新能源汽车充电系统及控制策略

通常而言，新能源汽车的全车充电网络根据功能划分可分为慢充系统、快充系统以及低压充电系统三部分，其整体架构可如下图所示：

图1 新能源汽车充电系统架构在上图示意的架构中，主要由高压网络、低压网络以及通信网络组成。其中快充高压网络是由动力电池经由PDU通过快充接口与外部直流充电桩相连接的，慢充高压网络是通过OBC将外部交流慢充桩的交流电转换为动力电池所需的直流电以实现对动力电池的充电，而在低压充电网络上，是通过DC/DC将动力电池的高压电转换为12V/24V进而为蓄电池充电的。由于低压蓄电池的存在，为如BMS、VCU、仪表等用电器提供了可用电源，这些控制节点在系统工作时，通过硬线信号或报文指令信号对OBC及DC/DC实现相关控制，且在其工作的全过程中通过CAN信号实现信息的交互，对充放电过程进行监控并动态调整充放电过程的电压、电流等参数以确保其过程的安全稳定。为了进一步了解系统工作原理，现将完整充电系统按功能分解并依次介绍。1）低压充电系统：其工作原理是当VCU检测到低压电源低于某一阈值时，将通过硬线信号控制DC/DC使能，进而由DC/DC为蓄电池充电。此功能的实现前提是需要高压电的存在，而根据新能源汽车上下电流程，当未接入充电桩时，整车若实现正常上高压则此时车辆将处于Ready或运行状态，因此对于蓄电池的补能，通常情况是在车辆运行过程中实现的。这也是为什么当车辆蓄电池出现馈电后，只要让车子处于启动状态蓄电池就会自行充满电的原因所在。其架构简图如下。

图2 低压充电系统示意图2）加热回路：由于动力电池的温度对充电效率有直接影响，因此在低温环境下使用充电设备为新能源汽车充电时，系统首先通过闭合主负极继电器和加热继电器让电池内部形成加热回路以供电芯的加热使用，待电池温度达到适宜后，再执行充电任务。在下图所示的以PTC作为电池内部加热回路的架构中，其能源是由外部充电设置直接提供的，因此在充电的过程中由于加热回路会损耗部分能源，这也就导致了低温环境下充电功率低的原因之一。而在那些集成度高的热管理系统中，可通过其他回路的余热为电池提供加热辅助，这种情况下将提高系统的充电效率。

图3 低温下充电系统为电池加热提供能源3）慢充系统：使用交流慢充桩为新能源汽车充电时，其典型电气架构如下图所示：

图4 OBC输入电气示意图其工作的大体流程是，当充电枪接入汽车后，OBC通过检测点对电压及PWM信号的检测以判断充电枪的完全连接。在OBC确认完全连接后，向BMS发送充电请求信号，BMS通过对动力电池状态进行检测后向OBC反馈并在相应阶段执行系统高压上下电流程，OBC通过检测其输出端的电压值，在满足充电要求后则开始正式工作。车端各节点的交互流程可参考下图示意：

图5 慢充系统控制节点交互流程在系统的慢充过程中，控制节点的低压电源供电来源于OBC，架构如下图所示：

图6 慢充系统电气架构示意4）快充系统：通过直流快充桩为车辆充电，其典型接口如下图所示：

图7 直流充电接口连接界面快充系统的工作原理与慢充类似，但由于其过程无需OBC的参与，因此对于低压控制节点的供电是由外部直流充电桩所提供，其系统示意如下：

图8 快充系统电气架构示意在快充系统工作过程中原本如慢充方式下由OBC与充电桩、OBC与BMS之间的交互内容将交由BMS负责完成，由于控制过程中控制节点的减少，让控制系统变得更加简洁且高效。但无论是采用快充还是慢充方式，为了在确保安全的前提下加快动力电池的充电速度，在充电策略中通常采用先恒流再恒压的充电方式，即在不同温度条件下，通过恒定电流为动力电池充电，当动力电池的总电压或某一单体电压达到设定阈值后，再转由恒压方式充电。其过程可视为三个阶段，即开始时的预充阶段，该阶段通过小电流为电芯充电，其目的是加热与稳定电芯特性以起到保护电芯的作用。第二阶段便是大电流恒流充电阶段，此阶段也是主要的充电过程，通常情况下此时的动力电池SOC所处的区间大都在20%-80%之间。而随着SOC值的提升，电池总电压也趋于某阈值，此时便进入了第三阶段，即恒压充电阶段，通过变换充电方式以较小电流恒定电压为动力电池充电，以防止电芯的电压过高进而确保其安全性，整体充电过程可如下图所示：

图9 动力电池常见充电模型