新能源汽車充換電技術(shù)應(yīng)用淺析

王啟越，羅運(yùn)俊，宋 瑞，陳基永，周德全

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司，廣東 廣州 511340）

1 傳導(dǎo)充電技術(shù)

傳導(dǎo)充電[1]指的是使用導(dǎo)線將電動(dòng)車和充電設(shè)施相連接，形成導(dǎo)通回路進(jìn)行充電的一種技術(shù)手段，目前各主機(jī)廠的電動(dòng)車幾乎都使用直流充電和交流充電進(jìn)行充電，技術(shù)成熟、應(yīng)用普遍；傳導(dǎo)充電技術(shù)領(lǐng)域的未來方向主要集中在大功率充電技術(shù)，該技術(shù)的推進(jìn)和發(fā)展可以顯著緩解消費(fèi)者的“用車焦慮”。

1.1 直流充電技術(shù)

直流充電指的是通過充電設(shè)置直接將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)化為直流電傳輸至汽車動(dòng)力電池[2]。市場(chǎng)上大部分直流充電裝置集中在120 kW左右，電動(dòng)車30分鐘即可充電80%以上。正因如此，直流充電特別適合需要快速補(bǔ)電場(chǎng)景，如市內(nèi)公交車、環(huán)衛(wèi)物流車、出租車等。其缺點(diǎn)在于產(chǎn)品造價(jià)較高；電動(dòng)車充電時(shí)由于輸出電流較大，充電的過程中會(huì)伴隨電池溫度升高，可能導(dǎo)致動(dòng)力電池的額定容量降低，對(duì)電池產(chǎn)生不可逆損傷[3]。直流充電的流程[4]見圖1，充電樁和電動(dòng)車匹配連接，識(shí)別通訊協(xié)議進(jìn)行充電控制單元激活，車輛開始充電，電動(dòng)車在充電完成后發(fā)出中斷信號(hào)，結(jié)束充電過程。

圖1 直流充電流程圖

1.2 交流充電技術(shù)

新能源汽車的動(dòng)力電池自身只能接受直流充電，當(dāng)外部接入電動(dòng)汽車的是交流電時(shí)，需要先通過車載充電機(jī)進(jìn)行交流轉(zhuǎn)直流過程，再給動(dòng)力電池進(jìn)行充電[5]。交流充電設(shè)施占用體積小，操作簡(jiǎn)便，安裝容易，但其充電速度較慢，電動(dòng)車需要6～8個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間才能充滿電量。交流充電的流程[6]見圖2，電動(dòng)車連接充電設(shè)施后，交流電經(jīng)充電設(shè)施及充電連接裝置傳輸至車載充電機(jī)，經(jīng)車載充電機(jī)整流、濾波等處理后轉(zhuǎn)換為直流電為動(dòng)力電池充電，電動(dòng)車在充電完成后發(fā)出中斷信號(hào)，結(jié)束充電過程。

圖2 交流充電流程圖

1.3 大功率充電

隨著電動(dòng)汽車的續(xù)航里程的延長(zhǎng)，電池容量和充電時(shí)間也隨之增加，對(duì)于電動(dòng)汽車來說，解決充電時(shí)間問題已迫在眉睫，大功率充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。行業(yè)內(nèi)將充電功率大于350 kW，電壓達(dá)到1 000 V，電流達(dá)到350 A的充電方式定義為大功率充電[7]。近年來，特斯拉、星星充電、特來電等眾多國(guó)內(nèi)外車企和供應(yīng)商都在積極研發(fā)大功率充電技術(shù)。其中北汽新能源車載最新超級(jí)快充技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)最大充電功率280 kW，10 min續(xù)航300 km；保時(shí)捷Mission E的快充系統(tǒng)最大充電功率可達(dá)350 kW，4 min續(xù)航100 km。2021年1月15日，“中國(guó)電動(dòng)汽車百人大會(huì)”在北京釣魚臺(tái)召開，大會(huì)上，廣汽官方表示，首款搭載石墨烯電池的AION V的充電的最大功率達(dá)到600 kW。相關(guān)研究顯示，當(dāng)充電樁的充電功率達(dá)到350 kW或以上時(shí)，電動(dòng)車可以實(shí)現(xiàn)和燃油車加油一樣的感受，這種充電方式可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)車的完美替代。但大功率充電技術(shù)同樣面臨一些問題[8]，中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高表示，大功率充電技術(shù)需要重點(diǎn)關(guān)注安全性和耐久性，快充會(huì)導(dǎo)致電池負(fù)極的電位急劇下降，不僅會(huì)帶來電池壽命的問題，也會(huì)帶來安全問題。

2 無線充電技術(shù)

汽車無線充電技術(shù)主要通過電磁感應(yīng)、磁場(chǎng)共振、無線電波等原理實(shí)現(xiàn)電力的非接觸式傳輸[9]。電磁感應(yīng)式無線充電[10]目前在電動(dòng)汽車應(yīng)用最為廣泛，基于電磁感應(yīng)原理，在無線充電裝置端和電動(dòng)汽車端各裝有一個(gè)線圈，在初級(jí)線圈上通入一定頻率的交流電，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，附近的次級(jí)線圈在變化的磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，令無線充電裝置端的電能轉(zhuǎn)移到電動(dòng)汽車，其轉(zhuǎn)化效率較高，但只能單點(diǎn)進(jìn)行充電，而且電能傳遞的距離較短。磁場(chǎng)共振式[11]無線充電設(shè)備由能量發(fā)送/接受裝置構(gòu)成，當(dāng)充電設(shè)備和電動(dòng)車有相同的共振頻率時(shí)，即可完成充電動(dòng)作；其電能傳遞距離較遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多方式充電，并且無需精準(zhǔn)對(duì)位，但其傳輸中能量損耗較大。表1為目前國(guó)內(nèi)外研究電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的廠商。

表1 國(guó)內(nèi)外研究電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的廠商

3 換電技術(shù)

在新能源汽車的使用過程中，可能會(huì)遇到包括電池容量衰減、充電樁短缺等一系列問題，換電技術(shù)[12]應(yīng)運(yùn)而生。換電技術(shù)指的是通過集中型充電站對(duì)大量電池集中存儲(chǔ)、集中充電、統(tǒng)一配送，并在電池配送站內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行電池更換服務(wù)或者集電池的充電、物流調(diào)配、以及換電服務(wù)于一體，理論上可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車無間斷的運(yùn)行，而且，換電模式下完成后的電池將一直處于循環(huán)使用的過程中，可以一定程度延續(xù)動(dòng)力電池的使用壽命，隨時(shí)可以消除安全隱患。但是換電站不同于公共充電樁，這種方式意味著高昂的建造和運(yùn)行成本[12]。2020年8月12至13日，汽標(biāo)委電動(dòng)車輛分標(biāo)委在深圳組織召開2020年標(biāo)準(zhǔn)審查會(huì)，其中由北汽新能源、蔚來、中汽中心等單位牽頭起草的GB/T《電動(dòng)汽車換電安全要求》推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)通過了審查，標(biāo)準(zhǔn)的制定將為換電電動(dòng)車行業(yè)的健康安全發(fā)展提供指導(dǎo)。圖3為蔚來汽車換電站，僅需3～5分鐘即可完成更換滿電動(dòng)力電池。

圖3 蔚來汽車換電站

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，每種充電方式都有特定的使用場(chǎng)景及優(yōu)缺點(diǎn)，目前市場(chǎng)上仍以傳導(dǎo)充電方式為主；無線充電與傳導(dǎo)充電相比較，無線充電方式由于電動(dòng)汽車沒有外部連接器，可以有效避免漏電、跑電等安全隱患，車輛只需停放在固定位置即可進(jìn)行充電，無需監(jiān)管，但其充電成本高、傳輸效率低，目前市場(chǎng)還在推廣中。以無線充電與換電模式相比較，換電模式補(bǔ)電時(shí)間僅需3～5分鐘，而無線充電時(shí)間與充電功率相關(guān)，即使?jié)M功率充電，也需要幾個(gè)小時(shí)才可以充滿。可預(yù)見的是，隨著國(guó)家新基建的浪潮推進(jìn)，在國(guó)內(nèi)大中城市將迅速建立起充電網(wǎng)絡(luò)，包括快充樁、慢充樁、換電站等設(shè)施，屆時(shí)電動(dòng)汽車充電難的問題將得到根本改善，汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展將迎來新的高峰。