電動(dòng)汽車充電技術(shù)綜述

許二超，周從源

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

電動(dòng)汽車充電技術(shù)綜述

許二超，周從源

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶介紹了傳導(dǎo)式充電和無線充電的分類、工作原理、研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用情況，對比分析了各種充電模式的優(yōu)缺點(diǎn)，對未來電動(dòng)汽車充電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

∶電動(dòng)汽車；無線充電；充電模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.007

CLC NO.: U469.72Document Code: BArticle ID: 1671-7988 (2016)09-18-04

近年來，隨著國家對節(jié)能減排項(xiàng)目的政策與扶持力度加大，電動(dòng)汽車呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長，同時(shí)對充電方式多樣化和方便性提出更高的要求。目前電動(dòng)汽車的充電方法主要有兩種：一種是有線充電，也叫傳導(dǎo)式充電；一種是無線充電，也叫無接觸式充電。

1、傳導(dǎo)式充電

傳導(dǎo)式充電以電纜為傳輸介質(zhì)，通過電纜和耦合器連接，進(jìn)行直接的接觸式電能傳輸。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，產(chǎn)品開發(fā)簡單，但是由于有外露的導(dǎo)電點(diǎn)，頻繁插拔的操作導(dǎo)致設(shè)備增加損耗，安全程度有一定的局限。

2016年1月充電新國標(biāo)的實(shí)施，規(guī)定了傳導(dǎo)式充電連接裝置的定義、要求，充電接口的物理尺寸、電氣性能以及充電控制通信協(xié)議，有助于進(jìn)一步完善傳導(dǎo)式充電系統(tǒng)性能指標(biāo)，提高充電的兼容性和安全性。

1.1交流充電

交流充電是單相或三相交流電通過車載充電機(jī)整流、濾波、功率因數(shù)校正，轉(zhuǎn)換為合適電壓的直流電，對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池進(jìn)行充電的方式。交流充電方式需要在電動(dòng)汽車上裝配車載充電機(jī)，常見的形式為：使用家用電三孔插頭的纜上控制盒（GB/T 18487中充電模式二）以及使用充電插頭的通過交流充電樁。

交流充電使用單相交流電220V時(shí)，最大充電電流為32A，三相交流電380V為63A。電動(dòng)汽車受限于車載充電機(jī)的功率、質(zhì)量、空間、體積和成本，目前市場上大部分采用單相的交流充電[1]，充電電流較小，為動(dòng)力電池0.1C～0.3C，通常在16A以下，充電時(shí)間6～10小時(shí)。電動(dòng)汽車一般配備纜上控制盒、便攜式充電樁，可以方便連接電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)充電。

1.2直流充電

直流充電通過地面充電裝置（直流充電樁）將交流電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為直流電后，通過充電連接裝置直接對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池進(jìn)行充電。主要針對長距離旅行或需要進(jìn)行快速補(bǔ)充電能的情況進(jìn)行充電。

直流充電采用三相四線制380V 供電，充電電流一般為100～200A，典型充電時(shí)間是0.5～2小時(shí)。由于充電電流較大，為動(dòng)力電池0.5C～2C，對動(dòng)力電池使用壽命有一定的影響，同時(shí)短時(shí)間接受大量的電量會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)過熱。

1.3換電充電

換電充電通過直接更換電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組來達(dá)到為電動(dòng)汽車補(bǔ)充電能的目的，并對替換下的電池組進(jìn)行集中充電的模式。在動(dòng)力電池更換時(shí)間方面，普通車的電池組可以在5分鐘內(nèi)完成更換，電動(dòng)公交車也僅需要8分鐘，更換時(shí)間基本與傳統(tǒng)燃油汽車的加油時(shí)間持平。

換電充電模式需要在專門的換電站進(jìn)行，由于電池組重量較大，更換動(dòng)力電池的專業(yè)化要求較強(qiáng)，需配備專業(yè)人員來快速完成電池的更換、充電和維護(hù)，并且要求電動(dòng)汽車和車載電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。換電充電實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池的技術(shù)分離，更換下的電池可以進(jìn)行集中充電管理，可避免大規(guī)模電動(dòng)汽車隨機(jī)充電對電網(wǎng)運(yùn)行帶來的不利影響[2]。

三種傳導(dǎo)式充電模式優(yōu)缺點(diǎn)都比較明顯，如表1所示，從充電便利性、安全性、對電池系統(tǒng)和電網(wǎng)的影響等方面進(jìn)行了對比分析。

表1　傳導(dǎo)式充電對比分析

1.4傳導(dǎo)式充電研究現(xiàn)狀

1）交直流充電模式對比。電動(dòng)汽車保有量一定的條件下，車樁比較小時(shí)，直流一體機(jī)的社會(huì)總投入成本明顯高于大功率交流車載充電機(jī)；隨著車樁比的增加，兩種充電模式的社會(huì)總投入成本均呈下降趨勢；當(dāng)車樁比大于3.5:1，充電機(jī)的利用率顯著提升，直流一體機(jī)的優(yōu)勢也更加突出，社會(huì)總投入成本明顯低于大功率交流車載充電機(jī)[3]。

FARMER C通過壓降、能量損失和線路負(fù)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[4]。分析結(jié)果表明，大量電動(dòng)汽車的不協(xié)調(diào)充電接入電網(wǎng)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的工作性能，并且可能超過配電網(wǎng)負(fù)荷能力。同時(shí)，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。SORTOMME E.等人對協(xié)調(diào)充電理論進(jìn)行了研究[5]，確定了充電過程中的支路損耗、負(fù)載因數(shù)和負(fù)載變化的關(guān)系，提出了三種優(yōu)化算法：損耗最小化算法、負(fù)載因數(shù)最大化算法和負(fù)載變化最小化算法。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)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。

2）對電網(wǎng)的影響。電動(dòng)汽車充電會(huì)造成新的負(fù)荷高峰，在一定程度上給城市供電網(wǎng)絡(luò)帶來沖擊；且這種沖擊隨著電動(dòng)汽車的普及和推廣會(huì)越來越大[6]。文獻(xiàn)[7]指出電動(dòng)汽車充電設(shè)備有利于電網(wǎng)的峰谷平衡，但會(huì)對電網(wǎng)造成諧波污染，影響電能質(zhì)量，并對諧波污染提出了治理意見。文獻(xiàn)[8]提出了電動(dòng)汽車常規(guī)慢充能效鏈模型，給出影響電動(dòng)汽車常規(guī)慢充能效的關(guān)鍵因素，配網(wǎng)、變壓器、充電樁。

3）充電站的建設(shè)。充電站的建設(shè)包括充電站的外部接入方式（影響因素為供電可靠性、建設(shè)規(guī)模、建設(shè)成本）、內(nèi)部布局、資金投入等內(nèi)容[9]。電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)作為充電站站內(nèi)設(shè)備的集中監(jiān)控設(shè)施，應(yīng)具備以下四大基本功能：充電監(jiān)控功能、配電監(jiān)控功能、電池維護(hù)監(jiān)控功能和快速更換設(shè)備監(jiān)控功能[10]。

文獻(xiàn)[11]針對集中型充電站接入電網(wǎng)的規(guī)劃問題，綜合考慮電力網(wǎng)絡(luò)和交通網(wǎng)絡(luò)因素，建立了集中型充電站的定址分容模型，并從新建線路傳輸容量和待選站址地價(jià)兩方面對模型進(jìn)行了靈敏度分析。文獻(xiàn)[12]采用層次分析法處理充電便利性、交通流量、征地代價(jià)等不確定性較強(qiáng)的因素，在此基礎(chǔ)上建立了電動(dòng)汽車充電站選址定容的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)模型，使包括充電站的運(yùn)行費(fèi)用、網(wǎng)損費(fèi)用和配電變壓器投資等在內(nèi)的充電站運(yùn)營收益最大化。

2、無線充電

無線充電技術(shù)是基于非接觸式電能傳輸技術(shù)的充電技術(shù)。主要通過電磁感應(yīng)、電磁共振、微波和激光等方式實(shí)現(xiàn)非接觸式電能傳輸?shù)?。雖然無線充電技術(shù)有多種形式，但一般認(rèn)為適用于動(dòng)力電池充電只有電磁感應(yīng)式和電磁共振式兩種［13］。

相對于傳導(dǎo)式充電，無線充電具有使用方便、安全、可靠，沒有電火花和觸電的危險(xiǎn)，無積塵和接觸損耗，無機(jī)械磨損，沒有相應(yīng)的維護(hù)問題，可以適應(yīng)雨雪等惡劣的天氣和環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[14]。其缺點(diǎn)是：設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本投入較高，維修費(fèi)用大；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率無線電磁轉(zhuǎn)換，能量損耗相對較高；無線充電設(shè)備的電磁輻射會(huì)對環(huán)境造成污染。

2.1電磁感應(yīng)式無線充電

電磁感應(yīng)式無線充電的工作原理如下：將電網(wǎng)的工頻交流電經(jīng)過整流、逆變轉(zhuǎn)化為高頻交流電，在信號(hào)控制電路的控制下經(jīng)過一次側(cè)補(bǔ)償電路后注入原邊繞組，在在線圈中產(chǎn)生高頻電磁場；位于電動(dòng)汽車底盤的副邊繞組在靠近原邊繞組空間通過感應(yīng)耦合高頻交變磁通獲取感應(yīng)電動(dòng)勢，同時(shí)在信號(hào)控制電路的控制下經(jīng)過整流濾波以及功率調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池提供電能。如圖1所示。

電磁感應(yīng)式無線充電是松散耦合結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于可分離變壓器；其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導(dǎo)致的耦合系數(shù)的降低可以由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補(bǔ)償。

感應(yīng)式無線充電技術(shù)的工作頻率相對較低，一般為幾十到幾百kHz 之間，可以實(shí)現(xiàn)kW級(jí)功率無線傳輸，近距離傳輸效率一般在90%以上[15]。

圖1　電磁感應(yīng)式無線充電原理

2.2電磁共振式無線充電

電動(dòng)汽車諧振式無線充電系統(tǒng)的工作原理為：將電網(wǎng)的工頻交流電經(jīng)整流濾波、高頻逆變后產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)功率放大電路和阻抗匹配電路送至發(fā)射線圈，當(dāng)位于電動(dòng)汽車側(cè)接收線圈的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時(shí)，發(fā)射線圈的電流最大，產(chǎn)生的磁場最強(qiáng)；此時(shí)接收線圈若有相同的自諧振頻率，則會(huì)通過磁場產(chǎn)生很強(qiáng)的耦合，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。接收線圈中的電能經(jīng)整流濾波和調(diào)節(jié)電路給負(fù)載電池進(jìn)行充電。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)通過反饋控制環(huán)節(jié)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。如圖2所示。

電磁共振式無線充電優(yōu)點(diǎn)是，傳輸距離較遠(yuǎn)（一般可達(dá)幾米），對小范圍位置變化不敏感，傳輸效率高等，但易受到周圍磁性物質(zhì)的影響；頻率相對較高，一般在MHz以上，電路器件要求高；對人體健康影響有待研究等。

圖2　電磁共振式無線充電系統(tǒng)原理

2.3研究現(xiàn)狀

1）充電效率提升

無線充電效率較低，目前主要通過阻抗匹配，調(diào)整系統(tǒng)發(fā)射部分和接收部分的阻抗匹配；開關(guān)變換器，選用適合電動(dòng)汽車充電的電路拓?fù)?，利用軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗，如SiC和GaN等新型器件；高Q值線圈，如使用超導(dǎo)材料；線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的汽車底盤高度設(shè)置合適的線圈間距，然后設(shè)計(jì)這個(gè)距離下傳輸效率最高的線圈參數(shù)。

2）無線充電安全性

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的安全性需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，尤其是人身安全、電池充電、電磁輻射對人類及環(huán)境的影響等問題。

文獻(xiàn)[16]定量地分析了發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁場對于人體的輻射影響。由于電動(dòng)汽車無線充電傳輸功率很大，一般超過10kW，必須采取一定的措施來降低對人體的危害。比如使用特殊的屏蔽材料鋪設(shè)于電動(dòng)汽車的座位下，或者讓發(fā)射線圈與接收線圈的電磁耦合區(qū)域盡量遠(yuǎn)離人體。

3）無線充電標(biāo)準(zhǔn)

2016年5月，國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)發(fā)布了混插式以及全電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《純電動(dòng)/插電式混合動(dòng)力及相關(guān)新能源汽車無線充電技術(shù)規(guī)范（SAE TIR J2954）》，標(biāo)準(zhǔn)制定了低速充電方面的無線能量傳輸協(xié)議，并通過附錄的方式為其他問題，比如高速充電模式等留足了補(bǔ)充空間。明確了乘用車方面無線充電使用頻段，使汽車制造商生產(chǎn)的無線充電器就能夠兼容其他不同生產(chǎn)商、充電站的無線充電設(shè)備，有助于電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的大范圍推廣和應(yīng)用。

4）無線充電技術(shù)應(yīng)用

在2014年2月，豐田汽車聯(lián)合美國WiTricity公司，搭載了電磁共振無線充電系統(tǒng)的Prius混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，采用2kW的充電功率，只需90分鐘電池即可將4.4kWh的電池組充滿。

博世與Evatran Group合作開發(fā)了他們的無線電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由地面發(fā)送器、車載適配器及地面操控面板組成，220V交流市電輸入，額定功率為3.3 kW。

中國科學(xué)院電工研究所對比研究了基于感應(yīng)耦合方式的非接觸充電技術(shù)和基于磁共振耦合方式的非接觸充電技術(shù)，在電動(dòng)汽車用無線充電系統(tǒng)線圈設(shè)計(jì)、電容參數(shù)設(shè)計(jì)、磁場分析與屏蔽等方面進(jìn)行了深入研究[17]，設(shè)計(jì)了基于磁共振耦合方式的無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)額定功率為3.3kW，傳輸距離為20cm，與轎車底盤高度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)室條件下，該系統(tǒng)達(dá)到了94%的DCDC效率。

3、結(jié)論及展望

本文主要對電動(dòng)汽車傳導(dǎo)式充電和無線充電模式的分類、優(yōu)缺點(diǎn)、研究現(xiàn)狀、無線充電的原理及應(yīng)用研究進(jìn)行了總結(jié)。

傳導(dǎo)式充電技術(shù)成熟，占主流地位；電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)具有方便、快捷，是未來的發(fā)展方向，但目前還處于研發(fā)和探索階段，隨著無線電能傳輸技術(shù)的成熟，無線充電技術(shù)將得到更多的應(yīng)用和推廣。關(guān)于電動(dòng)汽車充電技術(shù)需要考慮的問題有以下幾個(gè)方面。

1）大功率車載充電機(jī)的開發(fā)?，F(xiàn)有電池技術(shù)及充電便利性的限制，交流充電具有不可替代的優(yōu)勢，車載充電機(jī)是其關(guān)鍵部件。

2）綠色充電設(shè)備的研究與應(yīng)用。要求充電設(shè)備充電功率因數(shù)高，并且有效抑制諧波，對電網(wǎng)質(zhì)量影響小。

3）換電充電模式已成為電動(dòng)汽車的重要能源供給模式，是否能取得突破性進(jìn)展，關(guān)鍵在于電池技術(shù)與投資成本、安全性與責(zé)任界定、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)等眾多問題。

4）無線充電功率、效率的提升，制約著商業(yè)化應(yīng)用。

5）移動(dòng)充電?？梢栽诘叵落佋O(shè)一系列發(fā)射線圈，使電動(dòng)汽車可以在移動(dòng)中充電。

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Review of Charging Technologies for Electric Vehicle

Xu Erchao, Zhou Congyuan
（AnHuiJianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

The conduction charging and wireless charging's classification,working principle, research status and application are introduced. Comparative analysis on advantages and disadvantages of various charging modes is presented. The developmentof electric vehicles charge technology in the future is proposed.

electric vehicle; wireless charging; charging mode

∶U469.72

∶B編號(hào)∶1671-7988 (2016)09-18-04

許二超（1983.1-），男，電池系統(tǒng)工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。主要研究 電池系統(tǒng)研究。