电动汽车动力蓄电池及管理技术 课件 第9、10章 动力电池充放电控制与能量管理、交流慢充技术原理

动力电池充放电控制与能量管理01充放电控制逻辑02CONTENTS目录能量管理充放电控制逻辑01预充电阶段：※车载充电机OBC检测到充电枪插入信号后，唤醒整车控制器VCU及BMS；※BMS完成自检与初始化后上报VCU，VCU控制主负继电器闭合。同时BMS控制预充继电器闭合，对电池单体进行预充电；※确认所有单体无短路后，预充电结束。主充电阶段：预充电完成后，BMS闭合主正继电器，随后断开预充继电器，主回路导通，动力蓄电池组进入充电状态。0102预放电阶段（放电初期）：※点火开关置于ON档后，VCU唤醒BMS。※BMS完成自检与初始化后上报VCU，VCU发出高压供电指令，BMS随即按预设时序控制继电器动作。※鉴于电路中电机控制器、空调压缩机控制器等部件内含电容，放电初期BMS控制预充继电器闭合，以低压、小电流向这些电容放电，待电容两端电压接近动力蓄电池组总电压时，断开预充继电器。主放电阶段：BMS闭合主正继电器，同时断开预充继电器，主回路导通，动力蓄电池组开始放电。1)充电过程2)放电过程充放电过程1)充电控制管理电池的充电控制管理，是指BMS在电池充电过程中，对充电电压、充电电流等关键参数实施实时优化控制，旨在实现最优的充电时长、充电效率以及SOC。2)放电控制管理电池的放电控制管理，是指BMS在电池放电过程中，基于电池实时状态动态调节放电电流限值，这种管理策略能显著提升动力蓄电池组的效能。例如，当电池组剩余电量低于10%时，适当限制最大放电电流，虽然可能影响车辆最高速度，但有助于延长车辆的续驶里程和动力蓄电池组的使用寿命。3)制动能量回收制动能量回收，是能量控制管理的重要环节。例如，在某些混合动力汽车中，需要通过充放电控制管理把电池的荷电状态维持在60%~80%，以保证有足够的电荷容量空间来接收来自制动回收的能量。这样做的另外一个考虑就是使电池工作在等效内阻较小的一个区间，从而使充放电的效率更高。充放电控制管理能量管理02能量管理分为电池充/放电管理和电池均衡控制管理。电池充/放电管理是指对电池充放电控制，即根据SOC、SOH和温度来限定电池的充放电电流，设定一个控制充电和放电的算法逻辑，以此作为充放电控制的标准。电池均衡控制是指采取一定措施尽可能降低电池不一致性，以达到优化电池组整体放电效能，延长电池组整体寿命的效果。能量管理主要包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行充电控制，以SOC、SOH和温度等参数为条件进行放电功率控制两个部分。能量管理概述01通常情况下，电池组能量提供电动汽车中车辆的全部功率负荷，应实时监控电池能量消耗情况与SOC，当电池SOC低于某一设定值时，由于电池的放电特性会导致电池组电压急剧减小，严重情况下会使运动中的车辆发生突然停止。此外，最大续驶里程直接由电池的SOC决定。电池能量管理的策略示意图如图所示，当汽车通过上电自检模式，处于启动状态时，动力蓄电池供应电能，进而满足电机及附属仪表元件能量需求。当汽车处于正常行驶模式时，电池能量提供驱动电机能源，动力蓄电池工作在高效放电区。BMS能量管理策略电池能量管理的策略示意图02电池能量管理策略控制流程图如图所示。系统上电自检通过后，VCU采集SOC值并判断，若动力蓄电池SOC的值处于设定的某一值以下时，则整车控制器通过信号计算控制仪表盘亮灯并报警提示，此时会提醒驾驶员，驾驶员会进行相应操作并做出判断尽可能确保车辆运行的安全。当动力蓄电池SOC继续降低小于某一设定值时，整车控制器收集SOC信息，并计算控制进而加长报警长度，此时驾驶员可以进行操作关闭一些不影响安全的附属电器，但是当处于特殊天气时，汽车的雨刷、雾灯、大灯等涉及安全的装置一定要确保汽车能够正常对其供电不能使其关闭。汽车处于减速和制动的工况时，电动机转换为发电机把制动收取的能量转化为电能储存于动力蓄电池中。在起步和正常行驶工况下，电池组向电机供应电能进而使电机工作。车辆在减速或刹车制动的状态中，电机反转产生再生力矩进而为电池充电。BMS能量管理策略电池能量管理策略控制流程图谢谢大家动力蓄电池系统控制与故障处理策略Catalogue目录基于最小能耗的动力蓄电池风冷控制策略2.1.温度控制策略概述故障处理策略概述基于二次回路冷却的电池热管理控制策略3.4.动力蓄电池故障诊断策略5.基于模型的故障诊断方法6.温度控制策略概述01-动力蓄电池的性能、寿命和安全性与工作温度密切相关，适宜的温度范围是保证电池高效稳定运行的关键。-过高或过低的温度都会导致电池性能下降、寿命缩短，甚至引发安全问题，因此有效的温度控制策略至关重要。温度控制的重要性-根据冷却介质和系统结构的不同，动力蓄电池温度控制方式主要分为风冷、液冷（包括二次回路冷却）等。01-不同的控制方式具有各自的特点和适用场景，需要根据实际工况和需求进行选择和优化。02常见温度控制方式分类基于最小能耗的动力蓄电池风冷控制策略02-空冷系统最显著的特点是无需借助外部辅助能量，直接利用汽车行驶产生的自然气流带走电池热量。-该方法以其结构简单、实施便捷、成本低廉的优势被广泛采用。空冷系统的特点与优势-为了以尽量少的能耗满足动力蓄电池在实际充放电过程中的散热需求，通过车载导航系统获得车辆未来路段的工况信息，预测电池未来温升情况，判断是否需要开启风机以及求解风机的最优风速及风机开启时间，实现在电池及时有效地散热的同时，风机能耗最小。01-控制逻辑：汽车进入每一路段之初，控制系统根据车载导航系统提供的未来路段工况信息预测该路段无风状态下的电池未来温升，当预测的电池最高温度超过40°C时，则在该路段需要开启风机，否则风机无须开启。02风冷控制策略与逻辑-动力蓄电池包风冷系统的能耗最小化问题本质上属于多阶段决策过程中的最优化问题。20世纪40年代，RichardBellman提出的动态规划算法为此类问题提供了强有力的求解工具。-将汽车行程进行划分，根据各路段的工况信息预测出未来升温后，对需要散热的路段进行动态规划处理，求取各路段的最佳工作风速序列。当求取的最优风速序列中首次出现风速非零时，该时刻即为风机最佳开启时机，对应的风速即为最佳风速。-针对“如何以风机系统的最小能耗满足动力蓄电池包散热需求”这一核心目标，选择应用动态规划算法进行求解。-在求解多阶段决策过程的优化问题时，利用最优化原理，把多阶段过程分解为更小的、相似的子问题，并存储子问题的解而避免重复计算。动态规划算法动态规划的求解过程基于二次回路冷却的电池热管理控制策略03010203-针对夏季高温天气和极端动态工况，电池的冷却方式采用二次回路冷却，系统包含压缩机、冷凝器、蒸发器、Chiller、两个电子膨胀阀，以及电池组及其冷却模块。-基于传统空调系统，将电池回路蒸发器Chiller与乘员舱蒸发器并联，构成双蒸发器热管理系统。1.经压缩机压缩后的高温高压过热气态制冷剂首先通过冷凝器与外界空气进行换热，形成低温高压过冷液态制冷剂。2.从冷凝器出来后的液态制冷剂分两条支路，分别经过各自支路的电子膨胀阀。3.经绝热膨胀后，制冷剂变为低温低压液体状态，然后分别进入Chiller和乘员舱蒸发器与被冷却物体（冷却液和空气）进行热量交换。4.经过相变吸热后的制冷剂变为低温低压的气体，然后在压缩机进口处汇合，进入气缸再次循环。二次回路冷却系统Part.01-由于耦合热管理系统的复杂性，涉及到多个输入变量和输出变量，再考虑到电池的适宜温度是一个区间范围，并不是某个温度定值，因此，电池的温度控制采用了on/off的控制策略，根据电池当前的温度来控制各条回路的开关或者某个元件的开启，使电池的温度保持在适宜的范围内。Part.02-锂离子电池的适宜工作温度是20°C~40°C，在电池适宜的温度范围内，电池的温度越高内阻越小，有利于充分发挥电池的放电性能。Part.03-在耦合热管理系统中，电池的散热方式有3种模式：自然风散热器冷却、强制风冷散热器冷却、空调系统冷却。Part.04-自然风散热器冷却：车辆在行驶过程中，空气可以通过进气格栅进入散热器内，对冷却液有一定的冷却作用。Part.05-强制风冷散热器冷却：在车辆车速较低而环境温度较高时，自然风带来的冷却作用很小，不足以满足电池散热需求，此时可以开启冷却风扇，加强散热器的冷却效果。Part.06-空调系统冷却：当环境温度较高，前两者散热方式不足以满足电池的散热需求时，此时需要开启空调系统，通过制冷剂在电池蒸发器Chiller中蒸发与冷却液交换热量来实现对电池的降温。电池温度控制策略Part.07-温度控制逻辑：在电池温度低于30°C时，无需对电池进行冷却，关闭散热器回路阀门，关闭Chiller制冷剂回路阀门；当电池温度大于30°C时，Chiller制冷剂回路阀门关闭，散热器回路阀门打开，使用自然风进行冷却；当电池温度大于33°C时，Chiller制冷剂回路阀门关闭，散热器回路阀门打开，冷却风扇打开，使用强制风冷对电池进行冷却；当电池温度达到35°C以上时，开启空调系统Chiller制冷剂回路，若环境温度小于电池温度，开启散热器回路且使用强制风冷，否则关闭散热器回路。电池温度控制策略温度控制策略故障处理策略概述04-作为高压系统的核心部件，动力蓄电池系统的设计质量直接关系到整车的安全性与可靠性。-故障一旦发生，轻则导致系统性能下降，重则引发安全事故，造成严重的人员伤亡和财产损失，因此，对动力蓄电池系统进行及时有效的故障诊断与处理至关重要。故障处理的重要性-动力蓄电池故障处理策略主要包括故障诊断和故障处理两个方面。-故障诊断是指通过一定的方法和手段检测和识别电池系统的故障类型和位置；故障处理则是根据诊断结果采取相应的措施，以消除故障或降低故障带来的影响。0102故障处理的主要内容动力蓄电池故障诊断策略05-动力蓄电池故障诊断策略开发主要包括3个方面：故障检测、故障数据管理和诊断服务接口。-故障检测需要根据每个部件的失效模式分析，并配合相应的硬件设计，具备该部件的故障检测功能。-故障数据管理是动力蓄电池故障诊断系统的核心，它执行主要的故障诊断与处理的算法。020103-诊断服务接口提供根据ISO标准所定义的电控单元与外部诊断设备通信的底层驱动以及协议。04故障诊断策略的组成-核心层软件是整个故障诊断的中枢，包括故障码的管理、诊断服务接口和故障码的存储/擦除管理。-应用层软件主要进行电池系统故障检测、电池状态数据的读取及电池系统关键控制变量的控制。-软件架构应该包含应用层软件、核心层软件和底层驱动软件。-底层驱动软件包括一些单片机A/D、I/O等的状态读取及控制，以及符合ISO15765诊断规范的CAN接口驱动程序。软件架构0102-故障数据管理是故障诊断系统的核心，它包括以下几个主要功能：实现电池系统故障码的存储和管理；存储和管理与故障相关的冻结帧信息，便于故障排查；提供与应用程序和诊断仪的诊断服务接口函数；电池系统故障灯的管理；故障处理机制的管理。03-由于外界因素的干扰，信号可能偶尔会产生一些正常的跳变抖动。将一个信号识别为异常后，系统并不直接视其为故障，而是通过一定方式进行累积，只有当累积结果达到一定程度时，才最终将异常判断为故障。这样可以提高系统的容错性，避免由于过于敏感而导致无法使用。-系统会定时执行故障诊断软件顺序巡检每个故障码的状态，并根据每个故障码对应的故障等级和故障状态标志位来设置每一个故障级别的故障计数器，再根据电池系统故障级别采取相应的故障处理措施，以确保电池和整车高压系统安全可靠。故障数据管理基于模型的故障诊断方法06-传统故障诊断通常采用硬件冗余方法，即针对同一变量利用多个传感器采集相应数据，然后经过合适诊断策略来判断故障。-车辆安全关键系统中存在一些硬件冗余，如在大多数现代车辆中，加速器踏板配备有两个或更多个电位计以测量其位置，一旦检测到组件故障，就会有冗余元件维持车辆的功能并确保安全。-但是随着电子器件几何级数的增加，若均进行硬件冗余，一方面会导致价格的增加，另一方面布置空间可能会非常有限。-若是单一监控某特殊信号的大小或者发展趋势，依靠该信号超过阈值即报警表明发生故障，虽然简单实用，但是存在非常严重的缺陷，如噪声的存在导致的误报警、故障隔离十分困难。01030204传统故障诊断方法及其局限性01-采用解析冗余代替硬件冗余最初由麻省理工的Beard提出，并且进一步研究用故障检测滤波器生成FDI需要的方向性残差的方法。-依靠解析冗余，不需要冗余硬件，也就不会有附加硬件故障的问题，因此，合理设计的解析冗余可能会比硬件冗余更可靠。解析冗余（软件冗余）方法-为解决系统安全性与硬件冗余花费之间的矛盾，产生了解析（软件）冗余方法，不是依靠增加同一硬件，而是依靠多个测量变量之间的解析关系，判断传感器或执行器数值的正确性，从而确保安全的同时不增加花费。0203硬件冗余与软件冗余-究其原因，一方面因为基于模型故障诊断过程需要系统的输入输出信息，这只能在运行期间获得；另一方面，只有在线故障诊断，才能实时判断系统是否出现故障，从而可以实时检测，及时发出警告。-基于模型的故障诊断主要关心的为在线故障诊断，即在系统运行期间，进行实时故障诊断。-基于模型的故障诊断系统主要分为2个步骤：生成残差和残差评价，现在被广泛认为是基于模型故障诊断的标准流程。-基于模型故障诊断通常所需要的信息主要是来自传感器、执行器的信号，而这在物理系统中所必需的，故而，为了实现故障诊断功能，一般不需要额外的硬件设备，只需要合适的计算能力。-残差评价：设计残差目的是将其用于判断故障出现的可能性，而进行判断则需要利用决策规则。决策过程有：针对残差瞬态值或者平滑值的简单阈值测试，基于统计决策理论，如广义似然比测试、序贯概率比测试等，基于范数的残差评价等。-生成残差：故障诊断第一步即利用被监控系统的输入输出信息生成故障指示残差信号。残差信号用来反映系统是否出现故障，故而需要设计出的残差应独立于系统输入输出，只包含故障信息。通常，系统无故障时，残差为零值或在零值附近震荡；系统发生故障时，残差就偏离于零值。广义上，用于生成残差的算法就被之为残差生成器。基于模型的故障诊断的特点与流程-在基于模型的故障诊断中，不同的方法需要不同形式的模型，基于模型的故障诊断方法选择的首要标准即可获得的不同类型模型。针对确定条件下受控系统状态重构问题，龙伯格最初提出观测器理论，其核心是利用状态反馈作为控制策略。-随后，Clark将龙伯格观测器应用于故障检测问题，并研究了故障隔离方法。-观测器根据测得的系统输出和输入信号来估计系统的不可测量状态。它本质上是物理系统的数学重构模型，其动态由系统的实际输入、实际输出以及表征被测系统实际输出与观测器输出之间差异的信号共同驱动。在龙伯格观测器中，系统实际输出与观测器输出之间的差异被线性反馈至观测器内部。-将观测器应用于故障诊断的基本思想是：利用观测器替代被监测部件的正常运行过程。具体而言，观测器基于系统的输入和可能包含故障的测量输出，估计系统应有的输出；接着，将此估计输出与被监测部件的实际测量输出进行对比，得到输出估计误差；再将此输出估计误差作为残差信号；最后，评价此残差以判断是否有故障出现。基于观测器的故障诊断谢谢大家交流慢充技术原理CONTENT目录0102交流慢充系统的构成慢充系统工作原理交流慢充系统的构成01-交流慢充系统由供电设备、充电枪、车载充电机（OBC）、高压控制盒、动力蓄电池（含BMS）、整车控制器（VCU）及相关高低压线束组成。Part01​-供电设备通过充电线缆向车辆输入220V/380V交流电，OBC将其转换为高压直流电并输送至动力蓄电池。Part02​-BMS实时监测电池状态参数，通过CAN总线与VCU、OBC协同调控充电策略，确保安全、高效充电。Part03​系统组成概述交流慢充系统结构图-辅助交流慢充线一端为标准三孔插头接入交流插座，另一端为标准慢充枪头插入车载OBC接口，中间设有智能控制模块，集成自动断电、过流保护、过温保护、漏电保护等安全功能。-辅助交流慢充线具有灵活性和便携性，用户可直接使用普通家用插座充电，适用于无专用充电桩条件的场景。-16A三孔插座供电电流不得超过13A，10A三孔插座供电电流不得超过8A，以确保安全和插座寿命；插座为单相交流电，具备相线（L）、零线（N）与保护接地线（PE）三线连接方式，并需配置带漏电和过流保护的空气开关或漏保开关。-辅助交流慢充线采用标准化接口（如符合GB/T20234.2标准），连接操作简单，系统自动检测电路状态，LED指示灯提示充电状态或告警信息。-交流充电桩广泛部署于居民区、停车场及公共充电场所，按安装形式分为立式、壁挂式、便携式，按充电枪配置分为单枪或双枪设计，支持单/双车并行充电。-辅助交流慢充模式充电功率一般为2kW~3.3kW，充满电池需较长时间，适合夜间长时间驻车场景；线缆长度通常为3m~5m，具备防水、阻燃、高温保护等安全措施。-典型交流充电桩采用单相供电，电流16A或32A，输出功率3.3~7.4kW，系统需集成漏电保护；具备电量计量、安全保护及用户管理功能，支持计费结算、自动断电保护，部分型号支持IC卡刷卡启动。交流慢充线与充电桩-慢充线束是连接交流充电口与车载充电机（OBC）的高压传输部件，负责将市电输送至OBC；乘用车线束额定电压通常为600V，商用车及公共汽车需提升至1000V，额定电流范围覆盖250~450A。01-慢充线束采用多层绝缘防护设计，包括橙色厚壁绝缘套、波纹保护管及防松连接器；使用维护时需避免绝缘层机械损伤，定期检查连接器状态及线束完整性，绝缘电阻低于20MΩ时应立即更换。02-慢充线束两端插头定义：慢充口端插头包含CP（充电控制确认线）、CC（充电连接确认线）、N（零线）、L（交流220V/380V相线）、PE（保护地线）、NC1/NC2（备用）；车载充电机端插头对应连接相线、零线、保护地线、CC线、CP线等。03慢充线束与接口慢充线束两端插头插头名称插头形状定义慢充口端插头CP充电控制确认线CC充电连接确认线N零线L交流220V相线（380V相线）PE保护地线NC1备用（地线380V相线）NC2备用（地线380V相线）车载充电机端插头1L(交流220V相线)2N(零线)3PE(保护地线)4未用5CC(充电连接确认线)6CP(充电控制确认线)Part.01-慢充交流充电通过交流充电接口将电网交流电输入车辆，经OBC转换为电池所需直流电给动力蓄电池充电；OBC是由功率因数校正器（PFC）和隔离DC-DC组成的AC-DC转换器，功率可达22kW。Part.02Part.03-根据行业标准QC/T895-2011，OBC额定输入电流分为10A、16A和32A三档，对应单相220V下输入功率分别为2.2kW、3.52kW和7.04kW；受车载空间与成本限制，实际输出功率通常为1.5kW、3.3kW和6.6kW，需满足国家规定的功率因数及效率要求；采用三相380V供电时，OBC功率可提升至22kW。Part.04-OBC集成于车辆内部，结构紧凑、充电电流小，适用于夜间长时间补电场景，满足日常通勤需求。车载充电机OBC-OBC电源架构包括PFC、DC-DC转换器及辅助电源；DC-DC转换器在慢充过程中将车载高压直流电（300V~400V）转换为低压直流电（12V或48V），为车内低压电气设备及12V蓄电池供电，确保低压系统正常工作。OBC电源架构图DC/DC变换流程慢充系统工作原理02-慢充口有7个端子，实际使用5个，分别连接相线L、零线N、保护地线PE、充电连接确认线CC、充电控制确认线CP，预留两个端子NC1和NC2用于输入三相交流电，装备大功率车载充电机。01-充电机直流插座：A1连接新能源CAN-L，A2连接CAN屏蔽线，A8连接12V供电负极，A9连接新能源CAN-H，A11连接慢充连接确认线通往VCU，A16连接12V供电正极，A13连接高低压互锁线通往高压盒，A14连接高低压互锁线通往空调压缩机，A15连接慢充唤醒信号线的正极。0302慢充系统电路图-充电机高压插座“DC+”“DC-”通过高压附件线束连接高压盒对应端子，DC+线设有16A熔断器；充电机交流插座通过慢充线束与慢充口连接，1连接L，2连接N，3连接PE，5连接CC，6连接CP。慢充系统电路图-车端与充电桩之间的基础控制与状态识别通过CP线完成，信号由充电桩内部控制电路生成，以1KHz的PWM波形形式传输到车辆，用于指示充电桩最大电流及控制充电启停。Part.01-核心功能是利用PWM占空比告知OBC当前允许的充电电流限值，车辆通过解码占空比信息自适应调整充电电流，确保不超出桩端供电能力，实现安全可靠的充电控制。Part.03-CP线不仅传输PWM占空比信号，还通过电平状态配合车端不同下拉电阻反馈车端状态：车辆插入但未准备好时CP线电压为9V；准备好开始充电时CP电压降至6V；系统检测到故障或中断时CP电压降为0V触发保护。Part.02控制导引信号（Controlpilot,CP）控制机制-交流慢充系统工作电路由充电桩控制器、接触器K1和K2、电阻R1、R4、Rc、二极管VD1、开关S1、S2、S3、车载充电机和整车控制器组成；Rc安装在充电枪内部，S1为供电设备内部常闭开关，S2为车辆内部控制开关，S3与充电枪下压按钮联动用于触发机械锁止装置。-供电插口连接到充电桩(供电设备)以后，S1开关接通12v，此时如果测量枪口CP口会测得12v电压值。-将充电枪插入车辆充电口后，检测点3就能够检测到12v电压经过RC和S3开关入地，这时检测点3的电压便不再是12v，此时车辆可以通过检测点3检测到充电枪已经插入到插口上。R4电阻的作用是检测充电枪有没有插到位，如果没有插到位则S3开关(位于充电枪上)断开，R4电阻串联进回路，通过检测点3便可以让充电机知晓。另外，通过检测点3检测的电压便可以知道RC阻值的大小，进而知道充电枪的型号。慢充系统工作原理交流慢充系统工作电路图-充电枪插入车辆充电口以后，12v电压通过S1、R1，依次到达检测点1和检测点2，然后通过R3接地构成回路，此时检测点1以及检测点2处的电压便不再是12v，由于R1=1000欧，R3=3000欧的分压，检测点电压为9v。-当检测到电压为9v以后，S1开关从12v变到PWM信号链接，此时监测点1和2会出现一个占空比信号，确认充电枪连接好，然后S2开关闭合反馈给充电设备。S2闭合以后回路接入了R1(串联)，R2和R3(电阻并联，R2=1500欧，并联电阻阻值为1000欧)，回路电压从9v变成6v，此时充电机就可以认可充电。-CP信号稳定在6v以后，供电设备的K1和K2继电器闭合，交流电通过车辆充电口输入到充电机进行充电。慢充系统工作原理交流慢充系统工作电路图谢谢大家直流快充技术原理01直流快充系统简介02直流快充系统构成03直流快充系统的工作原理目录CONTENTS直流快充系统简介01直流快充系统是新能源汽车充电技术的重要组成部分，其核心由直流充电桩、直流充电座、动力蓄电池（含BMS）、整车控制器VCU以及连接这些设备的高、低压线束组成。当直流充电设备通过接口与车辆连接后，首先会向整车发送唤醒信号，BMS接收到信号后，评估当前电池的SOC、温度、电压等参数，并根据电池的最大可接受功率发送充电电流指令至充电桩。同时，BMS控制高压继电器吸合，形成完整的充电回路，动力蓄电池开始接收直流电能，进入充电阶段。直流充电桩是系统的核心供电设备，通常固定安装于公共快充站、高速服务区、商业停车场等地点。Part.01相比交流充电必须依赖车载充电机OBC进行整流和变换，直流快充直接向动力蓄电池提供电能，避免了OBC功率受限带来的瓶颈，充电效率更高，系统功率密度更大。Part.02系统定义与重要性在实际应用中，一辆电池容量为50~70kWh的纯电动汽车，如果通过交流慢充完成整个充电过程，通常需耗时8h左右，适用于夜间居家补能场景。01而采用直流快充，通常可在20~30min内将电池电量充至50%，1~2h内充至80%以上，大幅缩短等待时间。02快充与慢充对比直流快充系统构成02直流充电桩的输入电压采用三相四线380VAC，频率50Hz，输出可调的直流电，直接为电动汽车的动力蓄电池充电。直流充电可以提供足够大的功率，输出的电压和电流调整范围大，可以满足快充需求，直接为新能源汽车的动力蓄电池充电。直流充电与交流充电的计量和通信及扩展计费功能类似。基本参数与功能直流充电桩电气结构包括三相智能电表、散热风扇、充电模块、主继电器、辅助电源继电器、熔断器、直流绝缘检测计量模块、充电桩控制器、触摸屏、刷卡模块、通信模块、急停信号及风扇控制等部分。电气结构直流充电桩直流充电桩电气结构三相380V交流电首先经过电磁兼容滤波模块及防雷保护装置，用于抑制电网中的高频电磁干扰、浪涌电压以及雷击等异常电压波动。经过滤波处理后的电能再输入至三相四线制电表中，三相四线制电表用于实时监测充电机在工作过程中的充电电压、电流及累计充电电量，为系统计量与管理提供数据支持。为保障控制系统的正常运行，充电桩内设有辅助电源，为主控单元、显示模块、保护控制单元、信号采集单元以及刷卡模块等控制系统进行供电。在动力蓄电池充电过程中，辅助电源还为电池管理系统BMS供电，BMS对电池的电压、电流、温度等关键参数进行实时监控，并与充电桩通讯协同，确保整个充电过程的安全性与可靠性。工作原理直流充电桩的充电功率很大，一般在几十千瓦到上百千瓦，通常由多个直流充电模块并联组成。直流充电模块由功率因数模块、DC/AC逆变模块、高频变压器、AC/DC整流模块、控制模块、CAN通信控制模块、保护电路几部分组成。三相电L1、L2、L3经过有源功率因数校正（Activepowerfactorcorrection,APFC）后输出直流电，DC/AC将直流电变换为交流电后通过AC/DC升压或降压（升压或降压取决于汽车中电池的电压是低于380V，还是高于380V）。充电模块直流充电桩直流充电桩电气结构直流充电模块内部功能结构图接口安装与开启直流快充接口是新能源汽车实现高功率快速充电的关键部件，通常安装在车辆左后侧车身位置，便于用户操作和连接充电桩。车辆在熄火状态下，需通过方向盘下方的专用按钮解锁充电盖，可开启快充接口。连接检测与电流传输当快充枪插入充电插座之后，形成连接检测网络，检测结果正确后即可开始充电。在直流快充系统中，充电电流通过专用的高压连接器传输至车辆动力蓄电池。系统通常将正负两个电流回路分别定义为直流1（DC+）与直流2（DC-），以实现清晰的电气区分与安全管理。直流1表示直流充电回路中的正极路径，其电流由充电桩输出后，接入车辆低压电气系统或高压配电单元；直流2为负极路径，连接至蓄电池的负极端，用于电流的回流。接口结构定义DC+：直流电源正，连接直流电源正与电池正极。DC-：直流电源负，连接直流电源正与电池负极。PE：保护接地，连接供电设备地线和车辆车身地线。CC1：充电连接确认(快充桩检测)。CC2：充电连接确认(车辆检测)。S+：充电通信CAN-H，连接快充桩和车辆的通信线。S-：充电通信CAN-L，连接快充桩和车辆的通信线。A+：低压辅助电源正，为车辆提供低压辅助电源。A-：低压辅助电源负，为车辆提供低压辅助电源。快充接口及连接线束插头形状定义DC+直流电源正，连接直流电源正与电池正极DC-直流电源负，连接直流电源正与电池负极PE保护接地，连接供电设备地线和车辆车身地线CC1充电连接确认(快充桩检测)CC2充电连接确认(车辆检测)S+充电通信CAN-H，连接快充桩和车辆的通信线S-充电通信CAN-L，连接快充桩和车辆的通信线A+低压辅助电源正，为车辆提供低压辅助电源A-低压辅助电源负，为车辆提供低压辅助电源01在直流快充系统中，BMS与VCU通信并接收VCU的指令进行充电唤醒，控制动力蓄电池内部接触器闭合，并随时监测动力蓄电池包的电压、电流、温度等参数，通过充电桩进行信息交流。02BMS与数据采集终端的CAN-H、CAN-L之间分别串联了一个120Ω的电阻，从快充接口测量S+与S-之间的阻值，应为两个120Ω电阻的并联值60Ω。动力蓄电池电池管理系统BMS01整车控制器VCU是新能源汽车整车控制系统的核心部件，负责协调与管理动力系统、能量系统以及整车各子系统之间的通信与控制。02VCU通过低压连接器与其他关键子系统（如驱动系统、制动系统、BMS、电机控制器等）实现数据交互和信号采集，承担着整车运行状态监控、驾驶指令解析、控制策略下发等核心任务，是实现整车功能安全与智能化运行的关键模块。05在充电连接信号被确认后，整车处于禁止行车状态，VCU退出控制。整个充电过程由BMS完成，直至充电完成或者充电中断，车辆控制权才可重新回到VCU。03在快充系统中，VCU发送给电池包的命令包括充电、放电和智能充电。04VCU通过CC2信号确认充电枪连接状态，快充接口通过低压线束将唤醒信号送至VCU，VCU收到信号之后，唤醒BMS进入工作状态，并发送信号到BMS继电器。整车控制器VCU直流快充系统的工作原理03直流快充流程包括开始、授权验证、插枪、物理连接检测、辅助电源上电、BMS握手通信、BMS继电器闭合、反接检查、内部充电模块初始化、BMS充电参数交互、实时更新模块充电参数、判断充电是否完成、判断是否故障、关闭充电模块断开继电器、故障处理及结束等环节。直流快充流程图直流快充流程图工作电路组成直流快充系统的工作电路由充电控制器、接触器(K1、K2、K3、K4、K5、K6)、电阻(R1、R2、R3、R4、R5)、开关S、非车载充电机和整车充电器组成。K1、K2为充电桩高压正、负继电器；K3、K4为充电桩低压唤醒正、负继电器；K5、K6为电池高压正、负继电器。检测点CC1提供充电桩检测快速插头与车辆连接状态识别信号；检测点CC2提供整车控制器VCU检测快充插头与车辆连接状态识别信号。充电机与BMS通信协作当车辆处于直流充电模式时，直流充电机（在直流充电桩内）与新能源汽车BMS进行通信，当通信连接确认无误后，BMS与直流充电机就电压、电流等参数进行交流。BMS将动力蓄电池的充电需求通知直流充电机，直流充电机又将供电需求通知BMS，当两者通电正常并且符合充电要求时，直流充电机启动并输出电能对动力蓄电池进行充电。当动力蓄电池充满以后，通过数据端口通知直流充电机，直流充电机停止输出电能同时停止计费。直流快充系统的充电过程直流快充系统工作电路图握手阶段按下充电枪枪头按键，插入车辆插座，再放开枪头按键。直流供电设备通过CC1通路检测充电枪插接状态，并提供低压辅助电源激活整车控制器VCU和电池管理系统BMS。BMS通过CC2回路确认枪头连接状态。监测点1的电压变化（12V→6V→4V）作为判断插接成功与否的依据。接入成功后，充电桩将锁定电子锁以防止枪头脱落，并开始周期性发送通信握手报文，闭合接触器K1、K2，输出绝缘检测电压，完成绝缘检测。若检测通过，K3、K4继电器闭合，桩输出12V低压唤醒整车VCU。直流快充系统的充电过程直流快充系统工作电路图在这一阶段，通信协议中定义的握手和辨识报文被依次发送：BMS向充电桩发送BHM（握手报文）：每250ms发送一次，提供最高允许充电总电压；BMS随后发送BRM（辨识报文）：提供电池及车辆识别信息；充电桩先发送SPN2560=0x00握手报文，当BMS收到后发送BRM，每隔250ms重复，直到桩返回SPN2560=0xAA，表示辨识成功。参数配置阶段握手完成后，充电机与