电动汽车充电方式的探讨
教授级高级工程师 李保成 溧阳市华元电源设备厂总工 李杏元
摘 要：本文旨在论述电动汽车的动力电池组应当如何正确地去进行充电，才能保证电池良好的使用性能、使用安全和使用寿命，降低电池的使用成本。论述：1）动力电池组的充电要求；2）充电器； 3）电池管理系统(BMS)；4) 电动汽车的充电方式。本文还介绍了溧阳市华元电源设备厂获得国家发明专利的高频开关电源充电器的基本特点。 关键词：电池充电，充电器，充电方式
Abstract：The purpose of this paper is to discuss how to charge for EV Battery pack to improve the quality
and efficiency of the battery pack. The contents of the paper are mainly as following: 1）The charge requirements of battery pack； 2) The charger for battery pack；3) Battery Management System(BMS)； 4) The charging mode for EV.And the characteristic of charger for EV madding in Liyang Huayan Porwer Equipment Manufactory that access to patented technology.
Keywords：Battery charge, charger, charging mode.
随着以蓄电池为动力的电动车辆不断面世并逐步走向市场，能否解决好这些车辆的动力电池的充电问题，已经成为这类新能源车辆能否推广应用的关键之一。
为此，我们提出了电动汽车充电方法的探讨。 (一) 动力电池组的充电要求
充电模式采用“限流、限压”两阶段充电模式。充电开始阶段，一般采用最佳充电倍率(锂离子电池为0.3CA)进行限流充电。在这一阶段，由于电池的电动势较低，即使电池充电电压不高，电池的充电流也会很大，必须对充电电流加以限制。所以，这一阶段的充电叫 “限流”充电，充电电流保持在限流值。随着充电的延续，电池电动势不断上升，电池的充电压也不断上升。当电池电压上升到允许的最高充电电压时，保持恒压充电。在这一阶段，由于电池电动势还在不断上升，而充电电压又保持不变，所以电池的充电流呈双曲线趋势不断下降，一直下降到零。但在实际充电过程中，当充电电流减小到0.015CA时就可停止充电。这一阶段的充电叫恒“恒压”充电，这一阶段的充电电压：U=E+IR=恒压值。 充电过程及充电电压、电流的变化如下图所示。
这是锂离子动力电池组对充电模式的基本要求。
此外，充电系统还必须具有自动调节充电参数、自动控制和自动保护功能：
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1) 自动调节充电参数
在充电过程中，充电系统必须能根据电池组的状态、电池管理系统(BMS)输出的信息和整车监控输出的信息，自动调节充电参数和自动控制充电。
例如，在充电时，尤其在恒压充电阶段，如果电池组中有某一个单体电池的充电电压超过允许的充 电电压(根据不同锂电池的特性一般设定为3.9V～4.3V之间)时，充电系统应会根据电池管理系统(BMS)输出的信号，自动减小充电电压和电流，使该电池的充电电压不超过允许的充电电压，防止该电池过压充电。
又如，在充电开始时，经电池管理系统(BMS)监测到有某一个单体电池的电压过低，充电系统应能自动改小初始充电电流，待电池的电压正常后，再转入正常充电。 2) 自动控制和自动保护功能
在充电过程中，电池组和电动车发生任何不正常情况时，如电池组短路、断路、高温、起火和有电池损坏时，充电系统应能迅速切断电源，停止充电。 3) 与整车CAN总线通信
在充电过程中，充电系统的信息可与整车CAN总线通信。
(二) 充电设备——充电器
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根据电池的充电特性和电动汽车动力电池组的充电要求，常用充电设备——充电器，可分为直流充电器和脉冲充电器两类。直流充电器就是把电网电源经过整流滤波后，并经一系列调控后，输出DC电源，供给动力电池组进行充电。
目前使用最多的直流充电器是高频开关电源充电器。它具有体积小，重量轻，工作可靠，效率高，功率因数高、不怕电网波动和不造成电网波动、既不怕电网干扰又不干扰电网、功率可小可大，容易实现智能化等优点。特别适合做小功率到大功率、特大功率的高频开关电源充电器。溧阳市华元电源设备厂获得国家发明专利的高频开关电源，就是这样的电源。该开关电源充电器采用模块化设计方案，可以通过模块的串联，做成高压充电器；也可以通过模块的并联，做成大电流充电器；还可以通过模块的串联和并联，做成高电压、大电流的大功率充电器。该开关电源充电器还具有根据电池管理系统(BMS)的信息，自动调节充电参数和自动保护电池的功能。溧阳市华元电源设备厂应用自主发明专利生产的节能型高频开关充电机,无论单台或并联充电,均能按被充电池的实际要求设置最高充电电压和电流,在充电中能根据电池的变化,自动调整投入功率,使充电机效率始终保持最高状态.
采用可控硅作整流控制元件的工频充电器，是早期使用最多的充电器。但它必须配置一个庞大而笨重的工频变压器。而且效率低、功率因数低、容易对电网造成污染。现在还有人使用和设计这类充电器。不过，它必然被性能更加优异的高频开关电源充电器所代替。
脉冲充电可以减少电池在充电时产生的极化现象，从而提高电池的充电效率，减少充电时间，实现快速充电。但这种脉冲充电器，结构比较复朵，技术难度较大，充电参数的设定还没有成熟的理论和试验依据。所以，脉冲充电方法还有待继续研究。
(三)充电设备-电池管理系统(BMS)
电池管理系统(BMS)是电池在充电过程中必不可少的设备。
电池管理系统(BMS)的主要作用是实时监测电池组在充电过程中每一个单体电池的电压、温度和电池组的电流，经过处理、比较，输出报警、调控信息，并显示电池组和每一个单体电池的实时的和历史的资信。电池管理系统(BMS)是保证电池安全的充好电的重要保障。
电池组在充电过程中之所以容易发生问题，主要是由于电池的一致性误差过大引起的。为此，近十几年来，国内外的许多专家学者，广大蓄电池的制造者和使用者，都大力开展了旨在解决电池一致性误差所带来危害的研究，开发出了各种各样的电池管理系统(BMS)，强烈地提出了对电池进行均衡的要求，并采用了各种各样的方法来进行电池的均衡。如分流法、切断法、并联法、能量回收法、辅助充电法、单充法?
但是，从理论分析和实际的使用效果看，很少有令人满意的结果。这并不是由于电子技术存在问题，
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而是由于对电池管理系统(BMS)的理念和电池管理策略存在问题。
为此，我们必须按照科学的理念，采用有效的策略设计电池管理系统(BMS)。推荐的方法就是：管两头、带中间、自动均衡。具体说就是：
在充、放电和停车时，全天候的实时监测每个单体电池的电压、温度和电池组的电流，根据电池的使用性能和使用条件设定最高充电电压、最低放电电压、最高和最低使用温度、最大电流的门限值，当某一个电池的电压、温度、电池组电流超限时，就启动调控和报警功能。一方面，保证任何一个单体电池都不会超限工作，这就叫做“管两头”。 另一方面，保证在稍小的充电电流下继续充电，一直到充电总电压和最小充电流达到设定值时，充电结束。这就叫做“带中间”。 电池的均衡充电是在调控的充电过程中自动进行的。
(四) 电动汽车的充电方式
电动汽车充电时间长，充电难是电动汽车推广应用的一个难题。
按最佳充电要求对电动汽车充电的充电时间，至少要3个小时。因此，电动汽车的充电方式不能像燃油汽车在加油站加油那样，在像加油站那样的充电站进行充电。
此外，根据电池的充电特性和电动汽车动力电池组的充电要求，电动汽车的充电系统是各自独立的。它不可能在充电站里并联充电。也就是说不能几辆电动汽车共用一台充电器。
有人提出20分钟的快速充电方案。20分钟充满电，那至少要用3CA的充电倍率进行充电。这对于磷酸铁锂锂离子电池来说是可能的，但是也存在一定的问题需要进一步探讨：其－，电池组导线及接头的容量至少要增加5倍以上；其二，充电设备所需的功率很大。以一辆电动大巴为例，它配置600Ah的电池120个。3CA的充电电流为1800A，充电电压510V。充电器的输出功率为918kw，电网提供的功率1150kw。其三，充电电流加大，什么样的电池的寿命不会受影响，需要科学论证。
那么，用奥运村那样的电动车充电站，快速更换电池的方法是否可行？奥运村那样的电动车充电站，每辆电动大巴更换一次电池的时间大约需要10分钟。对于公交车站来说，平常发车，时间够用了。但高峰时发车，时间就不够了。用快速更换电池的方法时，往往电池组的容量减半，这样一来，电池的放电倍率增加一倍，会使电池的寿命减少。如果仍然保持电池合理的配置，那么也要增加一倍的电池储备，自然会增加电动车的运行成本。此外，用快速更换电池的方法时，对电池组的标准化设计和电池的一致性、充电控制要求更高，会增加电动车的运行成本，而且很难实现。
综上所述，电动汽车的充电还是采用按最佳充电的常规充电为主、快速补充充电为辅的充电方式为好。常规充电的时间约4小时，我们主张快速补充充电的充电倍率1CA左右，充电1小时，就可充电80%以上。
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对于电动公交车而言，充电站就设在公交车总站内。在晚间下班后利用低谷电充电，可利用时间5～6小时。全天运行的车辆，续驶里程不够时，可利用中间休息待班时间进行补充充电。充电器的数量和容量根据车队的规模而定。充电站由车队管理。
对于电动出租车而言，它需求的续驶里程长。由于车型比较统一，品种也不多，快速更换电池的方法还比较实用。但要建立一个换电网络。
对于公务电动汽车而言，在机关设立充电站就可以了。利用低谷电充电。 对于个人电动小汽车而言，在小区内设立充电站就可以了。利用低谷电充电。 利用低谷充电，对电网来说相当于蓄能，对车主来说减少了充电费用。 (五) 一种大中型电动汽车充电站设计方案
为了适应城市和城市间的电动车辆的推广应用，建立多个大、中、小型电动车辆充电站是必然措施。充电站的设计和布局，必须体现“节能、环保、安全、方便和有利于电网供用电”的原则。
假如建设一次可为12辆或8辆大型锂动力电动大巴（大型公交车、豪华大巴）同时充电，加上附设的中、小型充电器，则这个充电站的主要设备：
1、 充电机：
12台充电机。每台充电机最高充电电压700V（相当于165只最高充电电压4.2V左右的锂电池单体串联电压），最大充电电流350A（相当于700AH电池容量的0.5C充电率），最大输出功率245kw，输出功率可在20kw至245kw范围内调节。
12台充电机平常按单机充电方式充电。快速充电时，可用6台充电机并联充电，最大输出功率为1470kw，最大充电电流2100A（相当于700AH电池的3c充电率）。或者用8台充电机平时为8辆电动车辆充电，每台输出最高充电电压700V，最大充电电流500A（相当于700AH电池用量0.7CA的充电率）。4台并联时最高充电电压700V，最大充电电流2000A（相当于700AH电池用量的3CA充电率）。
1CA～3CA的快速充电模式，有人在探讨应用，我们认为应在确保电池的安全和使用寿命的前提下进行。也许会有应用新材料、新技术生产的电池能适合大电流快速充电模式。
溧阳市华元电源设备厂应用自主发明专利生产的节能型高频开关充电机,无论单机或并联充电,均能按被充电池的实际要求设置最高充电电压和电流,在充电中能根据电池的变化,自动调整投入功率,使充电机效率始终保持最高状态。所以，虽然充电机功率大，富裕量大，能适应各种用量的电池组充电，又不会浪费能源。该厂生产出上述特大功率高频电源充电机，能支持1CA～3CA的快速充电实验。
另外，充电站可以附加配置20kw以下至500w左右的中、小型充电器若干只，总功率在100kw左右。
2、电力变压器：
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电动汽车充电方式探讨
