電動汽車大功率充電技術研究與應用

2020-05-07 06:36:40張海艷呂志偉左延婷李大治郭艷秀胡澤明ZhangHaiyanZhiweiZuoYantingLiDazhiGuoYanxiuHuZeming

北京汽車 2020年1期

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

電動汽車大功率充電技術研究與應用

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

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176）

分析國內外大功率充電技術發展現狀，開展大功率充電項目，對大功率充電進行仿真分析，并在整車上進行實際設計、驗證和分析，實現了高于170 kW充電功率的充電目標，推動了國內大功率充電技術的發展，為后續大功率充電技術在量產車型上的應用打下基礎。

電動汽車；大功率充電；高電壓；大電流

0 引言

隨著電動汽車技術的快速發展及電動汽車日益普及，各類電動汽車車型如電動轎車、電動客車、電動物流車、電動叉車等開始取代傳統燃油車出現在各個應用場所中[1]。電動汽車的續航里程不斷提高，目前很多車型可達到500 km以上。續航里程的提高，會伴隨著電動汽車充電所需要時間變長。充電便利性、高效性依然是用戶對于電動汽車的關注點，也是電動汽車發展最重要的制約因素。因此，發展大功率充電是電動汽車行業的共同目標。

國際上，歐、美、日本等國家和地區的大功率充電路線圖見表1。目前，特斯拉第二代充電技術的最大功率為120 kW，特斯拉第三代充電技術的最大充電功率能達到250 kW。奧迪e-tron95 kWh電池的充電電流可達350 A，0～80%SOC（State of Charge，荷電狀態）耗時約30min。

表1 歐、美、日大功率充電路線圖

在國內，GB/T 18487.1—2015《電動汽車充電傳導系統第一部分：通用要求》中給出供電設備輸出電壓分為200～500 V、350～700 V、500～950 V共3擋，見表2[2]。中汽研和中電聯已牽頭成立大功率充電小組，計劃修訂高壓大功率充電技術國家標準。

表2 不同電壓平臺充電性能

1 大功率充電技術及相關要求

電動汽車充電所涉及部件主要有：充電樁、高壓線束、冷卻系統、動力電池等。所有涉及部件均需滿足大功率充電的要求，才可以在整車進行搭載。

1.1 大功率充電技術

電動汽車充電有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，行業對其沒有明確規定，屬于較寬泛的行業術語，理解為125 kW以上的充電功率為大功率。實現大功率充電主要有3種途徑：一是電流維持在當前市場通用水平，提升電壓；二是電壓維持在當前市場主流電壓水平，提升電流；三是同時適當地提升電壓和電流。在選擇大功率充電實現途徑時，需綜合考慮市場及主機廠資源等因素。

1.2 充電樁現狀

截止到2019年2月，中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟總共上報直流充電樁15.9萬[3]。根據全國最大公共充電運營商特來電的統計數據，40～60 kW充電功率是目前乘用車需求最多的充電功率。2017年之后，國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到 150 kW。

據統計數據，特來電700 V以上充電樁在公共站的比例為75%，此類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。如通過提高電壓的形式實現大功率充電，700 V電壓平臺和250A充電電流為制約因素。若超出市場充電樁現有范圍，則整車需要配備升壓模塊，才能保證用戶的充電資源。

國家電網、許繼電氣、特來電、萬馬股份等設備供應商都在積極開發智能充電系統，主流功率為150～500 kW不等[4]。目前，對于高性能車，在資源成本允許的條件下，整車廠可采用與設備供應商合作，以自建樁的形式滿足用戶大功率充電需求。

1.3 整車要求

目前市場上乘用車充電電壓大都在550 V以內，所應用的所有整車高壓系統部件都在此電壓平臺下開發、測試和生產。若提高整車的電壓平臺到700 V甚至更高，電機、電機控制器、功率器件、高壓配電盒、高壓線束、高壓接插件等高壓部件可能需要重新開發。電壓平臺提高對整車、高壓系統及高壓部件的電安全（絕緣電阻、絕緣檢測系統、耐壓、冷卻等）也是一項挑戰。

大功率充電對于動力電池系統的技術要求主要有4個方面：電芯的設計選型、電連接設計、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，開發允許大倍率充電的電芯才能進行后續配件的匹配開發；電芯的電連接（busbar）、模組間連接、高壓線纜等均需要滿足整車所需高電壓、大電流的要求；針對動力電池較大的散熱量需采用高效的冷卻方案，實現對動力電池系統及時、合理的降溫，保證安全和工作效率；電池能量管理系統需要優化升級現有的快充充電策略、溫度控制策略、快充保護策略等[5]。

2 大功率充電仿真模型

2.1 大功率充電時間主模型

大功率充電時間的分析模型，包括電流計算模塊、溫升計算模塊、SOC計算模塊、電量計算模塊以及充電樁輸出電量計算模塊等，可以對不同溫度、SOC等初始條件的充電過程進行分析，如圖1所示。

圖1 大功率充電時間主模型

2.2 電池SOC計算模塊

SOC計算模塊包括OCV（Open-Circuit Voltage Method，開路電壓法）和安時積分法，可以選擇其中任何一種方法進行計算，增加SOC計算的可靠性。采用OCV法，在電池電流為零的情況下，通過測量動力電池開路電壓來估算電池的SOC；安時積分法是通過對充電過程中的電路進行積分，對比不同溫度、電壓狀態下的可用電量，計算實時的SOC，電池SOC計算模塊如圖2所示。

圖2 電池SOC計算模塊[1]

2.3 電池溫度計算模塊

充電過程中，電池包溫升與環境溫度、電池包初始溫度、電池包加熱冷卻速率及充電過程中的自發熱溫升等因素相關。大功率快充過程中的電池包自發熱溫升較大，當溫度達到一定限值時需開啟液冷系統，防止電池包溫度過高。電池溫度計算模塊如圖3所示。

圖3 電池溫度計算模塊

3 大功率充電系統設計

3.1 電池方案

前面利用大功率充電時間模塊進行了仿真分析，總結出對于動力電池系統的要求，見表3。在電芯、模組、電箱、線束、BMS（Battery Management System，動力電池管理系統）、機械結構、熱管理等方面均進行了充分的驗證，滿足國標和企標要求。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

3.2 冷卻系統方案

考慮到大功率充電，電池和高壓線束較大的發熱量，采用液冷系統對其進行冷卻。液冷系統主要涉及到的部件有：冷凝器、散熱器、電子扇、電子水泵、電動壓縮機、熱交換器、冷卻水道、溫度傳感器、高壓線束等。液冷系統方案如圖5所示。高壓線束的熱量通過電子水泵，由電子扇和散熱器傳到環境中，實現對高壓線束的冷卻。電池系統產生的熱量由電子水泵，經過熱交換器傳到外部冷卻系統，外部冷卻系統通過冷凝器和電動壓縮機實現液體降溫。