國內外電動汽車快速充電模式綜述

柳文俊 李亮 趙新東

摘 要： 隨著電動汽車技術的發(fā)展和應用，對于電動汽車充電技術的要求不斷提高，對于充電時間短、充電效率高以及對電網(wǎng)負擔小的充電模式的研究成為電動汽車充電技術的發(fā)展趨勢，其中快速充電模式已經(jīng)成為電動汽車充電技術研究與發(fā)展的主要模式。本文從快速充電技術的發(fā)展與影響，介紹了快速充電模式中的脈沖充電法、恒流恒壓充電法以及綜合快速充電法，分析了快速充電模式對電網(wǎng)的影響以及目前的解決方案，對于電動汽車快速充電的發(fā)展趨勢做了總結。

關鍵詞： 快速充電； 電網(wǎng)； 電動汽車； 優(yōu)化

中圖分類號： U 469.72 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）02-0067-05

0 引 言

伴隨著環(huán)境污染、石油短缺以及電池技術不斷發(fā)展，新能源汽車動力系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為了汽車工業(yè)一個重要的發(fā)展方向。電池作為電動汽車動力系統(tǒng)的能量源頭，對其充電方法的研究成為電動汽車研究的一個主要領域。目前主要應用的充電方法有常規(guī)充電和快速充電。常規(guī)充電方法采用小電流恒流等充電方式，通常充電周期在6～8 h左右。隨著電動汽車在實際應用中的不斷普及，常規(guī)充電方法由于充電時間過長，難以滿足運行需求。1967年美國人JAMAS以蓄電池充電析氣率為前提，提出了著名的蓄電池充電三定律，揭示了充電過程中電池可接受充電電流的規(guī)律。以馬斯三定律為基礎，蓄電池快速充電的研究不斷展開。電動汽車的快速充電模式較常規(guī)充電模式相比，在15～60 min內能將電池電量充60%～90%以上。本文根據(jù)對目前關于快速充電的文獻研究，總結了電動汽車快速充電的主要方法，快速充電模式對電網(wǎng)的影響及評估優(yōu)化方案，對電動汽車快速充電模式的發(fā)展趨勢做出了總結。

1 快速充電主要方法

根據(jù)電池充電基本常識，充入相同電量的條件下，為縮短充電時間，充電電流就應加大，充電過程中電池對于充電電流有一定的接受程度。目前快速充電的主要方法有脈沖充電，恒流恒壓充電以及綜合參數(shù)優(yōu)化的充電方法。

1.1 脈沖充電方法

郭毅鋒等人提出了一種帶負脈沖的快速脈沖充電方式[1]，如圖1所示。圖1中，在普通脈沖充電周期中加入毫秒級負脈沖放電，根據(jù)馬斯三定律可知對電池放電可以提高電池的充電接受率從而提高電池可接受充電電流。雖然延長了充電脈沖周期，但是由于可接受充電電流的提高，整個充電時間仍控制在1h內。CHENG P H等人在帶負脈沖充電效率問題上做了研究[2]，提出了一種高效率無耗散的快速充電策略，如圖2所示。圖2中，充電電流周期包括三部分：有功正向充電、有功反向放電和無功間歇三段。正向充電電流由高峰值正電流低谷值負電流三角波形電流構成，反向放電電流由低峰值正電流高谷值負電流三角波形電流構成，間歇電流由峰谷值大小相同的三角波形電流構成。這種充電方式提高了脈沖充電效率，減少了充電時間，并且具有快速瞬變響應。

對于帶負脈沖的快速充電模式，負脈沖放電階段的電能也可以被回收再次利用到正脈沖充電過程中。CHU YS等人提出了一種帶有能量回收和功率因數(shù)修正的正負脈沖快速充電機[3]，充電機由單向Boost-Forward變換器和反激式變換器組成。單向Boost-Forward變換器完成動態(tài)脈沖充電，并且有高充電功率因數(shù)。反激式變換器將電池反向放電的電能吸收回大電容，提高了電池充電效率。負脈沖充電電能回收時會伴隨著過電壓的問題，WANG J B等人提出了一種由功率補給單元PSU和三個獨立電流控制型Buck變換器和微處理器構成多相脈沖充電機[4]，通過微處理器控制提高了PSU的輸出電流能力，并根據(jù)PSU輸出電壓特性，確定了充電機額定輸出電壓、最大脈沖幅值和電流波形。負脈沖釋放的電能被回收到下一周期脈沖電流中，同時可以補償PSU中的過電壓現(xiàn)象。CHEN L R等人提出一種電流泵充電機（CPBC）[5]，充電過程包括三部分：大電流充電、脈沖電流充電和脈沖浮充充電，這一過程的實現(xiàn)通過電池泵的鎖相回路自動控制。實驗結果表明，與傳統(tǒng)的鎖相的充電機相比，電池可用容量提高了6.9%，充電效率提高了1.5%。CHEN L R還提出一種可變周期電壓脈沖充電策略[6]，可以檢測并動態(tài)跟蹤適合的脈沖周期。與標準的CC/CV方式相比，充電速度提高14%充電效率提高了3.4%，與傳統(tǒng)定周期電壓脈沖充電相比充電速度提高5%充電效率提高1.5%。

1.2 恒流恒壓快速充電

基本恒流恒壓充電方法的電流波形如圖3所示。圖3中，如果電池的電壓低于最低電壓VL時，電池等效內阻較大，需使用較小的電流恒流充電；當電池電壓高于VL低于最大電壓VH時，電池等效內阻較小，可使用大電流恒流充電；當電池電壓高于VH時，使用恒壓充電直到充電電流低于某值時結束充電。

CHEN J J等人提出了一種高效的多模式鋰離子充電機[7]，充電機帶由可變電流源和前端電壓控制部分組成?？勺冸娏髟刺峁┖懔鞒潆婋娏?，前端電壓控制部分可提高多模式充電機的效率。實驗結果表明，在平均輸入功率為1.24 W的情況下，平均功率效率為91.2%，適合的參考電壓精度可達97.3%。CHRISTEN D等人提出了一種帶有多相半橋DC-DC變換器的充電機[8]，充電機采用一種中間儲能裝置來避免對電網(wǎng)的功率絕熱脈動效應并且提供如能量儲存再利用等功能。通過這種中間儲能裝置，DC-DC變換器中的壓降得到降低，有利于提高系統(tǒng)功效。實驗結果表明，基于分斷DC輸入電壓的變換器采用臨界工作模式，實現(xiàn)了軟開關的同時減少了電流輸出波紋，效率可達到99.5%，相對電流幅值降低2%，與傳統(tǒng)Buck變換器相比損耗減少了4%。CHEN L R等人將鋰離子電池當做灰色系統(tǒng)[9]，提出了一種灰色預測的鋰離子充電系統(tǒng)（GP-LBCS）使用灰色預測模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的恒壓模式來改善充電機性能。采用灰色預測算法提高充電軌跡的速度和安全性。實驗結果表明，與傳統(tǒng)恒流恒壓充電系統(tǒng)相比，GP-LBCS的充電速度和充電效率分別提高了23%和1.6%。

1.3 綜合快速充電

除了上述快速充電法，對于充電過程中的電流、電壓和溫度等充電參數(shù)的優(yōu)化研究也是快速充電的主要研究方向之一，目前有很多關于綜合快速充電方法的研究文獻。YAN J Y等人針對充電過程中的SOC和溫度參數(shù)[10]，提出了一種模型預測控制快速充電機，通過對電池后期狀態(tài)的預測優(yōu)化了充電的控制策略，最小化電池溫升，同時采用遺傳算法，解決多目標優(yōu)化問題。HUANG S J等人針對磷酸鋰鐵電池（LFP）建立了一種電池剩余電量模型[11]，通過測量某SOC值下電池的電壓，根據(jù)獲得的電壓特性參數(shù)求得電池的存儲電量。根據(jù)電池的滿電電量和剩余電量的差值確定適合的充電時間，同時考慮影響電壓值計算的磁滯效應，從而確保充電過程穩(wěn)定、安全、不過充。HAGHBIN S等人提出一種新型的快速充電電路思路[12]，由于充電過程中，電動汽車的電動系統(tǒng)電路是不運轉的，所以有可能將其運用到充電電路中。根據(jù)此思路，JOW W等人提出了一種帶負脈沖的均衡電池組充電方法[13]，充電過程中負脈沖所釋放的電能被儲能裝置儲存起來，根據(jù)各單體電池的充電狀態(tài)，將電能重新分配，有效的改善了電池組充電過程中，充電不均勻的問題，提高了電池組各單體電池的使用壽命。

2 快速充電與電網(wǎng)

隨著電動汽車技術的不斷發(fā)展，實際應用的電動汽車數(shù)量急劇增長，其充電過程的隨機性和大負載性必將對電網(wǎng)造成影響。其中快速充電模式由于充電電流大，充電機包含多種電力電子器件，對電網(wǎng)的負荷影響和諧波污染影響的研究成為快速充電對電網(wǎng)影響的主要方面。同時由于電動汽車的電池容量大、數(shù)量多，電動汽車與電網(wǎng)的交互技術的研究也不斷發(fā)展，為改善電動汽車充電問題提供了更好的解決途徑。

2.1 對電網(wǎng)的影響

FARMER C指出，由于電動汽車充電電隨機性和不確定使得電動汽車充電對于電網(wǎng)的影響的評估有一定的困難性[14]。文章根據(jù)加拿大實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過壓降、能量損失和線路負載參數(shù)對比了常規(guī)充電和快速充電對電網(wǎng)性能的影響。分析結果表明，大量電動汽車的不協(xié)調充電接入電網(wǎng)，嚴重影響了電網(wǎng)的工作性能，并且可能超過配電網(wǎng)負荷能力。同時，快速充電方法較常規(guī)充電對于電網(wǎng)的系統(tǒng)壓力和能力損耗更大。AKHAVANR等人對于一種綜合可再生能源發(fā)電機和快速充電站在接入電網(wǎng)和單獨工作兩種連接模式下的充電過程分析[15]，結果表明在合適的控制策略下，快速充電可在不同情況下對有功和無功功率進行補償，同時可以改善結合可再生能源發(fā)電機的電力系統(tǒng)性能。YAO C等人指出[16]，少量接入電網(wǎng)的PEV也會對變壓器負載有較大的沖擊，并且盡管充電負荷的隨機性大，但在較低的充電機接入率下也會使得變壓器的電壓偏差值超過限定值。MOSES P S等人建立了一種快速充電站模型[17]，分析了對配電網(wǎng)的影響，對比了隨機模型和確定模型兩種建模方法。分析結果表明，快速充電站會影響變壓器負載和母線電壓配置，提出充電站應建立能力貯存裝置和靜態(tài)增值補償器等設備，同時指出隨機模型對于電動汽車充電影響分析更具可靠性和說服力。

2.2 優(yōu)化方案

目前對于電動汽車充電過程對電網(wǎng)的影響優(yōu)化主要集中在改進充電機設計，減少充電過程諧波污染以及電動汽車與電網(wǎng)交互技術的應用。針對電動汽車與電網(wǎng)交互模式中的諧波污染，YUNUS K等人提出了一種雙向充電機[18]，充電機由三級雙向AC-DC變流器和三級DC-DC變流器結合而成，實驗結果表明，這種充電器可以減小充電過程中的電網(wǎng)諧波污染。SABER A等人提出一種帶有有車電互聯(lián)能力的電動汽車GV（Gridable Vehicle），GV可以被看作負載、能量源和能量儲存裝置[19]，在電動汽車閑置時可作為小型電廠對部分負載供電或者大量GV回饋電能給電網(wǎng)補充電網(wǎng)電能。利用智能時序控制和GV作為負載或者能量源，對于建立綜合電力傳輸結構有著巨大的潛力。ZHOU X H等人提出一種多功能的雙向充電機[20]，充電機包含三種功能：充電模式、V2G模式和V2H模式，實際的回饋功率由車輛SOC和電網(wǎng)需求決定。在V2G模式下電網(wǎng)側變流器在電流模型控制下運行，這種情況下對電網(wǎng)的回饋電流是低諧波正弦電流。在V2H模式下，變流器在電壓模型控制下運行，與負載相接，提供正弦電壓。針對不協(xié)調的電動汽車充電，SORTOMME E等人對協(xié)調充電理論進行了研究[21]，確定了充電過程中的支路損耗、負載因數(shù)和負載變化的關系，提出了三種優(yōu)化算法：損耗最小化算法、負載因數(shù)最大化算法和負載變化最小化算法。實驗表明，結合三種算法，充電過程中對電網(wǎng)配電網(wǎng)的影響得到了最小化。

3 快速充電發(fā)展展望

3.1 快速充電方法的發(fā)展趨勢

快速脈沖充電的理論基礎來自馬斯三定律關于電池放電史對電池可接受充電電流的影響，但定律并未給出具體的量值關系。脈沖的周期與幅值，負脈沖的周期與幅值的確定于優(yōu)化方案將會是脈沖充電今后的發(fā)展主要方向。恒流恒壓充電方法的發(fā)展將會主要針對充電參數(shù)的關系、參數(shù)的確定算法以及變換器的優(yōu)化設計等方向。綜合快速充電的發(fā)展將會針對充電過程中的電路設計、控制算法和充電參數(shù)等的優(yōu)化，綜合不同的充電方法實現(xiàn)快速安全充電。

3.2 快速充電與電網(wǎng)的發(fā)展趨勢

目前的研究已經(jīng)明確的提出電動汽車的快速充電會對電網(wǎng)的負荷帶來嚴重的沖擊，并且由于充電機中的電力電子器件會對電網(wǎng)帶來諧波污染。隨著電動汽車普及，快速充電接入電網(wǎng)的實際數(shù)據(jù)將會增多從而方便根據(jù)實際數(shù)據(jù)去分析電網(wǎng)的具體影響，而評估影響程度的具體方法也將是研究的主要方向之一。另外，電動汽車與電網(wǎng)互聯(lián)技術將會是電動汽車能高程度普及的關鍵研究方向。

4 結 論

本文介紹了快速充電模式的脈沖充電法、恒流恒壓充電法以及綜合快速充電法，分析了快速充電模式對電網(wǎng)的影響以及目前的解決方案，對于電動汽車快速充電的發(fā)展趨勢做了總結。快速充電方法的發(fā)展將趨于更加快速、高效、安全，快速充電與電網(wǎng)之間的關系趨于逐漸完善，并找到更加適合的優(yōu)化方案。

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Abstract： With the development of electric vehicle charge technology， the charge efficiency demand is increased. The charge strategy mainly focuses on less charge period， high charge efficiency， and little impact of the grid. Fast charge mode has been the main charge mode of electric vehicle charge strategy. This paper induces the pulse charge method， constant current and constant voltage method， and integrated charge method. The impact of fast charge on the grid and the optimization method are analyzed. The development trend of fast charge is summarized.

Key words： fast charge； grid； electric vehicle； optimization

（責任編輯：徐興華）