动力电池管理及维护技术（第3版）课件7.充电系统

动力电池管理及维护技术

第七讲：动力电池充电设施第七讲：动力电池充电设施充电站VS加油站3目录CONTENTS7.1电动汽车能量补给方式7.2电池充电特性及充电机7.3充电站布局与运行7.1电动汽车能量补给方式电动汽车电池能量消耗后的补给方式，主要有换电和充电两种。与电动汽车充电模式相比，更换电池具有时间快、电能补充速度快、自动化程度高等特点。电池更换站一般包括供配电系统、充电系统、换电系统、监控系统等部分，根据其主要服务的车辆类型和服务能力可划分为三类：第一类电池更换站指具备商用车和乘用车电池更换能力，并具备辐射本地区的电池配送功能；第二类电池更换站指具备商用车或乘用车电池更换能力，并具备一定的电池配送功能；第三类电池更换站指通过第一类、第二类电池更换站配送获得电池，具备乘用车电池更换能力。总体而言，电池更换站所要具备的核心功能就是为电动车辆进行电池箱的快速更换。1.换电模式7.1电动汽车能量补给方式1）换电设备换电系统的主要设备包括电池箱、电池架、换电机器人、堆垛机器人等。如图所示为电动汽车自动充换电站机器人正在工作的场景。1.换电模式7.1电动汽车能量补给方式2）换电方式和过程换电方式是指换电机器人、堆垛机器人、电池箱、电池架之间相互配合完成电池箱从电池架到电动汽车之间更换的方法和过程。换电过程包括两个动作，即把用过的电池箱从车上取下和将充好电的电池箱放进车上的指定位置。为发挥换电优势，换电时间应严格遵循相关技术规范，小型乘用车的换电时间不大于5min，大型公交车换电时间不大于10min。在换电方式和流程的设计中，应该充分考虑换电机器人的性能和换电流程的合理安排，将换电时间控制在规范要求以内。1.换电模式7.1电动汽车能量补给方式3）换电站建设针对电池更换站的大用电量、大谐波的特点，电池更换站规划布局应充分考虑其所在电网运行特点和容量。同时，电池更换站的布局应当充分考虑用户需求，参考成熟的加油网点的布局建设，科学合理地规划服务半径和服务能力。电池更换站应根据工艺布置、建设规模统筹规划，近远期结合，以近期为主。分期建设时，应根据发展需求，合理规划，分期或一次性征用土地。1.换电模式7.1电动汽车能量补给方式由于换电模式前期投资巨大，其电池安全性与责任界定困难，同时不同的电池标准导致换电运营商与汽车生产商合作困难。事实上，换电模式更适合于某些细分市场，如公共交通、物流车队等。但是对于主流的私家车市场，换电模式并不合适，因此现阶段电动汽车的能源补给方式以充电模式占优。2.充电模式7.1电动汽车能量补给方式1）充电设施电动汽车充电设施可以分为交流充电桩、直流充电桩两大类。2.充电模式电动汽车充电设施7.1电动汽车能量补给方式1）充电设施充电站充电设施一般包括供电系统、充电设备、监控系统、配套设施等，如图所示。2.充电模式充电站组成结构7.1电动汽车能量补给方式2）充电站建设根据功能、容量及充电设备的数量，电动汽车充电站的建设规模分为以下三类。（1）大型充电站。（2）中型充电站。（3）小型充电站。2.充电模式7.1电动汽车能量补给方式3）运营模式（1）国际主流运营模式分析目前国际上主流的充电桩运营模式有三种：第一种是以政府为中心的充电桩运营模式；第二种是以电网企业为中心的充电桩运营模式；第三种是以电动汽车生产商为中心的充电桩运营模式。三种模式各有利弊。2.充电模式7.1电动汽车能量补给方式以政府为中心的充电桩运营模式，顾名思义，就是说充电桩的建设经费主要来源于政府的投资，政府作为主持者，联系汽车生产商、电网企业、设备供应商来建设充电桩。此模式适用于电动汽车发展的初期阶段，对于运营经费较大的情况不适用。以电网企业为中心的充电桩运营模式中电动汽车充电桩的资金来源以电网企业为主。电网企业为整个建设过程中的负责主体，所建设的充电设施具有完全商业化的性质。适用于汽车商业化规模较大、有固定的充电用户的情况下，投资的渠道通畅。以汽车生产商为中心的充电桩运营模式中电动汽车充电桩建设的资金主要来源于汽车生产商。汽车生产商是建设中的主要负责主体。2.充电模式7.1电动汽车能量补给方式3）运营模式（2）我国充电桩运营模式的选择结合现状考虑，我国充电桩运营不能单单选择主流模式中的某一种，而是要相互结合。目前较为理想的为汽车生产商与电网企业的联盟模式。电网企业提供电力资源，汽车生产商拥有稳定的终端客户消费群体和相当丰富的经验，二者强强联手互补不足。此模式的核心思想为以客户需求为中心、市场需求为导向，核心企业与成员企业以合同的方式形成联盟。企业之间互相信任，有良好的合作意识，共同承担风险，共享收益。2.充电模式7.2电池充电特性及充电机电动汽车的充电机一般分为车载和非车载两种。车载充电机应尽可能做得体积小、质量轻，以减小充电机对续航里程的不良影响，主要用于小功率和充电时间长的场所。对于非车载充电机则没有体积和质量的限制，这类充电机主要用于大功率和快速充电的场所。带车载充电机的现代电动汽车也可以利用非车载充电机进行充电。在考量充电机之前，首先必须明白电动汽车蓄电池的充放电特性。事实上，蓄电池充电机的设计正是以电池的充电特性为基础。下面简要介绍三种常用的电动汽车蓄电池特性，分别为铅酸电池（Pb-Acid）、镍氢电池（Ni-MH）和锂离子电池（Li-Ion）。1.电池充电特性7.2电池充电特性及充电机1）铅酸电池铅酸电池一般在任何充电率下充电都不会产生过度的冒气、过电压或过热等现象。铅酸电池在充电初期可以用大电流充电，但当蓄电池基本达到满充时，充电电流必须限定在一个安全的范围内。目前电动汽车用铅酸电池广泛采用一种多步恒流的充电方式。这种方式的主要优点是、可以减少过充，并通过分步充电来提高系统的充电效率。1.电池充电特性铅酸电池的充电特性曲线及其多步充电法7.2电池充电特性及充电机2）镍氢电池镍氢电池一般采用恒流充电方式。由于镍氢电池对过充非常敏感，所以对充电电流必须加以限制以避免出现温升过快。镍氢电池在不同充电率下的典型充电特性曲线如图所示。1.电池充电特性镍氢电池的充电特性曲线和充电控制方法7.2电池充电特性及充电机3）锂离子电池锂离子电池充电方式有很多种，其中比较典型的锂离子电池充电方法是多步恒流充电方式。在充电的初始阶段，充电电流维持在一个额定的电流值，直到电池组中电池单体的电压都达到预定的电压值（一般是接近满充时的电压值），每个电池单体中安装的电子控制电路就会分流充电电流，以避免可能的过充，并激活下一个充电过程。接下来的充电过程采用较低的恒流进行充电，不断重复这个过程直到充电电流减小到预定的最小值，再使用最小充电电流充电一定的时间，整个充电过程就可以结束。1.电池充电特性7.2电池充电特性及充电机1）电源系统构成和功用电动汽车整车电源系统负责车辆的能量供应，要理解电池的充电，必须将之放置在整车电路中进行分析。如所示为比亚迪汉纯电动汽车的整车高压系统电路框图，从系统框图中可以看出，电池有两种充电方式（直流充电和交流充电），通过充配电总成和充电设备相连接。2.整车电源系统比亚迪汉纯电动汽车整车高压电气系统电路框图7.2电池充电特性及充电机纯电动汽车电源系统由动力电池、低压电源、高压电缆、充配电系统、电池管理系统、电池热管理系统等几个部分组成。比亚迪汉EV电源系统安装位置如图所示。2.整车电源系统比亚迪汉EV电源系统结构图7.2电池充电特性及充电机电动汽车电源系统的功用有：（1）电动汽车起动时，电源系统向电机及其他电气设备供电：（2）当动力电池电压高或低于设定的电动势时，电源管理系统会切断动力电池同时发出警告：（3）当动力电池断路或损坏时，电源管理系统会切断动力电池以保护乘员的人身安全：（4）能吸收整车电气系统电路中出现的瞬时过电压，稳定电网电压，保护电子元件不被损坏：另外，对电子控制系统来说，电源系统也是电子控制装置内的不间断电源。2.整车电源系统7.2电池充电特性及充电机2）重要部件介绍下面分别介绍比亚迪汉电源系统各主要部分的组成及结构原理。（1）动力电池。比亚迪汉EV某款动力电池包采用单体容量为150A·h的磷酸铁锂电池串联而成，其单体电压为3.2V；电池包内部含正极接触器、负极接触器、预充接触器、预充电阻、采样线束和连接铜排等。2.整车电源系统比亚迪汉EV电池包结构示意图7.2电池充电特性及充电机（2）低压电源。比亚迪汉低压电源是由车载12V起动电池和DC-DC变换器（集成于充配电总成内）并联提供的，DC-DC变换器替代了传统燃油车挂接在发动机上的12V发电机，和起动电池并联给各用电器提供低压电源。2.整车电源系统比亚迪汉EV低压电源连接结构示意图7.2电池充电特性及充电机2.整车电源系统（3）充配电系统。充配电总成，全称为双向充配电总成，源于车辆高度集成化的设计，其内部集成双向车载充电机模块、DC-DC变换器模块和高压配电模块。其主要功能如下：实现交流充放电功能（车载充电机）；实现将高压直流电转化为低压直流电，为整车低压电器系统供电（DC-DC变换器）；实现整车高压回路配电功能（高压配电）；实现CAN通信、故障处理记录、在线CAN烧写以及自检等功能。比亚迪汉EV充配电总成内部结构7.2电池充电特性及充电机2.整车电源系统（4）高压电缆。高压电缆是电动汽车特有的专用电缆，它包括高压电缆和高压电缆专用接口。其功能是保证能传输大电流、高电压，同时又能满足电缆散热性能、绝缘性能。（5）电池管理系统。电池管理系统是保障电动汽车能量输出的重要组成部分，比亚迪汉采用分布式电池管理系统，由电池管理控制器（BMC）、电池信息采集器（BIC）、电池采样线组成。电池管理控制器安装于动力电池内部，电池信息采集器及电池采样线安装于电池包内部7.2电池充电特性及充电机2.整车电源系统（6）电池热管理系统。在热管理方式上，比亚迪汉在电池内采用了直冷板，通过管路与热泵空调回路相连，对电池系统直接冷却或加热，提高热管理系统的能效。电池内部布有温度传感器，结合电池温度实时调节空调压缩机的转速来控制冷媒压力，以此来控制电池温度在适宜工作温度。电池包冷却管路直冷板冷却器电动汽车热泵原理7.2电池充电特性及充电机1）功能与分类充电机是与交流电网连接，为动力电池等可充电的储能系统提供直流电能的设备。一般可由功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等部分组成。可实现充电、计量等功能，并扩展具有反接、过载、短路、过热等多重保护功能，以及延时起动、软起动、断电记忆自起动等功能。充电机技术涉及两个方面：①充电机的集成和控制技术，主要是通过研究充电过程对电池使用寿命、温度、安全性等方面的影响，选择合理的拓扑结构，采取合适的充电方式，实现充电过程的动态优化及智能化控制，从而实现最优充电；②充电监控技术，主要是规范充电机和充电站监控系统之间的通信协议，实现对多台充电机状态和充电过程的实时监控，并达到和其他监控系统、运营收费系统通信的功能。3.电池充电机7.2电池充电特性及充电机根据充电机是装在车内还是车外，充电机可分为车载和非车载两种。电动汽车充电机类型见表，根据给电动汽车动力电池充电时连接方式的不同，充电机可分为接触式和非接触式。3.电池充电机7.2电池充电特性及充电机2）充电连接方式（1）传导式充电传导式充电即接触式充电，是采用插头与插座的金属直接接触来充电，具有技术成熟、工艺简单和成本低廉的优点，如图所示，这也是目前绝大多数电动汽车所采用的充电方式。这种方式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。对于传导式充电，目前国内常采用的充电电源主要有相控电源、线性电源和开关电源。3.电池充电机7.2电池充电特性及充电机（2）感应式充电感应式充电即非接触式充电，充电装置和汽车接收装置之间不采用直接电接触方式，而是采用分离的高频变压器组合而成，通过感应耦合，无接触式地传输能量。采用感应耦合方式充电，可以避免接触式充电的缺陷。非接触式充电装置的类型主要分为三种：电池感应式方式、磁共振方式和微波方式。如图所示电动汽车即采用了感应式无线充电技术。3.电池充电机7.2电池充电特性及充电机3）充电电流类型根据充电电流类型，充电设备分为交流充电机和直流充电桩。3.电池充电机项目交流慢充直流快充优点充电装置和安装成本较低

可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本，保证充电时段电压相对稳定充电时间短，便利性好缺点充电时间长，难以满足车辆紧急运行的需求充电效率较低，充电装置安装成本和工作成本高充电电流大，对充电技术和方法要求高，对电池寿命有较大影响7.2电池充电特性及充电机4）充电机性能要求为实现安全、可靠、高效的动力电池组充电，充电机需要达到如下的基本性能要求。（1）安全性。（2）易用性。（3）经济性。（4）高效性。（5）对电网的低污染性。3.电池充电机7.2电池充电特性及充电机5）充电机操作步骤下面以比亚迪汉纯电动汽车充电机为例介绍充电机操作步骤。（1）将电动汽车停到指定位置，并将电动汽车挡位置于“OFF”挡。（2）打开车身上充电接口外盖，拔下充电接口堵盖，检查充电接口，确保充电接口无尘、无水、无异物（如图所示）。3.电池充电机比亚迪汉充电接口开启示意图7.2电池充电特性及充电机（3）将充电枪从充电盒正面的插座上取下（国标枪需要按住充电枪轻触开关按钮）。（4）连接充电枪与电动汽车充电接口，连接指示灯（connect）点亮（指示灯见图）。（5）插好充电枪，连接指示灯（connect）点亮后：触摸屏进入请刷卡界面，在此界面用户可以通过“语言”按钮选择不同的显示语言，如图所示。3.电池充电机充电盒指示灯选择显示语言界面7.2电池充电特性及充电机（6）如果是刷卡用户，则须进行刷卡才能对电动汽车进行充电，刷卡后，系统进入启动界面，充电盒与电动汽车进行通信。如果希望使用按钮充电功能，则需在界面上单击“启动充电”按钮，系统即进入启动界面，如图所示。3.电池充电机启动充电过程界面7.2电池充电特性及充电机（7）完成上述选择后，充电盒开始为电动汽车充电。在充电过程中，充电界面的SOC进度条闪烁，充电指示灯（charging）闪烁，如左图所示。（8）当充电完成时，充电盒自动停止充电，SOC显示为100%，如右图所示，此时完成指示灯（complete）闪烁。3.电池充电机电池充电界面完成充电界面7.2电池充电特性及充电机（9）将充电枪从充电接口中拔出（国标枪需要按住充电枪轻触开关按钮），此时，触摸屏显示“谢谢使用”界面，待3s后触摸屏背景灯熄灭进入休眠状态。（10）将充电枪放回充电盒插座内，盖上电动汽车充电接口的堵盖及外盖，完成此次充电操作。如果在充电过程中需要停止充电，请再次刷卡或点击屏幕上的停止充电按钮。注意充电盒的启停控制需要使用同一张卡，启动充电和停止充电时必须使用同一张卡进行刷卡，刷卡启动后其他卡无法对充电盒进行操作，管理员卡除外。3.电池充电机7.3充电站布局与运行充电站（chargestation）主要是指快速高效、经济安全地为各种电动车辆提供运行中所需电能的服务性基础设施。为提高车辆的使用效率和使用方便性，充换电结合的充电站还要建设换电设施1.充电站布局7.3充电站布局与运行充电站的主要功能决定了其总体布局。一般来说，一个功能完备的充电站由配电区、充电区、监控区、更换电池区和电池维护区等五个基本部分组成（后两个部分为换电站特有），如图所示。1.充电站布局充电站布局7.3充电站布局与运行1）配电区配电区为充电站提供所需要的电源，不仅给充电机提供电能，而且要满足照明、控制设备的需要，内部建有变配电所有设备、配电监控系统，相关的控制和补偿设备也需要加以考虑。配电区是整个充电站正常运行的基础。2）充电区充电区完成动力电池组电能的补给，是整个充电