電動汽車充電過程分析以及提高充電速度的方法

摘 要：充電系統(tǒng)是電動汽車中的一個重要基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，當(dāng)前階段動力電池充電技術(shù)是電動汽車發(fā)展的一大瓶頸技術(shù)，根據(jù)采用充電模式的不同電動汽車內(nèi)部分為快速充電系統(tǒng)和慢速充電系統(tǒng)。本文首先介紹兩種充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后對充電過程進(jìn)行分析，最后總結(jié)出提高電動汽車充電速度的五種方法。

關(guān)鍵詞：電動汽車 快速充電 慢速充電 充電速度

1 前言

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車充電技術(shù)朝著智能化、高效化、便捷化、安全化的方向發(fā)展，同時動力電池的多樣化必將對電動汽車的充電方式、充電機(jī)的功能產(chǎn)生越來越多的需求。然而當(dāng)前階段動力電池充電技術(shù)成為電動汽車發(fā)展的一大瓶頸技術(shù)，是否能夠快速、便捷、安全地充電已經(jīng)成為電動汽車能否在市場上占領(lǐng)一席之地的關(guān)鍵核心技術(shù)。根據(jù)工作原理的不同，電動汽車內(nèi)部的充電模塊可以分為快速充電系統(tǒng)和慢速充電系統(tǒng)[1-2]。

2 電動汽車快速充電過程分析

2.1 快速充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

快速充電是指在很短的時間內(nèi)給動力電池以最快的充電速度，將動力電池的電量充至滿電或者接近滿電的充電方法，同時需要保證動力電池能夠達(dá)到規(guī)定的循環(huán)壽命、相關(guān)安全性能以及電性能，一般快速充電系統(tǒng)要求能夠在15分鐘內(nèi)將動力電池總電量充至滿電量的80%以上[3]。在快速充電方式下，動力電池的充電電流一般在150安培至400安培之間，充電電壓一般在200伏特至750伏特之間，且充電功率在30千瓦以上。常見的快速充電系統(tǒng)由直流充電樁、直流充電接口、充電線束、充配電總成和動力電池組等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 快速充電系統(tǒng)充電過程分析

（1）直流充電樁整流。由于電網(wǎng)中的380V三相交流電無法直接對動力電池進(jìn)行輸入，所以在快速充電過程中輸入電動汽車的高壓直流電需要先經(jīng)過直流充電樁進(jìn)行轉(zhuǎn)換整流。直流充電樁的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

（2）直流充電樁連接至車輛。將直流充電樁上面的充電槍插入車輛的快速充電接口，為直流充電樁和車輛之間提供高壓直流電源通路。

（3）整車控制器進(jìn)行快速充電喚醒。整車控制器VCU通過充電連接確認(rèn)線CC判斷和確認(rèn)充電槍是否連接無誤，確認(rèn)連接無誤后再通過低壓喚醒線路將整車的快速充電系統(tǒng)各個模塊激活。

（4）電池管理器檢測充電需求。電池管理器BMS通過測量動力電池包的電壓值來檢測當(dāng)前車輛的充電需求狀態(tài)。

（5）整車控制器向高壓控制盒發(fā)送充電指令。如果電池管理器檢測到當(dāng)前動力電池需要進(jìn)行充電，整車控制器VCU就會向高壓控制盒發(fā)送高壓充電接觸器接通的指令，從而連接動力電池包與直流充電樁之間的充電回路。

（6）進(jìn)行快速充電。在進(jìn)行快速充電的過程中，整車控制器VCU向儀表盤模塊輸出充電電流、充電電壓、動力電池SOC值等數(shù)據(jù)流，直流充電樁輸出的高壓直流電能通過直流充電回路儲蓄到動力電池包當(dāng)中。

（7）充電結(jié)束。當(dāng)電池管理器BMS檢測到動力電池包完成充電后，向整車控制器VCU發(fā)送結(jié)束充電指令，斷開高壓充電接觸器，快速充電系統(tǒng)停止工作。

3 電動汽車慢速充電過程分析

3.1 慢速充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

慢速充電?通過家用電源插頭或者交流充電樁接入車輛的交流充電接口，由車載充電機(jī)將220伏的交流電轉(zhuǎn)為高壓直流電給動力電池包進(jìn)行充電。?這種充電方式采用小電流的恒壓或恒流充電方式，充電時間通常在5～20小時之間。采用慢速充電方式可以減少動力電池充電時受到的負(fù)荷，較好地控制動力電池包的充電溫度，使電池包不會過熱，從而延長電池包的使用壽命[4]。慢速充電主要利用家用電源進(jìn)行充電，使用相對便捷。常見的慢速充電系統(tǒng)由慢速充電槍、慢速充電接口、慢速充電線束、車載充電機(jī)、充配電總成和動力電池組等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 慢速充電系統(tǒng)充電過程分析

用戶將充電槍（車輛自帶或者充電樁上）插入交流充電接口進(jìn)行匹配，匹配成功后，車載充電機(jī)開始工作，首先車輛通過低壓信號喚醒慢速充電系統(tǒng)，電池管理器BMS檢測動力電池組電量判斷是否需要進(jìn)行充電，檢測完畢后將充電指令發(fā)送給車載充電機(jī)并閉合動力電池組中的充電繼電器開始充電，車載充電機(jī)把外界的220V交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電直接存儲到動力電池組中[5]。以比亞迪e5車型為例，其慢速充電系統(tǒng)的充電控制框圖如圖4所示，充電過程分為以下8個階段：

（1）半連接狀態(tài)。交流充電樁與車輛慢速充電接口通過充電線纜發(fā)生物理連接，當(dāng)按下交流充電槍的手柄按鈕時，S3接觸器斷開，交流充電樁低壓輔助電源向檢測點(diǎn)1和檢測點(diǎn)2輸入電源，經(jīng)過VTOG后，檢測電阻R3和R4是否接地，再由車輛充電口與交流充電樁充電槍的CC/CP/PE通訊檢測連接狀況。

（2）雙方確認(rèn)連接。松開交流充電槍的手柄按鈕，S3接觸器閉合，PE檢測電路將不經(jīng)過R4電阻，從而使檢測信號完整，檢測過程完畢。

（3）車輛充電準(zhǔn)備。完成連接檢測后，雙路電向高壓配電箱、VTOG以及BMS提供電源。車輛控制單元控制高壓配電箱中的正、負(fù)極接觸器閉合。

（4）車輛和供電設(shè)備準(zhǔn)備就緒。車載充電機(jī)被VTOG喚醒，車輛充電準(zhǔn)備就緒。交流充電樁檢測到車輛充電準(zhǔn)備就緒后，閉合K1、K2繼電器，開始向車載充電機(jī)供電。

（5）確認(rèn)充電功率。通過對比供電設(shè)備供電能力、檢測點(diǎn)3額定容量和車載充電機(jī)輸入電流，確定充電功率。

（6）進(jìn)行充電。電池管理器控制充電接觸器吸合，動力電池組開始充電。在充電過程中，檢測點(diǎn)2一直檢測動力電池電壓，不斷調(diào)整車載充電機(jī)的充電電壓和充電電流。

（7）結(jié)束充電。當(dāng)電池管理器檢測到動力電池包充電電流下降至1A時，電池管理器控制各接觸器分離。S2開關(guān)斷開，檢測點(diǎn)1檢測到停止充電信號，充電槍停止供電，K1、K2繼電器斷開，充電過程結(jié)束。

4 提高電動汽車充電速度的方法

充電速度是限制電動汽車普及的一個重要因素，用戶希望電動汽車的充電時間可以縮短至幾分鐘，從技術(shù)角度來看，動力電池、電氣架構(gòu)和車載充電器都限制了潛在的電動汽車充電速度。提高充電速度的方法有以下幾種：

4.1 增加動力電池電壓

對于電動汽車而言，可以通過提高充電電壓或充電電流以增加動力電池的充電功率來達(dá)到提高充電速度的目的。當(dāng)充電電流增加時，電纜需要更大的直徑，而增加充電電壓，可以降低充電電流，不需要加粗電纜。目前電動汽車的電氣架構(gòu)主要是400伏，越來越多的汽車制造商正在轉(zhuǎn)向生產(chǎn)具有800伏架構(gòu)的電動汽車，可以實(shí)現(xiàn)在20分鐘內(nèi)將動力電池充電至80%的滿電量。

4.2 研發(fā)新型材料的電池

通過增加電池電壓來提高充電功率，電動汽車的充電速度仍然存在上限，而這個上限就是電池的化學(xué)性質(zhì)。因此，為了提高電動汽車的充電速度，還需要研發(fā)可以承受更快充電速度的新型電池。根據(jù)目前最新的電池研發(fā)技術(shù)，有三種新型電池的充電速度比目前的磷酸鐵鋰和三元鋰電池的速度要快。第一種是石墨烯電池，能在10分鐘內(nèi)將電動汽車的電量充至80%。石墨烯能夠快速為汽車充電的關(guān)鍵在于它顯著增加了電極密度并加速了電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了更快的充電速度和更大的功率傳輸，同時熱量更少，石墨烯技術(shù)包括鋁離子石墨、鈉離子石墨和鋰離子石墨烯。第二種是固態(tài)電池，固態(tài)電池技術(shù)的難度很大，目前尚無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。第三種是量子電池，充電速度理論上可達(dá)10秒，但是目前還只是學(xué)術(shù)研究階段，沒有實(shí)際產(chǎn)品出現(xiàn)。

4.3 采用更換電池方式

更換電池充電又稱為機(jī)械充電，通過這種技術(shù)，車主可以在短時間內(nèi)為自己的電動汽車更換電池，使車輛迅速充滿電量并繼續(xù)行駛。車主將車輛駛?cè)霌Q電站，工作人員或機(jī)器人將舊電池取下，并將充滿電的新電池安裝到車上，整個換電過程大約需要3-5分鐘，比傳統(tǒng)充電方式要快得多。這種充電方式下的動力電池包需要設(shè)計(jì)為可拆卸結(jié)構(gòu)。蔚來汽車已經(jīng)研發(fā)出了第四代換電站，車輛從停入換電站到更換完電池再開出來，全程換電時間不到3秒，這一提速的核心措施包括電池倉庫立體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、動力電池包運(yùn)輸路線的優(yōu)化以及換電四個環(huán)節(jié)“泊車、準(zhǔn)備、換電、自檢”的流程優(yōu)化。

4.4 采用無線充電方式

無線充電技術(shù)是一種不依賴充電電纜的電動汽車充電方式，通過電磁感應(yīng)、電磁共振、射頻等方式實(shí)現(xiàn)非接觸式的電力傳輸，避免了漏電、跑電等安全隱患。與傳統(tǒng)有線充電相比，它具有使用方便、無需監(jiān)管等優(yōu)點(diǎn)，但充電功率較小，傳輸效率略低。電動汽車無線充電主要有電磁感應(yīng)式和磁場共振式兩種方式。電磁感應(yīng)式充電優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率較高，但充電距離短，只能一對一進(jìn)行充電。磁場共振式無線充電傳輸距離相對較遠(yuǎn)，且可以同時對多輛汽車進(jìn)行充電，但能量損耗較大。電磁感應(yīng)式充電對于車輛位置要求比較嚴(yán)格，而磁場共振式則不需要精準(zhǔn)對位。相比充電樁，無線充電的成本較高，且各個品牌充電標(biāo)準(zhǔn)不一?？傮w上，無線充電技術(shù)是一種方便、安全、省空間的充電方式，但目前仍存在一些技術(shù)上的局限性。

4.5 采用移動式充電方式

移動式充電方式使用移動充電樁作為車輛的充電設(shè)備，與傳統(tǒng)的固定式充電樁相比，具有移動性和靈活性。當(dāng)電動汽車電量不足時，一輛裝有移動充電樁的救援車輛可以迅速抵達(dá)現(xiàn)場，避免了拖車去尋找充電樁。移動充電樁可以采用多樣化的安裝方式，包括大型貨車、專業(yè)拖車、小型電動車輛等，都可以成為它的載體。同時借助GPS等先進(jìn)技術(shù)，移動充電樁可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和快速響應(yīng)，確保在第一時間抵達(dá)需要充電的地點(diǎn)，特別適用于電動汽車充電網(wǎng)絡(luò)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)使用。

5 總結(jié)

現(xiàn)階段電動汽車充電系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已趨成熟，但每一種充電方式都還存在短板，另外，充電設(shè)施在不同地區(qū)之間的分布仍然不平衡，一些地區(qū)存在充電樁嚴(yán)重不足的問題，限制了電動汽車的發(fā)展。未來電動汽車充電技術(shù)的發(fā)展方向除了提高充電速度外，還包括提高充電效率、完善充電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、兼容多種充電技術(shù)、提高充電安全性等多個方面。無論采用何種充電方式，最終的目的都是讓電動汽車可以更高效、更安全地行駛，解決電動汽車的充電技術(shù)問題，將為電動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障，進(jìn)一步推動電動汽車的普及。

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（24B470011）—基于云平臺的新能源汽車有序充電策略及應(yīng)用研究。

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