電動(dòng)汽車高功率動(dòng)力電池與充電樁技術(shù)整合

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）07-0013-03

Integrationof High-power BatteriesforElectric VehiclesandChargingPile Technologie

WangXiaofei，ShiFahui

Changzhou Development amp; Manufacture Centre Co.，Ltd.，Changzhou ，China

【Abstract】With the transformationof the global energy structure and theadvancement ofcarbon emision control， thelarge-scale popularizationof electricvehicles has putforward higherrequirements for high-powerpower bateriesand charging infrastructure.However，theexisting technologies haveproblemssuch as low energy transmission effciency， high securityrisksand poor protocoladaptability.Thearticleaims to integratehigh-power power bateryandcharging pile technologiesandproposesystem integrationoptimization strategies.Byelaborating thekeytechnologiesof thepower systemof electricvehicles，high-power power bateriesand thetheoretical basisof thechargingpilesystem，the integrateddesigniscariedoutfromthreeaspects：dynamicadaptationofthecharging interface，dynamicpower cooperative control，andthedesign of the thermal management coupling system.A hierarchical defensesecurity protectionsystemisconstructed，andtheintegrationofstandardizedchargingprotocolsisrealizedbyusing the programmableprotocol conversiongateway.Buildafull lifecycle inteligentoperationand maintenance management platformand improve theoperationand maintenance technical system.The research resultsare conducive to enhancing thecyclelifeofpower bateries，optimizing theutilizationrateofchargingfacilities，and providingtheoreticalreferences forthe sustainabledevelopmentoftheelectricvehicle industry.

【Key words】 electric vehicle；power system；high-power battery；charging pile technology

0 引言

全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與碳排放控制目標(biāo)加速了電動(dòng)汽車的規(guī)?；占?，動(dòng)力電池與充電基礎(chǔ)設(shè)施作為核心支撐系統(tǒng)面臨高功率化發(fā)展需求。高能量密度動(dòng)力電池技術(shù)突破顯著提升了車輛續(xù)航能力，但受制于充電設(shè)施匹配度不足，高壓快充場(chǎng)景下存在能量傳輸效率瓶頸與系統(tǒng)安全問題。傳統(tǒng)充電系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)大功率動(dòng)態(tài)負(fù)荷時(shí)，也暴露出接口協(xié)議適配性差、功率分配策略滯后及熱失控風(fēng)險(xiǎn)增加等共性問題，制約著高功率電池性能的充分發(fā)揮。同時(shí)，充電網(wǎng)絡(luò)智能化演進(jìn)要求動(dòng)力電池與充電樁在電氣互連、信息交互及能量調(diào)度層面實(shí)現(xiàn)深度耦合。然而，現(xiàn)有技術(shù)方案尚未形成體系化整合路徑，亟待建立跨領(lǐng)域協(xié)同優(yōu)化的理論框架與工程方法。因此，本文聚焦高功率動(dòng)力電池與充電樁技術(shù)的整合，提出整合設(shè)計(jì)方案以及系統(tǒng)集成優(yōu)化策略，以期為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)以高功率動(dòng)力電池為核心能量載體，通過電力電子裝置與驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)同工作，完成電能向機(jī)械能的高效轉(zhuǎn)換，支撐車輛行駛需求[]。電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)集成電池模組、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及能量管理單元，形成從儲(chǔ)能、功率分配到驅(qū)動(dòng)輸出的完整鏈路。高功率電池作為動(dòng)力源頭，需滿足快速充放電下高壓大電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，其內(nèi)部電化學(xué)特性與熱穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)能量密度與循環(huán)壽命。電控系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)工況調(diào)節(jié)功率輸出，采用多域協(xié)同控制策略平衡動(dòng)力需求與電池安全邊界，確保車輛在加速、制動(dòng)等復(fù)雜場(chǎng)景下的運(yùn)行可靠性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過變頻調(diào)速匹配不同負(fù)載條件，提升整體能效表現(xiàn)。動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念正從單一功能模塊疊加向全域集成化方向演進(jìn)，強(qiáng)調(diào)電氣架構(gòu)輕量化、效率最優(yōu)化及智能化管理能力的升級(jí)。

1.2 高功率動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)

高功率動(dòng)力電池性能提升依賴材料革新與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。正負(fù)極材料需兼顧導(dǎo)電性、離子擴(kuò)散速率，抑制副反應(yīng)，提升電化學(xué)穩(wěn)定性；電極極片通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增大接觸面積、降低內(nèi)阻，適配高功率負(fù)載。電解質(zhì)著重開發(fā)高電壓耐受性與熱響應(yīng)能力，平衡傳輸效率與安全。電池模組采用低阻抗連接與均流設(shè)計(jì)，避免電流不均；系統(tǒng)集成強(qiáng)化機(jī)械強(qiáng)度與絕緣性能，嵌入故障診斷單元，構(gòu)建單體到系統(tǒng)的安全防護(hù)體系。

1.3 充電樁系統(tǒng)

充電樁系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車能量補(bǔ)給的核心基礎(chǔ)設(shè)施，圍繞安全、效率與兼容性目標(biāo)展開技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。該系統(tǒng)由功率轉(zhuǎn)換模塊、充電接口、通信單元及管理系統(tǒng)構(gòu)成，通過電網(wǎng)電能到車載電池的電能傳遞，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的能源交互[3]。功率模塊基于電網(wǎng)特性與車輛需求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓與電流，解決不同車型電池平臺(tái)的適配問題。充電接口能夠兼顧物理連接可靠性與信號(hào)交互精確性，在高壓大電流場(chǎng)景下避免接觸不良引發(fā)的過熱風(fēng)險(xiǎn)。通信協(xié)議集成車樁間狀態(tài)同步與指令交互功能，搭建充電控制閉環(huán)確保操作安全邊界。電網(wǎng)側(cè)能夠協(xié)同負(fù)荷管理與電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)，降低無(wú)序充電對(duì)配電網(wǎng)的沖擊，并通過有序調(diào)度提升基礎(chǔ)設(shè)施利用率。隨著智能網(wǎng)聯(lián)需求的升級(jí)，充電樁逐步支持遠(yuǎn)程運(yùn)維、用戶交互及能源數(shù)據(jù)管理，推動(dòng)了充電網(wǎng)絡(luò)與車端電池狀態(tài)的深度融合。

2高功率動(dòng)力電池與充電樁技術(shù)整合設(shè)計(jì)

2.1充電接口動(dòng)態(tài)適配技術(shù)

充電接口動(dòng)態(tài)適配技術(shù)可以通過多自由度浮動(dòng)結(jié)構(gòu)與智能感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理連接精準(zhǔn)匹配。充電槍端部采用球鉸鏈配合彈簧阻尼機(jī)構(gòu)形成空間六維補(bǔ)償能力，通過激光位移傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛插座位置偏移量，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)調(diào)整機(jī)械臂空間姿態(tài)完成毫米級(jí)對(duì)接補(bǔ)償。充電樁側(cè)配置寬范圍的電壓檢測(cè)電路，與車輛電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）建立雙向通信，根據(jù)電池組實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)與溫度參數(shù)，通過可編程邏輯控制器動(dòng)態(tài)切換接觸器組合拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)50＼～1000V寬電壓范圍內(nèi)接口電氣參數(shù)的自動(dòng)適配。同時(shí)，接口內(nèi)部集成分布式光纖溫度傳感器陣列，采用蛇形冷卻液流道與帕爾貼效應(yīng)半導(dǎo)體協(xié)同散熱，當(dāng)監(jiān)測(cè)到局部溫升異常時(shí)立即啟動(dòng)分級(jí)降流保護(hù)機(jī)制，以解決高功率充電場(chǎng)景下插接損耗與電弧風(fēng)險(xiǎn)問題。

2.2 動(dòng)態(tài)功率協(xié)同控制系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)功率協(xié)同控制系統(tǒng)應(yīng)基于多層級(jí)控制架構(gòu)構(gòu)建，中央?yún)f(xié)調(diào)器通過光纖環(huán)網(wǎng)與電池管理系統(tǒng)及充電樁控制器建立毫秒級(jí)通信鏈路。系統(tǒng)部署分布式邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集電池組單體電壓差異與模組溫度梯度，結(jié)合充電樁側(cè)直流母線電壓波動(dòng)特征，采用模型預(yù)測(cè)控制算法滾動(dòng)優(yōu)化功率分配方案。功率半導(dǎo)體器件采用碳化硅MOSFET并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置柵極驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路與動(dòng)態(tài)均流控制器，通過脈寬調(diào)制信號(hào)占空比自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)功率的微秒級(jí)精確調(diào)節(jié)。系統(tǒng)內(nèi)嵌多目標(biāo)優(yōu)化求解器，在充電樁整流模塊與電池組之間建立雙向功率反饋通道，當(dāng)檢測(cè)到電池極化電壓突變時(shí)自動(dòng)觸發(fā)充電曲線平滑切換機(jī)制。電池簇間部署環(huán)形直流母線架構(gòu)，配合多端口隔離式DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)跨模組能量動(dòng)態(tài)調(diào)度，在極端工況下可以激活能量回饋模式將故障模組電荷定向轉(zhuǎn)移至健康電池單元，確保高功率傳輸過程中的能量流最優(yōu)匹配與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3熱管理耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱管理耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)構(gòu)建電池與充電設(shè)施間的立體化熱交換網(wǎng)絡(luò)，電池模組內(nèi)部嵌入微型化液冷板結(jié)構(gòu)，其流道采用分形拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)接觸面熱阻最小化。充電樁側(cè)配置雙循環(huán)散熱架構(gòu)，初級(jí)回路通過逆流式板式換熱器與電池冷卻液進(jìn)行熱量交換，次級(jí)回路采用相變材料蓄熱單元與離心風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)散熱。電池箱體與充電槍握把處集成熱管陣列，利用毛細(xì)芯多孔介質(zhì)實(shí)現(xiàn)接觸點(diǎn)高熱流密度區(qū)域的定向?qū)幔瑹峁苷舭l(fā)段與冷凝段分別連接電池液冷板入口和充電樁散熱翅片。系統(tǒng)部署多通道溫度采集模塊，在電池極耳、電解液注液口、充電樁接觸端子等關(guān)鍵位置布置分布式光纖測(cè)溫點(diǎn)，實(shí)時(shí)生成三維溫度場(chǎng)云圖。

3高功率動(dòng)力電池與充電樁技術(shù)整合系統(tǒng)優(yōu)化

3.1安全防護(hù)體系構(gòu)建

安全防護(hù)體系構(gòu)建應(yīng)采用分層防御架構(gòu)（圖3）。充電槍集成電弧檢測(cè)與電流紋波分析模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)異常放電；電池組部署多頻阻抗譜單元，檢測(cè)電解液分解。充電樁功率模塊設(shè)冗余泄放電路，電壓突變時(shí)通過IGBT鉗位限制過壓。系統(tǒng)構(gòu)建三級(jí)絕緣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，如主回路測(cè)漏電流、輔助回路監(jiān)控絕緣趨勢(shì)、控制回路阻斷干擾。接觸端子采用熔斷-彈射聯(lián)動(dòng)防護(hù)，異常溫升觸發(fā)毫秒級(jí)斷接。數(shù)據(jù)安全層以動(dòng)態(tài)密鑰加密、雙向非對(duì)稱算法與虛擬專用通道，結(jié)合電氣阻斷、熱防護(hù)、電磁濾波，實(shí)現(xiàn)能量傳輸全流程安全防護(hù)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化充電協(xié)議融合

標(biāo)準(zhǔn)化充電協(xié)議融合采用可編程協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，部署多核處理器運(yùn)行多協(xié)議棧，以高速光電耦合器隔離系統(tǒng)。通過協(xié)議特征碼自動(dòng)識(shí)別模塊，100ms 內(nèi)完成充電標(biāo)準(zhǔn)判別。協(xié)議轉(zhuǎn)換器支持OTA更新，握手階段自動(dòng)匹配最佳充電曲線。數(shù)據(jù)鏈路層雙重校驗(yàn)保障傳輸可靠，邊緣計(jì)算單元優(yōu)化協(xié)議切換邏輯，通信中斷時(shí)自動(dòng)回退基礎(chǔ)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)高效能量交互。

3.3運(yùn)行維護(hù)技術(shù)體系

運(yùn)行維護(hù)技術(shù)體系構(gòu)建全生命周期智能運(yùn)維平臺(tái)，通過多源異構(gòu)傳感器實(shí)時(shí)采集電池膨脹力、充電樁電弧數(shù)據(jù)，結(jié)合移動(dòng)巡檢終端檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)。部署數(shù)字孿生引擎搭建三維可視化模型，融合電流諧波與熱成像數(shù)據(jù)，經(jīng)深度殘差網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)評(píng)估充電樁功率模塊老化及電池隔膜結(jié)晶情況。遠(yuǎn)程維護(hù)終端集成虛擬調(diào)試環(huán)境，利用安全隧道協(xié)議完成固件燒錄與參數(shù)整定，維護(hù)記錄同步至區(qū)塊鏈存證，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維全流程最優(yōu)控制。

4結(jié)論

本文基于電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)、高功率動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)以及充電樁系統(tǒng)的概述，從充電接口動(dòng)態(tài)適配技術(shù)、動(dòng)態(tài)功率協(xié)同控制系統(tǒng)以及熱管理耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)維度分析了電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的高功率電池與充電樁技術(shù)整合設(shè)計(jì)，并提出構(gòu)建安全防護(hù)體系、融合標(biāo)準(zhǔn)化充電協(xié)議以及運(yùn)行維護(hù)技術(shù)體系，以提升動(dòng)力電池循環(huán)壽命與優(yōu)化充電設(shè)施利用率。

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（編輯林子衿）