新能源汽车的充电

内容包括新能源汽车的电池包介绍，铅酸电池如何在化学能与电能间转换，充电设备概述，结合电路详述新能源汽车的交流与直流充电等。持续更新，原创不易！

一、新能源汽车的电池包

1、电动汽车电池包的组成

电动汽车的电池包主要由电池单体、模组构成。

电池单体指的是单个独立的锂电池，将多个电池单体组合在一起就成了模组，再把多个模组组合起来最终构成电池包。

不过这里有个特例，那就是比亚迪的刀片电池，由于特殊的设计，电池单体通过竖立叠放就可以直接跳过模组去组成电池包。

2、电池为什么要串联

串联是为了提高电压。

因为化学电池的本质是靠化学反应释放电能，而化学反应的激烈程度决定了电池的放电电压。一般锂电池内部化学反应释放的电压在3.7伏左右，哪怕你把单个锂电池做成游泳池那么大，其化学反应的本质没变，所以电压仍然是3.7伏，只是反应介质数量多了，反应持续时间长了，表现出来的结果就是电池容量大了。

而3.7伏的电压明显无法驱动汽车电动机正常运行，所以就需要把多个电池串联起来提高电压，这样才能满足电动机的需求。这也刚好解释了为什么新能源车电池包不能做成一整块大电池，因为做成一整块电池的话容量是绰绰有余，但是电压不够。

3、电池为什么要并联

电池并联是为了提高容量。

因为目前的锂电池单块容量都不是很大，如果只串联的话虽然电压足够了，但是容量非常小，汽车根本跑不远。而并联后电池的容量就增加了一倍。比如两个12伏100安时的电瓶并联后就是12伏200安时，容量增加了一倍。

为了让大家更直观地了解电池包的串并联原理，我们就以日产聆风的电池包来举个例子。

这款电池包电压为360伏，容量为21千瓦时，内部拥有192个电池单体。现在来看看这些电池单体是如何组成一个电池包的。

首先厂家用4块3.8伏，30Ah的软包锂电池单体组成一个模组，两两串联后再并联，得到一个7.6伏，60安时的电池模组，又被称为电芯组。

然后将48个模组串联起来就得到了一个360伏，60安时的电池包。电池包以1安电流放电，可持续60小时，根据公式P=U·I可以算出来电池包功率为0.36千瓦。也就是说电池包可以以0.36千瓦的功率持续放电60小时，再根据公式W=PT可以算出来电池包可容纳的电量为0.36×60=21.6千瓦时，与官方参数吻合，也就是能储存21.6度电。

4、电芯组完整构成以及在整车的位置

1）电芯组完整构成

2）在整车的位置

5、目前新能源车电池的介绍与比较

钴酸锂电池核心优点是容量密度大，缺点是稳定性不够。最合适3C领域，特斯拉敢于使用此类电池也是未来得到超强的续航能力，但是同时其安全性能要打些折扣。

锰酸锂电池是目前主流动力电池，优点是能量密度中等、价格最便宜、寿命一般、安全环保、无专利限制。日韩系的锰酸锂电池技术领先全球。虽然其能量密度不如钴酸锂和三元锂，但其他综合性能相当出色。

磷酸铁锂电池最大优势是稳定性好、寿命长，缺点是比能量低、一致性差。安全性能和寿命这两个关键指标都是顶尖的。

三元锂电池指正极材料使用镍钴锰三种按一定比例混合搭配，能量密度可达最高，安全性差，但优于钴酸锂。

二、充电设备概述

1、充电接口介绍

一般都设有两个充电口，一个交流口7孔（俗称慢充），一个直流口9孔（俗称快充）交流充电桩本身不给电池充电，而是给车载充电机供电，车载充电机把交流电整流成高压直流电给电池充电，最大充电功率取决于车载充电机功率大小，车载充电机输入端是家庭电网的单相电，额定输入电压220V。

图1.1.1 ​车辆插头触头布置图

图1.1.2 ​​车辆插座触头布置图

图1.1.3 ​车辆插座实物图

图1.1.4 ​车辆插头实物图

根据汽车行业标准QCT895规定，车载充电机额定输入电流分10A、16A和32A三挡，这三挡的额定输入功率是2.2kW、3.52kW和7.04kW。

考虑到损耗等原因输出功率不可能大于输入功率，而且国家规定了相应的功率因数和充电效率，所以市面上最常用的车载充电机功率一般为1.5kW、3.3kW和6.6kW。

2、充电设备概述

电动汽车充电设备一般分为慢充控制盒、充电桩、车载充电机OBC，充电桩又分为交流充电桩与直流充电桩两种。

1）慢充控制盒

用于家庭用途，便携式，可以插入插座后马上使用，相对比较方便，即一般说的随车充。

充电枪与车辆的慢充口连接，慢充控制盒的交流电通过慢充线束及车载充电机，将交流电转变为高压直流电，经过高压控制盒、线束为动力电池充电。同时，高压直流电还通过高压控制盒转换器给低压蓄电池充电。通过交流口七孔充电。如下图所示。

图1.2.1 ​连接

图1.2.2 慢充控制盒实物

2）交流充电桩

将家用220V交流电，通过充电桩->线束->充电枪连接至车辆7孔交流口，再通过线束输入至车载充电机。由车载充电机将交流电转化为直流电输入至车辆电池。

图1.2.3 地下停车位安装

图1.2.4 公共场所安装

3）直流充电桩

直接输出直流电，通过充电枪连接至车辆9孔直流口，再通过线束直接输入至车辆电池，不经过车载充电机的转化(相当于充电机外置)。由于直接对支持快充的动力电池进行充电，故可以进行大电流充电，其输出功率可达几十千瓦到几百千瓦。

图1.2.5 公共场所安装

4）车载充电机OBC

电动汽车OBC（On-board charger）是为汽车动力电池充电的电力电子装置，即车载充电机。随车充其实就是一个受控开关（内部是继电器），输入输出皆为市电AC220V，通过交流充电枪与电动汽车内的OBC连接，一般具备交流过流保护、过温保护等。

图1.2.6

二、交流充电的介绍

1、功能描述

1）控制项 启停控制、电能计量、人机交互、急停控制

2）保护项 漏电保护、浪涌保护、过压保护、过温保护、短路保护

2、充电模式与连接方式

1）充电模式2连接方式B

模式2充电系统使用标准插座，能力传输过程中采用单向交流供电。电源侧使用符合GN2099.1和GB1002要求的16A插头插座时输出不能超过13A；电源侧使用符合GN2099.1和GB1002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、中性线和保护接地导线，并采用缆上控制与保护装置(IC-CPD即慢充控制盒或随车充)连接电源与充电汽车。

从标准插座到电动汽车，应提供保护接地导体，应具备剩余电流保护和过流保护功能。

这种方式功率小，一般用于慢充控制盒。

2）充电模式3连接方式C

模式3应用与连接到交流电网的供电设备，将电动汽车与交流电网连接起来的情况，并且在电动汽车供电设备上安装了专用的保护装置。

每个供电插座有独立的保护装置，并且能独立运行控制引导功能，具备剩余电流保护功能。

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，应使用连接方式C。

从图示上可看出，交流充电枪的枪头里有7根线，分别为三相交流输入L1/L2/L3和中性线N、PE、CC(Connect Confirm Function连接确认功能)和CP(Control Pilot Function控制导引功能)。现在绝大多数是单相交流桩，三相交流输入只有一相，所以图示用虚线表示了L2、L3。

图示中，将交流桩里面负责握手的电路叫“供电控制引导装置”，车辆端的叫“车辆控制装置”。交流桩其实只有一个电路板，“供电控制引导装置”只是交流桩电路板上部分电路单元。 “车辆控制装置”，前期车企是通过车辆控制器VCU或电池管理系统(BMS)实现的，现在慢慢都从车企转移给OBC供应商来解决，被集成到OBC中。 我们通常把它称之为CC/CP电路板。

握手信号包括确认插枪物理连接的CC信号和充电引导的CP信号。充电枪枪头内有电阻R4、RC和机械开关S3。 S3就是用户可以手按的常闭机械开关。按下表示S3断开，松开表示S3闭合。

充电枪插到车辆的慢充枪座后，车辆控制装置(CC/CP电路板)通过检测检测点3处的CC阻值来确认充电枪的连接状态。 连接状态被区分为“完全连接、半连接、未连接”。在“完全连接”状态下，车辆控制装置通过检测点3与PE之间的阻值来确认当前充电连接装置(电缆)的额定容量，如下图所示。

交流桩通过图示检测点1处的电平值来确认充电枪是否连接完好。 在初始状态下，S1接通12V。 插枪成功后，车辆端的R1和交流桩里面的R3分压，检测点1处电平值由12V变为9V(有效范围为8.2V~9V)电平后，交流桩将S1切换到PWM状态。附录的标称值为：R1阻值1kΩ，R3阻值2.74kΩ。计算可得12V*R3/(R1+R3)=8.79V。

CC/CP电路板通过检测点2的PWM占空比来确定当前供电设备的最大供电电流：

当充电条件满足后，CC/CP电路闭合S2，车辆端的R2和R3并联，再和交流桩里面的R1串联，通过12V分压，检测电1的PWM电平由9V变成6V。交流桩收到“6V”PWM信号闭合K1和K2。通俗地说，这时候电网开始给交流桩供电。 充电过程中，CC/CP电路实时检测CP占空比是否正常。

3、交流充电原理

1）概述

所述图纸参看：图A.3 充电模式3连接方式C控制导引电路原理图。

①在充电线缆没有插入车辆时，此时慢充口CC处的电压为12V或5V，此时CP处没有电压。

②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。

③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，进而知道充电连接装置(电缆)的额定容量。

④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。

⑤当检测到电压为9V以后，S1开关从12V切换到PWM信号连接，此时监测点1和2会出现一个从9V变化到-12V的占空比信号，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。

⑥CP信号稳定在6V以后，必须反馈给供电设备，供电设备检测到6V后闭合K1和K2继电器，交流电通过车辆充电口输入到充电机进行充电。

2）原理详述

供电插头插入供电设备时，PWM此时输入一个低电平。同时5V电压接通回路，光敏二极管发光，12V电压回路接通，给T1提供一个正向偏置电压，上面的12.5V通过T1导通集电极及发射极，向CP输出。CP输出侧的电压为12V高电平。

连接充电枪之后，此时CP侧输出9V的电压，证明充电枪已经连接上。PWM侧开始输送一个0~5V的占空比信号，当输送5V时光敏三极管不导通，T1不导通，但是T2开始导通，-12.5V的电压通过T2输出到CP得到-12V到9V的占空比信号，直到S2开关导通变成6V。此时充电设备检测到6V的电压，CPU便可以控制继电器进行充电。

交流充电连接控制时序图：

4、输出功率

输出16A电流： 220V*16A=3.5kW，三相都接入3.5kW*3=11kW；

输出32A电流： 220V*32A=7kW，三相都接入7kW*3=21kW。

四、直流充电的介绍

1、功能描述

依据电池管理系统BMS提供的数据，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。

可通过高速CAN网络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，接受启动充电或停止充电控制命令。

可手动一键启停充电。

完备的安全防护：交流输入过欠压保护；交流输入过流保护；直流输出过流保护；直流输出短路保护；输出软启动功能，防止电流冲击；防雷保护；内部电路过温、低温保护；接地保护。

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，自动根据BMS的电池信息动态调整充电电流。

自动判断充电连接器、充电电缆是否正确连接。当充电机和电池正确连接后，它才能允许启动充电过程；当充电机检测到与电池连接不正常时，立即停止充电。

高压互锁功能，当有危害人身安全的高电压时，模块锁定无输出，具有阻燃功能。

2、工作原理

充电机由整流电路、调整控制及保护电路、功率因数校正网络、辅助电路、充电机控制管理单元CPU、人机接口单元、远程通信单元、电能计量单元等部分组成。

图3.2.1

输入接口，7个Pin口，三类连接，包括高压电源连接、高压中性线、车辆底盘地、低压信号的充电连接确认和控制确认。标准的输入接口采用工频单相输入220V电压。但如果功率需要，也可以启用两个备用Pin口（Pin口NC1、NC2），可以实现380V输入。

控制单元，采样输出电流和电压，经过处理后将实时值传递给PID（一种闭环自动控制技术，是比例、积分、微分控制器的简称）控制回路，由控制器比较测量值与期望值之间的差距，再将调节要求传递给PWM回路（PWM脉冲宽度调制技术），用脉冲宽度变化去控制高压回路中功率器件的开闭时间的长短，最终实现输出电流和电压尽量接近于主控系统要求的数值。

低压辅助单元，是一个标准低压电源，输出电压12V或者24V，用于充电期间，给电动汽车上的用电器供电，比如电池管理系统、热管理系统、汽车仪表等。

功率单元，一般包括输入整流，逆变电路和输出整流3个部分，将输入的工频交流电转化成适合动力电池系统能够接受的适当电压的直流电。

输出端口，包括低压辅助电源正负极两个Pin口，高压充电回路正负极两个Pin口，底盘地，通讯线CANH和CANL（还可以有CAN屏蔽），充电请求信号线。其中，高压连个Pin口与电池包相连；充电请求信号线用于，充电机的输入端口与外部电源之间完成充电连接确认以后，通过“充电请求信号”线向车辆控制器发送充电请求信号，同时或延时一小段时间后，用低压辅助电源给整车供电。

OBC里面包括单片机1和单片机2、DSP。 有的厂家方案只有一个单片机，CC/CP部分直接用DSP实现。交流桩的ARM控制K1、K2，S1。单片机1控制K3。单片机2控制S2。DSP控制K4。BMS控制PDU里面的K5，K6和动力电池包里面的K7。K5表示预充接触器，K6表示慢充接触器，K7表示动力电池总负接触器。

图3.2.2

​目前绝大多数的车载充电机都采用智能化的工作方式给动力电池充电，这直接关系着动力电池的寿命和充放电过程中的安全性。作为电动汽车最核心的动力电池，它是一个由多个单体电池封装成的电池组，虽然通过单体电池的电流相同，但是放电的深度会有所不同，深度放电是对电池的一种损耗；并且如果深度放电后的电池还被按照常规的电流值充电，则是对电池的进一步损耗。因此，BMS电池管理系统是电动汽车的一个重要部分，实现对动力电池电压及剩余容量（SOC）等数据的监控和管理。下图中简单表示了车载充电机和BMS电池管理系统之间工作流程。可见，当车载充电机接上交流电后，并不是立刻将电能输出给电池，而是通过BMS电池管理系统首先对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。

控制导引电路原理图：

3、充电模式与连接方式

采用充电模式4＋连接方式C。 充电模式4：将电动汽车和交流电网连接时，使用和供电设备永久连接在一起的充电电缆和车辆插头。仅连接方式C适用于模式4。 下图的场景属于直流充电，它只能用这种连接方式，普遍可以在运营的充电站、公用充电桩看到。充电插头为9孔插头，与交流充电的7孔插头不同；直流充电的充电速度很快，国标中要求充电电流最大到250A，电压最高到1000V。

图3.3.1

4、DC充电原理概述

充电线缆未插入车辆充电插座之前，充电桩内的U1电源提供12V或者5V的电源（以12V为例），通过电阻R1、R2以及开关S导通接地。此时CC1处以及检测点1的电压为6V。

充电线缆插入车辆充电插座之后，线缆和车座CC1连接，电路并联金一个R4电阻（R2和R4并联），此时的电路总电阻变成500欧姆，检测点1的电压为4V。充电桩认为充电线缆已经连接上。连接上后就会控制电子锁开始上锁。上锁后充电桩控制K3、K4闭合，开始给辅助电源供电，对BMS进行唤醒。

BMS唤醒之后，U2提供一个12V的电源，通过电阻R5、R3串联后入地构成回路。此时检测点2的电压为6V。一旦检测到6V的电压即认为充电线缆与插座连接好。然后BMS开始通过CAN线与充电桩进行通讯握手。如果兼容的话，充电桩会告知BMS输入多大的电压和电流，BMS知晓后同样进行自检具备充电条件后告知充电桩进行充电。此时充电桩控制K1、K2吸合，开始供电。同时BMS会控制快充继电器K5、K6吸合，进行充电。

当要进行拔枪的时候，会按下枪上的锁止按钮即开关S，S断开后检测点1的电压由于R2电阻回路断开，U1电压直接经过R4接地，从4v变成了6V，此时充电桩检测到电压变化就认为你有拔枪的意图，这时会在拔枪之前切断K1、K2，停止供电。这样在拔枪的时候才能避免产生电弧。充电枪与充电插座高低不平，耦合的顺序不同，就是为了在拔枪的时候确认信号线先断开，充电桩提前停止供电。

DC充电时序图

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