電動(dòng)汽車(chē)直流充電時(shí)間的策略研究

摘 要：現(xiàn)階段下，國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力電池包逐漸向高電壓、大倍率趨勢(shì)發(fā)展。而國(guó)內(nèi)充電樁由于型號(hào)多種多樣，性能參數(shù)也各不相同，無(wú)法保證達(dá)到車(chē)輛的充電需求。本文介紹了直流充電系統(tǒng)和直流充電流程，結(jié)合電動(dòng)車(chē)現(xiàn)有直流充電技術(shù)，提出將充電樁性能加入車(chē)輛充電控制策略中。基于最大充電功率原則分析車(chē)輛進(jìn)入降壓充電的時(shí)機(jī)，并選取市面五種不同性能的充電樁，利用仿真平臺(tái)分析該策略對(duì)車(chē)輛充電時(shí)間的影響。仿真結(jié)果表明該策略能一定程度的縮短車(chē)輛充電時(shí)間，對(duì)優(yōu)化電動(dòng)車(chē)充電功能具備一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：降壓充電 充電策略 充電時(shí)間

0 引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)保有量的逐漸增多，車(chē)輛的充電需求也日益增長(zhǎng)，不斷對(duì)城市充電設(shè)施的建設(shè)提出更高的要求。公共直流充電樁是城市充電設(shè)施建設(shè)中不可或缺的組成部分，根據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，到2024年7月全國(guó)公共充電樁保有量達(dá)到320萬(wàn)臺(tái)，其中直流充電樁143.1萬(wàn)臺(tái)、交流充電樁 177.8萬(wàn)臺(tái)。從2023年8月到2024年7月，月均新增公共充電樁約8.3萬(wàn)臺(tái)[1]。盡管目前直流充電樁已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用，但是市場(chǎng)仍然存在部分早期建設(shè)的直流充電樁性能較差，導(dǎo)致充電電壓或者充電電流無(wú)法達(dá)到車(chē)輛充電需求，造成車(chē)輛無(wú)法充電或者充電速度達(dá)不到預(yù)期，充電時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。因此有效提升充電速度成為了促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)快速發(fā)展的重要保障。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，高速公路服務(wù)區(qū)、公交場(chǎng)站和公共停車(chē)場(chǎng)內(nèi)，新建設(shè)的直流充電樁大部分都是1000V的充電樁，能滿(mǎn)足幾乎所有的電壓平臺(tái)的車(chē)輛進(jìn)行充電。根據(jù)充電樁性能的不同，其最大輸出電流大致能分成250kW、600kW、800kW等。但是市面仍然會(huì)存在許多750V和500V的直流充電樁，它們的最大功率只有60kW、120kW、160kW、180kW等。說(shuō)明即使在充電樁不斷迭代更新的階段，充電樁型號(hào)性能多樣性的情況依然存在。

1 直流充電系統(tǒng)組成

新能源汽車(chē)直流充電控制導(dǎo)引電路原理可參照GB/T 18487.1-2015中附錄B1內(nèi)容，如圖1。

該系統(tǒng)中包含動(dòng)力電池、電池控制器、輔助電源、非車(chē)載充電機(jī)等。其中非車(chē)載充電機(jī)能將電網(wǎng)380V三相交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，通過(guò)車(chē)輛快充接口給動(dòng)力電池充電。電池控制器則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)判斷動(dòng)力電池的需求，根據(jù)充電策略向充電機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送充電需求。除了上述原理圖外，許多主機(jī)廠會(huì)增加很多功能，如會(huì)增加電池溫控系統(tǒng)、增加升壓系統(tǒng)，增加降壓系統(tǒng)等。

2 降壓充電的使用及應(yīng)用背景

為了解決充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，目前許多主機(jī)廠和電池廠提出多種解決方式，有提高車(chē)輛電壓平臺(tái)、換電站換電、新增無(wú)線(xiàn)充電模塊、新增升壓充電模塊[2]、升級(jí)電芯材料和新增降壓充電模塊等方式。無(wú)論是哪種方式，都是為了提升充電功率，減小充電功能損耗。以此來(lái)縮短充電時(shí)間，緩解車(chē)主等待車(chē)輛充電時(shí)的焦慮。根據(jù)前文提及的，目前充電樁在開(kāi)發(fā)建設(shè)當(dāng)中，常見(jiàn)規(guī)格有電壓1000V功率250kW的充電樁。當(dāng)一臺(tái)大于250A充電需求的車(chē)輛進(jìn)行充電時(shí)，由于該充電樁電流輸出已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)極限。充電樁無(wú)法輸出高于250A的電流，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛的充電需求情況。例如一臺(tái)高壓平臺(tái)（800V）的車(chē)輛到1000V充電樁上充電，此時(shí)車(chē)輛給充電樁發(fā)了400A充電需求，而充電樁只能輸出250A的充電電流。但是這時(shí)充電樁僅使用了接近200kW的充電功率，充電樁尚有50kW的充電功率無(wú)法使用。

因此為了解決此類(lèi)問(wèn)題，可以在電池和充電樁中間增加一個(gè)降壓模塊，這樣可以讓充電樁輸出的電流通過(guò)降壓模塊來(lái)抬升輸入到電池包的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)快速充電的功能。降壓功能也有人稱(chēng)為升流功能，可以通過(guò)電驅(qū)系統(tǒng)的電機(jī)和電機(jī)控制器來(lái)組成buck降壓電路[4]。雖然降壓充電能夠提升充進(jìn)電池包的電流，縮短充電時(shí)間。這需要車(chē)輛每次進(jìn)入直流充電的時(shí)候根據(jù)充電機(jī)電流輸出范圍和功率范圍進(jìn)行匹配，判斷是否需要進(jìn)入降壓充電來(lái)縮短充電時(shí)間。

3 直流充電流程

3.1 充電通信流程

參考GB/T 27930-2015中第8節(jié)內(nèi)容可知，整個(gè)直流充電一共分為六個(gè)階段，分別是：物理連接完成、低壓輔助上電、充電握手、充電參數(shù)配置、充電傳輸、結(jié)束充電等。（圖2）

一般在充電配置階段，充電機(jī)與車(chē)輛控制器進(jìn)行通信，雙方通過(guò)BCP、CML等CAN報(bào)文內(nèi)容來(lái)確認(rèn)充電機(jī)輸出電壓范圍和電流范圍，車(chē)輛根據(jù)充電機(jī)電壓電流輸出范圍判斷是否能夠正常充電。目前主流的做法僅對(duì)充電機(jī)的電壓范圍進(jìn)行判斷，判斷是否符合車(chē)輛的電壓平臺(tái)范圍，而電流輸出范圍只要在車(chē)輛電池的充電能力范圍就行，不額外多做要求。本文介紹一種對(duì)充電樁輸出電流范圍更進(jìn)一步處理的充電控制策略，以此縮短車(chē)輛充電時(shí)間。

3.2 充電策略?xún)?yōu)化

基于車(chē)輛本身具備降壓功能的高壓回路的基礎(chǔ)上，將對(duì)充電機(jī)輸出電流范圍的上下限作為充電策略判斷閾值。通過(guò)車(chē)輛本身充電最大能力和充電樁輸出電流范圍做比較，判斷是否需要進(jìn)入降壓充電。

根據(jù)GB/T 27930中CML報(bào)文獲取充電樁最大輸出電壓，先對(duì)比當(dāng)前車(chē)輛電池最大電壓與充電樁最大輸出電壓的關(guān)系，接著對(duì)比充電樁最大輸出電流與當(dāng)前SOC下車(chē)輛的最大充電電流需求的關(guān)系，最后在決定是否進(jìn)入降壓充電。

這里需要說(shuō)明目前電動(dòng)汽車(chē)電壓平臺(tái)分為400V低壓平臺(tái)和800V高壓平臺(tái)兩種，通常高壓平臺(tái)的車(chē)輛無(wú)法在500V充電樁進(jìn)行充電，因?yàn)殡姵匕妷悍秶辉诔潆姌蹲畲筝敵龇秶鷥?nèi)。而低壓平臺(tái)的車(chē)輛能夠在500V、750V和1000V的充電樁充電。如前文所屬，降壓功能的使用需要滿(mǎn)足充電樁最大輸出電壓比車(chē)輛電壓平臺(tái)高，這樣才能使用更多功率。若充電樁最大輸出電壓與車(chē)輛電池包最高電壓接近，則不需要使用降壓充電等方式。原因是電驅(qū)系統(tǒng)工作有轉(zhuǎn)化效率[3]，此種情況下電池包從充電樁處獲得的電功率不僅沒(méi)有提升，還有可能下降。

具體判斷流程如下：（1）開(kāi)始充電，車(chē)輛在收到充電樁能力信息：（2）判斷充電樁最大電壓大于車(chē)輛動(dòng)力電池最大電壓；（3）根據(jù)電池當(dāng)前SOC判斷車(chē)輛電池包最大充電能力大于充電樁最大充電電流。若都滿(mǎn)足后才進(jìn)入降壓充電。

具體判斷流程如圖3。

4 仿真結(jié)果及分析

選擇市面某款400V平臺(tái)車(chē)型作為仿真測(cè)試的對(duì)象，假定該車(chē)型具備降壓充電功能，高壓器件電壓工作范圍，電驅(qū)系統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)化效率和車(chē)輛高壓線(xiàn)束能力均能滿(mǎn)足要求。車(chē)輛信息如下：電池電壓范圍240V～410V，電池包電量70kWh，最大充電電流400A，最大充電功率120kW。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，選擇五種市面上不同性能的750V充電樁來(lái)進(jìn)行充電對(duì)比，分析該充電策略對(duì)車(chē)輛充電時(shí)間的影響。充電樁型號(hào)如下表１。

充電測(cè)試平臺(tái)利用仿真軟件搭建純電車(chē)輛直流充電系統(tǒng)，其中包含充電環(huán)境參數(shù)、電池?zé)峁芾砟K、車(chē)輛動(dòng)力電池模塊、充電控制模塊、充電樁等內(nèi)容，模型示意圖如圖４。

測(cè)試工況選取常溫10%～80% SOC下的充電時(shí)間作為考核指標(biāo)。通過(guò)仿真分析，得到400V平臺(tái)車(chē)輛在五種不同性能的充電樁上充電的時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

通過(guò)對(duì)比表格中的時(shí)間結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對(duì)于①、②充電樁，使用降壓充電對(duì)車(chē)輛充電時(shí)間都能夠有一定的提升。其中②號(hào)充電樁提升最大，分析原因?yàn)槌潆姌峨娏鬏敵鲎畲笾颠^(guò)低導(dǎo)致。③號(hào)充電樁通過(guò)新策略判斷后，也進(jìn)入降壓充電，但是充電時(shí)間提升卻沒(méi)有①、②充電樁好，分析原因?yàn)槠湓倦娏鬏敵錾舷薇容^大，且輸出功率也有120kW，所以進(jìn)入降壓充電后能夠利用的功率與原來(lái)差不多。另外④號(hào)充電樁進(jìn)入降壓充電后充電時(shí)間不僅沒(méi)有縮短，還出現(xiàn)延長(zhǎng)的情況。分析原因?yàn)槌潆姌遁敵龉β时容^小，在原充電時(shí)候就已經(jīng)使用60kW進(jìn)行充電。進(jìn)入降壓充電后，因?yàn)榻祲耗K功率轉(zhuǎn)換有一個(gè)效率，導(dǎo)致車(chē)輛在④號(hào)進(jìn)入降壓充電后，能夠利用的最大功率反而沒(méi)有原來(lái)高了。⑤號(hào)充電樁優(yōu)化前后充電時(shí)間基本無(wú)變化，原因值其充電樁最大電流和功率都能滿(mǎn)足車(chē)輛充電需求，因此車(chē)輛不需要進(jìn)入降壓充電。

從上述分析中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)車(chē)輛本身充電最大能力和充電樁輸出電流范圍做比較，判斷是否需要進(jìn)入降壓充電的策略，雖然存在一定局限性。特別是對(duì)于第④種充電樁輸出功率不等于其最大電流和最大電壓的乘積，且功率較小的類(lèi)型，無(wú)法進(jìn)行明確的判斷。但是針對(duì)①、②、③種充電樁的充電時(shí)間，還是具有明顯提升效果。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論選擇哪一種充電方式，都是希望未來(lái)的車(chē)輛可以更安全，更高效的進(jìn)行充電。本文介紹一種對(duì)降壓充電的優(yōu)化控制策略，同時(shí)利用仿真平臺(tái)對(duì)車(chē)輛在不同性能充電樁下充電進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真結(jié)果顯示優(yōu)化的控制策略能夠一定程度上提高車(chē)輛的充電速度，具備一定參考意義。

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