電動(dòng)汽車(chē)大功率充電技術(shù)研究與應(yīng)用

張海艷，呂志偉，左延婷，李大治，郭艷秀，胡澤明 Zhang Haiyan，Lü Zhiwei，ZuoYanting，Li Dazhi，Guo Yanxiu，Hu Zeming

電動(dòng)汽車(chē)大功率充電技術(shù)研究與應(yīng)用

張海艷，呂志偉，左延婷，李大治，郭艷秀，胡澤明 Zhang Haiyan，Lü Zhiwei，ZuoYanting，Li Dazhi，Guo Yanxiu，Hu Zeming

（北京新能源汽車(chē)股份有限公司，北京 100176）

分析國(guó)內(nèi)外大功率充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，開(kāi)展大功率充電項(xiàng)目，對(duì)大功率充電進(jìn)行仿真分析，并在整車(chē)上進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和分析，實(shí)現(xiàn)了高于170 kW充電功率的充電目標(biāo)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)大功率充電技術(shù)的發(fā)展，為后續(xù)大功率充電技術(shù)在量產(chǎn)車(chē)型上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

電動(dòng)汽車(chē)；大功率充電；高電壓；大電流

0 引 言

隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展及電動(dòng)汽車(chē)日益普及，各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型如電動(dòng)轎車(chē)、電動(dòng)客車(chē)、電動(dòng)物流車(chē)、電動(dòng)叉車(chē)等開(kāi)始取代傳統(tǒng)燃油車(chē)出現(xiàn)在各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)所中[1]。電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程不斷提高，目前很多車(chē)型可達(dá)到500 km以上。續(xù)航里程的提高，會(huì)伴隨著電動(dòng)汽車(chē)充電所需要時(shí)間變長(zhǎng)。充電便利性、高效性依然是用戶(hù)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)注點(diǎn)，也是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展最重要的制約因素。因此，發(fā)展大功率充電是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的共同目標(biāo)。

國(guó)際上，歐、美、日本等國(guó)家和地區(qū)的大功率充電路線(xiàn)圖見(jiàn)表1。目前，特斯拉第二代充電技術(shù)的最大功率為120 kW，特斯拉第三代充電技術(shù)的最大充電功率能達(dá)到250 kW。奧迪e-tron95 kWh電池的充電電流可達(dá)350 A，0～80%SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）耗時(shí)約30min。

表1 歐、美、日大功率充電路線(xiàn)圖

在國(guó)內(nèi)，GB/T 18487.1—2015《電動(dòng)汽車(chē)充電傳導(dǎo)系統(tǒng)第一部分：通用要求》中給出供電設(shè)備輸出電壓分為200～500 V、350～700 V、500～950 V共3擋，見(jiàn)表2[2]。中汽研和中電聯(lián)已牽頭成立大功率充電小組，計(jì)劃修訂高壓大功率充電技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同電壓平臺(tái)充電性能

1 大功率充電技術(shù)及相關(guān)要求

電動(dòng)汽車(chē)充電所涉及部件主要有：充電樁、高壓線(xiàn)束、冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力電池等。所有涉及部件均需滿(mǎn)足大功率充電的要求，才可以在整車(chē)進(jìn)行搭載。

1.1 大功率充電技術(shù)

電動(dòng)汽車(chē)充電有2種形式：交流充電和直流充電。大功率充電屬于較大功率的直流充電，行業(yè)對(duì)其沒(méi)有明確規(guī)定，屬于較寬泛的行業(yè)術(shù)語(yǔ)，理解為125 kW以上的充電功率為大功率。實(shí)現(xiàn)大功率充電主要有3種途徑：一是電流維持在當(dāng)前市場(chǎng)通用水平，提升電壓；二是電壓維持在當(dāng)前市場(chǎng)主流電壓水平，提升電流；三是同時(shí)適當(dāng)?shù)靥嵘妷汉碗娏鳌Ｔ谶x擇大功率充電實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，需綜合考慮市場(chǎng)及主機(jī)廠(chǎng)資源等因素。

1.2 充電樁現(xiàn)狀

截止到2019年2月，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟總共上報(bào)直流充電樁15.9萬(wàn)[3]。根據(jù)全國(guó)最大公共充電運(yùn)營(yíng)商特來(lái)電的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，40～60 kW充電功率是目前乘用車(chē)需求最多的充電功率。2017年之后，國(guó)家所建充電堆大多為一拖三和一拖六比例，單樁充電功率均能達(dá)到 150 kW。

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，特來(lái)電700 V以上充電樁在公共站的比例為75%，此類(lèi)充電樁的比例在逐步增加，充電樁和充電槍輸出最大電流為250 A。如通過(guò)提高電壓的形式實(shí)現(xiàn)大功率充電，700 V電壓平臺(tái)和250A充電電流為制約因素。若超出市場(chǎng)充電樁現(xiàn)有范圍，則整車(chē)需要配備升壓模塊，才能保證用戶(hù)的充電資源。

國(guó)家電網(wǎng)、許繼電氣、特來(lái)電、萬(wàn)馬股份等設(shè)備供應(yīng)商都在積極開(kāi)發(fā)智能充電系統(tǒng)，主流功率為150～500 kW不等[4]。目前，對(duì)于高性能車(chē)，在資源成本允許的條件下，整車(chē)廠(chǎng)可采用與設(shè)備供應(yīng)商合作，以自建樁的形式滿(mǎn)足用戶(hù)大功率充電需求。

1.3 整車(chē)要求

目前市場(chǎng)上乘用車(chē)充電電壓大都在550 V以?xún)?nèi)，所應(yīng)用的所有整車(chē)高壓系統(tǒng)部件都在此電壓平臺(tái)下開(kāi)發(fā)、測(cè)試和生產(chǎn)。若提高整車(chē)的電壓平臺(tái)到700 V甚至更高，電機(jī)、電機(jī)控制器、功率器件、高壓配電盒、高壓線(xiàn)束、高壓接插件等高壓部件可能需要重新開(kāi)發(fā)。電壓平臺(tái)提高對(duì)整車(chē)、高壓系統(tǒng)及高壓部件的電安全（絕緣電阻、絕緣檢測(cè)系統(tǒng)、耐壓、冷卻等）也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

大功率充電對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)的技術(shù)要求主要有4個(gè)方面：電芯的設(shè)計(jì)選型、電連接設(shè)計(jì)、熱管理以及能量管理。大功率充電的首要要求是電池電芯的充電倍率，開(kāi)發(fā)允許大倍率充電的電芯才能進(jìn)行后續(xù)配件的匹配開(kāi)發(fā)；電芯的電連接（busbar）、模組間連接、高壓線(xiàn)纜等均需要滿(mǎn)足整車(chē)所需高電壓、大電流的要求；針對(duì)動(dòng)力電池較大的散熱量需采用高效的冷卻方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)及時(shí)、合理的降溫，保證安全和工作效率；電池能量管理系統(tǒng)需要優(yōu)化升級(jí)現(xiàn)有的快充充電策略、溫度控制策略、快充保護(hù)策略等[5]。

2 大功率充電仿真模型

2.1 大功率充電時(shí)間主模型

大功率充電時(shí)間的分析模型，包括電流計(jì)算模塊、溫升計(jì)算模塊、SOC計(jì)算模塊、電量計(jì)算模塊以及充電樁輸出電量計(jì)算模塊等，可以對(duì)不同溫度、SOC等初始條件的充電過(guò)程進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 大功率充電時(shí)間主模型

2.2 電池SOC計(jì)算模塊

SOC計(jì)算模塊包括OCV（Open-Circuit Voltage Method，開(kāi)路電壓法）和安時(shí)積分法，可以選擇其中任何一種方法進(jìn)行計(jì)算，增加SOC計(jì)算的可靠性。采用OCV法，在電池電流為零的情況下，通過(guò)測(cè)量動(dòng)力電池開(kāi)路電壓來(lái)估算電池的SOC；安時(shí)積分法是通過(guò)對(duì)充電過(guò)程中的電路進(jìn)行積分，對(duì)比不同溫度、電壓狀態(tài)下的可用電量，計(jì)算實(shí)時(shí)的SOC，電池SOC計(jì)算模塊如圖2所示。

圖2 電池SOC計(jì)算模塊[1]

2.3 電池溫度計(jì)算模塊

充電過(guò)程中，電池包溫升與環(huán)境溫度、電池包初始溫度、電池包加熱冷卻速率及充電過(guò)程中的自發(fā)熱溫升等因素相關(guān)。大功率快充過(guò)程中的電池包自發(fā)熱溫升較大，當(dāng)溫度達(dá)到一定限值時(shí)需開(kāi)啟液冷系統(tǒng)，防止電池包溫度過(guò)高。電池溫度計(jì)算模塊如圖3所示。

圖3 電池溫度計(jì)算模塊

3 大功率充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電池方案

前面利用大功率充電時(shí)間模塊進(jìn)行了仿真分析，總結(jié)出對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)的要求，見(jiàn)表3。在電芯、模組、電箱、線(xiàn)束、BMS（Battery Management System，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)）、機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱管理等方面均進(jìn)行了充分的驗(yàn)證，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)和企標(biāo)要求。電池包方案如圖4所示。

圖4 電池包方案

表3 電池包主要參數(shù)

3.2 冷卻系統(tǒng)方案

考慮到大功率充電，電池和高壓線(xiàn)束較大的發(fā)熱量，采用液冷系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行冷卻。液冷系統(tǒng)主要涉及到的部件有：冷凝器、散熱器、電子扇、電子水泵、電動(dòng)壓縮機(jī)、熱交換器、冷卻水道、溫度傳感器、高壓線(xiàn)束等。液冷系統(tǒng)方案如圖5所示。高壓線(xiàn)束的熱量通過(guò)電子水泵，由電子扇和散熱器傳到環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓線(xiàn)束的冷卻。電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量由電子水泵，經(jīng)過(guò)熱交換器傳到外部冷卻系統(tǒng)，外部冷卻系統(tǒng)通過(guò)冷凝器和電動(dòng)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)液體降溫。

圖5 電池包及高壓線(xiàn)束液冷方案

4 大功率充電實(shí)車(chē)驗(yàn)證及分析

大功率充電樣車(chē)在經(jīng)過(guò)充分試驗(yàn)驗(yàn)證之后，在大功率充電樁進(jìn)行充電試驗(yàn)，采集整車(chē)報(bào)文數(shù)據(jù)，截取其中一段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6～圖8所示。

圖6 動(dòng)力電池電壓

圖7 動(dòng)力電池充電電流

圖8 動(dòng)力電池充電功率

在200 s充電時(shí)間內(nèi)，動(dòng)力電池電壓由566 V上升至605 V，電壓呈現(xiàn)階段上升的趨勢(shì)，在125 s后上升開(kāi)始平緩。

在200 s充電時(shí)間內(nèi)，動(dòng)力電池充電電流逐漸上升到280 A，在125 s之后趨于穩(wěn)定。

在200 s充電時(shí)間內(nèi)，動(dòng)力電池充電功率逐漸上升到170 kW，在125 s之后趨于穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

對(duì)大功率充電進(jìn)行大量仿真分析，以此為前提進(jìn)行電氣系統(tǒng)、動(dòng)力電池方案、動(dòng)力電池液冷方案、充電線(xiàn)束液冷方案等的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，裝配試驗(yàn)樣車(chē)，并進(jìn)行實(shí)際充電驗(yàn)證，達(dá)到了170 kW充電功率的充電目標(biāo)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)大功率充電技術(shù)的發(fā)展，為后續(xù)大功率充電技術(shù)在量產(chǎn)車(chē)型的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

[1]鄭天驕. 我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展策略研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（17）：137-139.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 電動(dòng)汽車(chē)充電傳導(dǎo)系統(tǒng)第一部分：通用要求：GB/T 18487.1—2015 [S]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[3]中商產(chǎn)業(yè)研究院. 2019年2月電動(dòng)汽車(chē)充電樁市場(chǎng)分析[N/OL]. 中國(guó)電力網(wǎng). 2019-03-22[2019-04-15].：//www.chinapower. com.cn/informa tionhyfx/20190322/1270477.html.

[4]申萬(wàn)宏源. 全球電動(dòng)化充電設(shè)備公司市場(chǎng)大[N/OL]. 證券導(dǎo)報(bào)數(shù)字報(bào). 2018-12-13[2019-04-15]. http：//zqdb.hinews.cn/html/2018-12/13/ content_4_2.htm.[2]

[5]王芳，夏軍. 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2017.

U469.72+2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.009

1002-4581（2020）01-0031-04