输出短路和防反接等保护功能。

8）为了保证人员和设备的安全，充电机必须具备本地和远程紧急停机功能，除充电机本身具有手动急停功能外，还应在充电站内建立紧急停机系统，实现区域内的远程紧急停机。紧急停机后充电机不应自动恢复充电，应在确认危险解除后，手动恢复充电。

9）充电机应具备与充电站监控系统通信的功能，用于将非车载充电机状态及充电参数上传到充电站监控系统，并接收来自监控系统的指令。

10）充电机应配置CPU卡读卡器，支持ISO14443协议，读卡器应具备RS232接口，能够与计费控制单元进行通信，通信协议遵循《计费控制单元与读卡器通信协议》的技术要求。

11）充电机应配置蓝牙通信功能，蓝牙通信模块用于与用户手机通信，蓝牙通信模块支持通过RS232接口与计费控制单元通信，蓝牙模块可内置或外置于计费控制单元。

12）充电机应配置语音提示功能，通过标准3.5mm音频插头插入计费控制单元，接收计费控制单元播放的声音信号。语音提示装置功率不小于0.5W。