電動汽車直流充電時間的策略研究

摘 要：現階段下，國內電動車輛動力電池包逐漸向高電壓、大倍率趨勢發展。而國內充電樁由于型號多種多樣，性能參數也各不相同，無法保證達到車輛的充電需求。本文介紹了直流充電系統和直流充電流程，結合電動車現有直流充電技術，提出將充電樁性能加入車輛充電控制策略中。基于最大充電功率原則分析車輛進入降壓充電的時機，并選取市面五種不同性能的充電樁，利用仿真平臺分析該策略對車輛充電時間的影響。仿真結果表明該策略能一定程度的縮短車輛充電時間，對優化電動車充電功能具備一定的參考意義。

關鍵詞：降壓充電 充電策略 充電時間

0 引言

隨著電動汽車保有量的逐漸增多，車輛的充電需求也日益增長，不斷對城市充電設施的建設提出更高的要求。公共直流充電樁是城市充電設施建設中不可或缺的組成部分，根據中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟統計，到2024年7月全國公共充電樁保有量達到320萬臺，其中直流充電樁143.1萬臺、交流充電樁 177.8萬臺。從2023年8月到2024年7月，月均新增公共充電樁約8.3萬臺[1]。盡管目前直流充電樁已經得到了廣泛的運用，但是市場仍然存在部分早期建設的直流充電樁性能較差，導致充電電壓或者充電電流無法達到車輛充電需求，造成車輛無法充電或者充電速度達不到預期，充電時間長等問題。因此有效提升充電速度成為了促進電動汽車行業快速發展的重要保障。

根據實地調研，高速公路服務區、公交場站和公共停車場內，新建設的直流充電樁大部分都是1000V的充電樁，能滿足幾乎所有的電壓平臺的車輛進行充電。根據充電樁性能的不同，其最大輸出電流大致能分成250kW、600kW、800kW等。但是市面仍然會存在許多750V和500V的直流充電樁，它們的最大功率只有60kW、120kW、160kW、180kW等。說明即使在充電樁不斷迭代更新的階段，充電樁型號性能多樣性的情況依然存在。

1 直流充電系統組成

新能源汽車直流充電控制導引電路原理可參照GB/T 18487.1-2015中附錄B1內容，如圖1。

該系統中包含動力電池、電池控制器、輔助電源、非車載充電機等。其中非車載充電機能將電網380V三相交流電轉化為高壓直流電，通過車輛快充接口給動力電池充電。電池控制器則負責實時判斷動力電池的需求，根據充電策略向充電機實時發送充電需求。除了上述原理圖外，許多主機廠會增加很多功能，如會增加電池溫控系統、增加升壓系統，增加降壓系統等。

2 降壓充電的使用及應用背景

為了解決充電時間長的問題，目前許多主機廠和電池廠提出多種解決方式，有提高車輛電壓平臺、換電站換電、新增無線充電模塊、新增升壓充電模塊[2]、升級電芯材料和新增降壓充電模塊等方式。無論是哪種方式，都是為了提升充電功率，減小充電功能損耗。以此來縮短充電時間，緩解車主等待車輛充電時的焦慮。根據前文提及的，目前充電樁在開發建設當中，常見規格有電壓1000V功率250kW的充電樁。當一臺大于250A充電需求的車輛進行充電時，由于該充電樁電流輸出已經達到設計極限。充電樁無法輸出高于250A的電流，就會出現無法滿足車輛的充電需求情況。例如一臺高壓平臺（800V）的車輛到1000V充電樁上充電，此時車輛給充電樁發了400A充電需求，而充電樁只能輸出250A的充電電流。但是這時充電樁僅使用了接近200kW的充電功率，充電樁尚有50kW的充電功率無法使用。

因此為了解決此類問題，可以在電池和充電樁中間增加一個降壓模塊，這樣可以讓充電樁輸出的電流通過降壓模塊來抬升輸入到電池包的電流，來實現快速充電的功能。降壓功能也有人稱為升流功能，可以通過電驅系統的電機和電機控制器來組成buck降壓電路[4]。雖然降壓充電能夠提升充進電池包的電流，縮短充電時間。這需要車輛每次進入直流充電的時候根據充電機電流輸出范圍和功率范圍進行匹配，判斷是否需要進入降壓充電來縮短充電時間。

3 直流充電流程

3.1 充電通信流程

參考GB/T 27930-2015中第8節內容可知，整個直流充電一共分為六個階段，分別是：物理連接完成、低壓輔助上電、充電握手、充電參數配置、充電傳輸、結束充電等。（圖2）

一般在充電配置階段，充電機與車輛控制器進行通信，雙方通過BCP、CML等CAN報文內容來確認充電機輸出電壓范圍和電流范圍，車輛根據充電機電壓電流輸出范圍判斷是否能夠正常充電。目前主流的做法僅對充電機的電壓范圍進行判斷，判斷是否符合車輛的電壓平臺范圍，而電流輸出范圍只要在車輛電池的充電能力范圍就行，不額外多做要求。本文介紹一種對充電樁輸出電流范圍更進一步處理的充電控制策略，以此縮短車輛充電時間。

3.2 充電策略優化

基于車輛本身具備降壓功能的高壓回路的基礎上，將對充電機輸出電流范圍的上下限作為充電策略判斷閾值。通過車輛本身充電最大能力和充電樁輸出電流范圍做比較，判斷是否需要進入降壓充電。

根據GB/T 27930中CML報文獲取充電樁最大輸出電壓，先對比當前車輛電池最大電壓與充電樁最大輸出電壓的關系，接著對比充電樁最大輸出電流與當前SOC下車輛的最大充電電流需求的關系，最后在決定是否進入降壓充電。

這里需要說明目前電動汽車電壓平臺分為400V低壓平臺和800V高壓平臺兩種，通常高壓平臺的車輛無法在500V充電樁進行充電，因為電池包電壓范圍不在充電樁最大輸出范圍內。而低壓平臺的車輛能夠在500V、750V和1000V的充電樁充電。如前文所屬，降壓功能的使用需要滿足充電樁最大輸出電壓比車輛電壓平臺高，這樣才能使用更多功率。若充電樁最大輸出電壓與車輛電池包最高電壓接近，則不需要使用降壓充電等方式。原因是電驅系統工作有轉化效率[3]，此種情況下電池包從充電樁處獲得的電功率不僅沒有提升，還有可能下降。

具體判斷流程如下：（1）開始充電，車輛在收到充電樁能力信息：（2）判斷充電樁最大電壓大于車輛動力電池最大電壓；（3）根據電池當前SOC判斷車輛電池包最大充電能力大于充電樁最大充電電流。若都滿足后才進入降壓充電。

具體判斷流程如圖3。

4 仿真結果及分析

選擇市面某款400V平臺車型作為仿真測試的對象，假定該車型具備降壓充電功能，高壓器件電壓工作范圍，電驅系統降壓轉化效率和車輛高壓線束能力均能滿足要求。車輛信息如下：電池電壓范圍240V～410V，電池包電量70kWh，最大充電電流400A，最大充電功率120kW。

根據實地調查，選擇五種市面上不同性能的750V充電樁來進行充電對比，分析該充電策略對車輛充電時間的影響。充電樁型號如下表１。

充電測試平臺利用仿真軟件搭建純電車輛直流充電系統，其中包含充電環境參數、電池熱管理模塊、車輛動力電池模塊、充電控制模塊、充電樁等內容，模型示意圖如圖４。

測試工況選取常溫10%～80% SOC下的充電時間作為考核指標。通過仿真分析，得到400V平臺車輛在五種不同性能的充電樁上充電的時間，結果如表2所示。

通過對比表格中的時間結果，發現對于①、②充電樁，使用降壓充電對車輛充電時間都能夠有一定的提升。其中②號充電樁提升最大，分析原因為充電樁電流輸出最大值過低導致。③號充電樁通過新策略判斷后，也進入降壓充電，但是充電時間提升卻沒有①、②充電樁好，分析原因為其原本電流輸出上限比較大，且輸出功率也有120kW，所以進入降壓充電后能夠利用的功率與原來差不多。另外④號充電樁進入降壓充電后充電時間不僅沒有縮短，還出現延長的情況。分析原因為充電樁輸出功率比較小，在原充電時候就已經使用60kW進行充電。進入降壓充電后，因為降壓模塊功率轉換有一個效率，導致車輛在④號進入降壓充電后，能夠利用的最大功率反而沒有原來高了。⑤號充電樁優化前后充電時間基本無變化，原因值其充電樁最大電流和功率都能滿足車輛充電需求，因此車輛不需要進入降壓充電。

從上述分析中發現，根據車輛本身充電最大能力和充電樁輸出電流范圍做比較，判斷是否需要進入降壓充電的策略，雖然存在一定局限性。特別是對于第④種充電樁輸出功率不等于其最大電流和最大電壓的乘積，且功率較小的類型，無法進行明確的判斷。但是針對①、②、③種充電樁的充電時間，還是具有明顯提升效果。

5 結語

無論選擇哪一種充電方式，都是希望未來的車輛可以更安全，更高效的進行充電。本文介紹一種對降壓充電的優化控制策略，同時利用仿真平臺對車輛在不同性能充電樁下充電進行仿真測試。仿真結果顯示優化的控制策略能夠一定程度上提高車輛的充電速度，具備一定參考意義。

參考文獻：

[1]中國充電聯盟.2024年7月全國電動汽車充換電基礎設施運行情況[EB/OL].2024-08-10.https：//mp.weixin.qq.com/s/-4Y3hqZGNx_e-SSj6QoRIQ.

[2]胡鵬博.用于電動汽車的升壓充電變換器控制設計[J].微特電機，2023（10）：40-44.

[3]包慧創.電動汽車用大功率DC/DC變換技術研究[D].杭州：浙江大學，2023.

[4]Sanjaya Maniktala，著.王健強，等，譯.精通開關電源設計（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2015：27-38.

[5]戴瑞然，馬運東，王鵬，王鵬飛.一種基于多諧振開關槽與Buck-Boost電路的準并聯變換器[Z].電工技術學報.