電動汽車充電技術(shù)綜述

許二超，周從源

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

電動汽車充電技術(shù)綜述

許二超，周從源

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶介紹了傳導式充電和無線充電的分類、工作原理、研究現(xiàn)狀以及應用情況，對比分析了各種充電模式的優(yōu)缺點，對未來電動汽車充電技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

∶電動汽車；無線充電；充電模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.007

CLC NO.: U469.72Document Code: BArticle ID: 1671-7988 (2016)09-18-04

近年來，隨著國家對節(jié)能減排項目的政策與扶持力度加大，電動汽車呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長，同時對充電方式多樣化和方便性提出更高的要求。目前電動汽車的充電方法主要有兩種：一種是有線充電，也叫傳導式充電；一種是無線充電，也叫無接觸式充電。

1、傳導式充電

傳導式充電以電纜為傳輸介質(zhì)，通過電纜和耦合器連接，進行直接的接觸式電能傳輸。優(yōu)點是技術(shù)成熟，產(chǎn)品開發(fā)簡單，但是由于有外露的導電點，頻繁插拔的操作導致設備增加損耗，安全程度有一定的局限。

2016年1月充電新國標的實施，規(guī)定了傳導式充電連接裝置的定義、要求，充電接口的物理尺寸、電氣性能以及充電控制通信協(xié)議，有助于進一步完善傳導式充電系統(tǒng)性能指標，提高充電的兼容性和安全性。

1.1交流充電

交流充電是單相或三相交流電通過車載充電機整流、濾波、功率因數(shù)校正，轉(zhuǎn)換為合適電壓的直流電，對電動汽車動力電池進行充電的方式。交流充電方式需要在電動汽車上裝配車載充電機，常見的形式為：使用家用電三孔插頭的纜上控制盒（GB/T 18487中充電模式二）以及使用充電插頭的通過交流充電樁。

交流充電使用單相交流電220V時，最大充電電流為32A，三相交流電380V為63A。電動汽車受限于車載充電機的功率、質(zhì)量、空間、體積和成本，目前市場上大部分采用單相的交流充電[1]，充電電流較小，為動力電池0.1C～0.3C，通常在16A以下，充電時間6～10小時。電動汽車一般配備纜上控制盒、便攜式充電樁，可以方便連接電網(wǎng)，實現(xiàn)及時充電。

1.2直流充電

直流充電通過地面充電裝置（直流充電樁）將交流電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化為直流電后，通過充電連接裝置直接對電動汽車動力電池進行充電。主要針對長距離旅行或需要進行快速補充電能的情況進行充電。

直流充電采用三相四線制380V 供電，充電電流一般為100～200A，典型充電時間是0.5～2小時。由于充電電流較大，為動力電池0.5C～2C，對動力電池使用壽命有一定的影響，同時短時間接受大量的電量會導致電池系統(tǒng)過熱。

1.3換電充電

換電充電通過直接更換電動汽車的動力電池組來達到為電動汽車補充電能的目的，并對替換下的電池組進行集中充電的模式。在動力電池更換時間方面，普通車的電池組可以在5分鐘內(nèi)完成更換，電動公交車也僅需要8分鐘，更換時間基本與傳統(tǒng)燃油汽車的加油時間持平。

換電充電模式需要在專門的換電站進行，由于電池組重量較大，更換動力電池的專業(yè)化要求較強，需配備專業(yè)人員來快速完成電池的更換、充電和維護，并且要求電動汽車和車載電池系統(tǒng)實現(xiàn)標準化。換電充電實現(xiàn)了電動汽車和動力電池的技術(shù)分離，更換下的電池可以進行集中充電管理，可避免大規(guī)模電動汽車隨機充電對電網(wǎng)運行帶來的不利影響[2]。

三種傳導式充電模式優(yōu)缺點都比較明顯，如表1所示，從充電便利性、安全性、對電池系統(tǒng)和電網(wǎng)的影響等方面進行了對比分析。

表1　傳導式充電對比分析

1.4傳導式充電研究現(xiàn)狀

1）交直流充電模式對比。電動汽車保有量一定的條件下，車樁比較小時，直流一體機的社會總投入成本明顯高于大功率交流車載充電機；隨著車樁比的增加，兩種充電模式的社會總投入成本均呈下降趨勢；當車樁比大于3.5:1，充電機的利用率顯著提升，直流一體機的優(yōu)勢也更加突出，社會總投入成本明顯低于大功率交流車載充電機[3]。

FARMER C通過壓降、能量損失和線路負載參數(shù)對比了常規(guī)充電和快速充電對電網(wǎng)性能的影響[4]。分析結(jié)果表明，大量電動汽車的不協(xié)調(diào)充電接入電網(wǎng)，嚴重影響了電網(wǎng)的工作性能，并且可能超過配電網(wǎng)負荷能力。同時，快速充電方法較常規(guī)充電對于電網(wǎng)的系統(tǒng)壓力和能力損耗更大。SORTOMME E.等人對協(xié)調(diào)充電理論進行了研究[5]，確定了充電過程中的支路損耗、負載因數(shù)和負載變化的關(guān)系，提出了三種優(yōu)化算法：損耗最小化算法、負載因數(shù)最大化算法和負載變化最小化算法。實驗表明，結(jié)合三種算法，充電過程中對電網(wǎng)配電網(wǎng)的影響得到了最小化。

2）對電網(wǎng)的影響。電動汽車充電會造成新的負荷高峰，在一定程度上給城市供電網(wǎng)絡帶來沖擊；且這種沖擊隨著電動汽車的普及和推廣會越來越大[6]。文獻[7]指出電動汽車充電設備有利于電網(wǎng)的峰谷平衡，但會對電網(wǎng)造成諧波污染，影響電能質(zhì)量，并對諧波污染提出了治理意見。文獻[8]提出了電動汽車常規(guī)慢充能效鏈模型，給出影響電動汽車常規(guī)慢充能效的關(guān)鍵因素，配網(wǎng)、變壓器、充電樁。

3）充電站的建設。充電站的建設包括充電站的外部接入方式（影響因素為供電可靠性、建設規(guī)模、建設成本）、內(nèi)部布局、資金投入等內(nèi)容[9]。電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)作為充電站站內(nèi)設備的集中監(jiān)控設施，應具備以下四大基本功能：充電監(jiān)控功能、配電監(jiān)控功能、電池維護監(jiān)控功能和快速更換設備監(jiān)控功能[10]。

文獻[11]針對集中型充電站接入電網(wǎng)的規(guī)劃問題，綜合考慮電力網(wǎng)絡和交通網(wǎng)絡因素，建立了集中型充電站的定址分容模型，并從新建線路傳輸容量和待選站址地價兩方面對模型進行了靈敏度分析。文獻[12]采用層次分析法處理充電便利性、交通流量、征地代價等不確定性較強的因素，在此基礎(chǔ)上建立了電動汽車充電站選址定容的最優(yōu)經(jīng)濟模型，使包括充電站的運行費用、網(wǎng)損費用和配電變壓器投資等在內(nèi)的充電站運營收益最大化。

2、無線充電

無線充電技術(shù)是基于非接觸式電能傳輸技術(shù)的充電技術(shù)。主要通過電磁感應、電磁共振、微波和激光等方式實現(xiàn)非接觸式電能傳輸?shù)摹ｋm然無線充電技術(shù)有多種形式，但一般認為適用于動力電池充電只有電磁感應式和電磁共振式兩種［13］。

相對于傳導式充電，無線充電具有使用方便、安全、可靠，沒有電火花和觸電的危險，無積塵和接觸損耗，無機械磨損，沒有相應的維護問題，可以適應雨雪等惡劣的天氣和環(huán)境等優(yōu)點[14]。其缺點是：設備的經(jīng)濟成本投入較高，維修費用大；實現(xiàn)遠距離大功率無線電磁轉(zhuǎn)換，能量損耗相對較高；無線充電設備的電磁輻射會對環(huán)境造成污染。

2.1電磁感應式無線充電

電磁感應式無線充電的工作原理如下：將電網(wǎng)的工頻交流電經(jīng)過整流、逆變轉(zhuǎn)化為高頻交流電，在信號控制電路的控制下經(jīng)過一次側(cè)補償電路后注入原邊繞組，在在線圈中產(chǎn)生高頻電磁場；位于電動汽車底盤的副邊繞組在靠近原邊繞組空間通過感應耦合高頻交變磁通獲取感應電動勢，同時在信號控制電路的控制下經(jīng)過整流濾波以及功率調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)為電動汽車動力電池提供電能。如圖1所示。

電磁感應式無線充電是松散耦合結(jié)構(gòu)，相當于可分離變壓器；其一次側(cè)、二次側(cè)之間通過電磁感應實現(xiàn)電能傳輸，因氣隙導致的耦合系數(shù)的降低可以由提高一次側(cè)輸入電源的頻率加以補償。

感應式無線充電技術(shù)的工作頻率相對較低，一般為幾十到幾百kHz 之間，可以實現(xiàn)kW級功率無線傳輸，近距離傳輸效率一般在90%以上[15]。

圖1　電磁感應式無線充電原理

2.2電磁共振式無線充電

電動汽車諧振式無線充電系統(tǒng)的工作原理為：將電網(wǎng)的工頻交流電經(jīng)整流濾波、高頻逆變后產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)功率放大電路和阻抗匹配電路送至發(fā)射線圈，當位于電動汽車側(cè)接收線圈的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，發(fā)射線圈的電流最大，產(chǎn)生的磁場最強；此時接收線圈若有相同的自諧振頻率，則會通過磁場產(chǎn)生很強的耦合，從而實現(xiàn)電能的高效傳輸。接收線圈中的電能經(jīng)整流濾波和調(diào)節(jié)電路給負載電池進行充電。同時整個系統(tǒng)通過反饋控制環(huán)節(jié)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。如圖2所示。

電磁共振式無線充電優(yōu)點是，傳輸距離較遠（一般可達幾米），對小范圍位置變化不敏感，傳輸效率高等，但易受到周圍磁性物質(zhì)的影響；頻率相對較高，一般在MHz以上，電路器件要求高；對人體健康影響有待研究等。

圖2　電磁共振式無線充電系統(tǒng)原理

2.3研究現(xiàn)狀

1）充電效率提升

無線充電效率較低，目前主要通過阻抗匹配，調(diào)整系統(tǒng)發(fā)射部分和接收部分的阻抗匹配；開關(guān)變換器，選用適合電動汽車充電的電路拓撲，利用軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗，如SiC和GaN等新型器件；高Q值線圈，如使用超導材料；線圈的優(yōu)化設計，根據(jù)實際的汽車底盤高度設置合適的線圈間距，然后設計這個距離下傳輸效率最高的線圈參數(shù)。

2）無線充電安全性

電動汽車無線充電技術(shù)的安全性需要進行試驗驗證，尤其是人身安全、電池充電、電磁輻射對人類及環(huán)境的影響等問題。

文獻[16]定量地分析了發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁場對于人體的輻射影響。由于電動汽車無線充電傳輸功率很大，一般超過10kW，必須采取一定的措施來降低對人體的危害。比如使用特殊的屏蔽材料鋪設于電動汽車的座位下，或者讓發(fā)射線圈與接收線圈的電磁耦合區(qū)域盡量遠離人體。

3）無線充電標準

2016年5月，國際自動機工程師學會發(fā)布了混插式以及全電動汽車無線充電技術(shù)的行業(yè)標準，《純電動/插電式混合動力及相關(guān)新能源汽車無線充電技術(shù)規(guī)范（SAE TIR J2954）》，標準制定了低速充電方面的無線能量傳輸協(xié)議，并通過附錄的方式為其他問題，比如高速充電模式等留足了補充空間。明確了乘用車方面無線充電使用頻段，使汽車制造商生產(chǎn)的無線充電器就能夠兼容其他不同生產(chǎn)商、充電站的無線充電設備，有助于電動汽車無線充電技術(shù)的大范圍推廣和應用。

4）無線充電技術(shù)應用

在2014年2月，豐田汽車聯(lián)合美國WiTricity公司，搭載了電磁共振無線充電系統(tǒng)的Prius混合動力電動汽車，采用2kW的充電功率，只需90分鐘電池即可將4.4kWh的電池組充滿。

博世與Evatran Group合作開發(fā)了他們的無線電動汽車充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由地面發(fā)送器、車載適配器及地面操控面板組成，220V交流市電輸入，額定功率為3.3 kW。

中國科學院電工研究所對比研究了基于感應耦合方式的非接觸充電技術(shù)和基于磁共振耦合方式的非接觸充電技術(shù)，在電動汽車用無線充電系統(tǒng)線圈設計、電容參數(shù)設計、磁場分析與屏蔽等方面進行了深入研究[17]，設計了基于磁共振耦合方式的無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)額定功率為3.3kW，傳輸距離為20cm，與轎車底盤高度相當。實驗室條件下，該系統(tǒng)達到了94%的DCDC效率。

3、結(jié)論及展望

本文主要對電動汽車傳導式充電和無線充電模式的分類、優(yōu)缺點、研究現(xiàn)狀、無線充電的原理及應用研究進行了總結(jié)。

傳導式充電技術(shù)成熟，占主流地位；電動汽車無線充電技術(shù)具有方便、快捷，是未來的發(fā)展方向，但目前還處于研發(fā)和探索階段，隨著無線電能傳輸技術(shù)的成熟，無線充電技術(shù)將得到更多的應用和推廣。關(guān)于電動汽車充電技術(shù)需要考慮的問題有以下幾個方面。

1）大功率車載充電機的開發(fā)。現(xiàn)有電池技術(shù)及充電便利性的限制，交流充電具有不可替代的優(yōu)勢，車載充電機是其關(guān)鍵部件。

2）綠色充電設備的研究與應用。要求充電設備充電功率因數(shù)高，并且有效抑制諧波，對電網(wǎng)質(zhì)量影響小。

3）換電充電模式已成為電動汽車的重要能源供給模式，是否能取得突破性進展，關(guān)鍵在于電池技術(shù)與投資成本、安全性與責任界定、標準體系建設等眾多問題。

4）無線充電功率、效率的提升，制約著商業(yè)化應用。

5）移動充電。可以在地下鋪設一系列發(fā)射線圈，使電動汽車可以在移動中充電。

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Review of Charging Technologies for Electric Vehicle

Xu Erchao, Zhou Congyuan
（AnHuiJianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

The conduction charging and wireless charging's classification,working principle, research status and application are introduced. Comparative analysis on advantages and disadvantages of various charging modes is presented. The developmentof electric vehicles charge technology in the future is proposed.

electric vehicle; wireless charging; charging mode

∶U469.72

∶B編號∶1671-7988 (2016)09-18-04

許二超（1983.1-），男，電池系統(tǒng)工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。主要研究 電池系統(tǒng)研究。