電動汽車高功率動力電池與充電樁技術整合

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：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

全球能源結構轉型與碳排放控制目標加速了電動汽車的規模化普及，動力電池與充電基礎設施作為核心支撐系統面臨高功率化發展需求。高能量密度動力電池技術突破顯著提升了車輛續航能力，但受制于充電設施匹配度不足，高壓快充場景下存在能量傳輸效率瓶頸與系統安全問題。傳統充電系統在應對大功率動態負荷時，也暴露出接口協議適配性差、功率分配策略滯后及熱失控風險增加等共性問題，制約著高功率電池性能的充分發揮。同時，充電網絡智能化演進要求動力電池與充電樁在電氣互連、信息交互及能量調度層面實現深度耦合。然而，現有技術方案尚未形成體系化整合路徑，亟待建立跨領域協同優化的理論框架與工程方法。因此，本文聚焦高功率動力電池與充電樁技術的整合，提出整合設計方案以及系統集成優化策略，以期為電動汽車產業可持續發展提供理論參考。

1 理論基礎

1.1 電動汽車動力系統

電動汽車動力系統以高功率動力電池為核心能量載體，通過電力電子裝置與驅動電機協同工作，完成電能向機械能的高效轉換，支撐車輛行駛需求[]。電動汽車動力系統如圖1所示，該系統集成電池模組、電機控制器、驅動電機及能量管理單元，形成從儲能、功率分配到驅動輸出的完整鏈路。高功率電池作為動力源頭，需滿足快速充放電下高壓大電流的動態響應能力，其內部電化學特性與熱穩定性直接影響系統能量密度與循環壽命。電控系統基于實時工況調節功率輸出，采用多域協同控制策略平衡動力需求與電池安全邊界，確保車輛在加速、制動等復雜場景下的運行可靠性。驅動電機通過變頻調速匹配不同負載條件，提升整體能效表現。動力系統的設計理念正從單一功能模塊疊加向全域集成化方向演進，強調電氣架構輕量化、效率最優化及智能化管理能力的升級。

1.2 高功率動力電池關鍵技術

高功率動力電池性能提升依賴材料革新與結構優化。正負極材料需兼顧導電性、離子擴散速率，抑制副反應，提升電化學穩定性；電極極片通過微觀結構設計增大接觸面積、降低內阻，適配高功率負載。電解質著重開發高電壓耐受性與熱響應能力，平衡傳輸效率與安全。電池模組采用低阻抗連接與均流設計，避免電流不均；系統集成強化機械強度與絕緣性能，嵌入故障診斷單元，構建單體到系統的安全防護體系。

1.3 充電樁系統

充電樁系統作為電動汽車能量補給的核心基礎設施，圍繞安全、效率與兼容性目標展開技術架構設計，如圖2所示。該系統由功率轉換模塊、充電接口、通信單元及管理系統構成，通過電網電能到車載電池的電能傳遞，實現穩定可靠的能源交互[3]。功率模塊基于電網特性與車輛需求動態調節輸出電壓與電流，解決不同車型電池平臺的適配問題。充電接口能夠兼顧物理連接可靠性與信號交互精確性，在高壓大電流場景下避免接觸不良引發的過熱風險。通信協議集成車樁間狀態同步與指令交互功能，搭建充電控制閉環確保操作安全邊界。電網側能夠協同負荷管理與電能質量調節技術，降低無序充電對配電網的沖擊，并通過有序調度提升基礎設施利用率。隨著智能網聯需求的升級，充電樁逐步支持遠程運維、用戶交互及能源數據管理，推動了充電網絡與車端電池狀態的深度融合。

2高功率動力電池與充電樁技術整合設計

2.1充電接口動態適配技術

充電接口動態適配技術可以通過多自由度浮動結構與智能感知系統實現物理連接精準匹配。充電槍端部采用球鉸鏈配合彈簧阻尼機構形成空間六維補償能力，通過激光位移傳感器實時檢測車輛插座位置偏移量，驅動伺服電機調整機械臂空間姿態完成毫米級對接補償。充電樁側配置寬范圍的電壓檢測電路，與車輛電池管理系統（BatteryManagementSystem，BMS）建立雙向通信，根據電池組實時荷電狀態與溫度參數，通過可編程邏輯控制器動態切換接觸器組合拓撲，實現50＼～1000V寬電壓范圍內接口電氣參數的自動適配。同時，接口內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半導體協同散熱，當監測到局部溫升異常時立即啟動分級降流保護機制，以解決高功率充電場景下插接損耗與電弧風險問題。

2.2 動態功率協同控制系統

動態功率協同控制系統應基于多層級控制架構構建，中央協調器通過光纖環網與電池管理系統及充電樁控制器建立毫秒級通信鏈路。系統部署分布式邊緣計算節點實時采集電池組單體電壓差異與模組溫度梯度，結合充電樁側直流母線電壓波動特征，采用模型預測控制算法滾動優化功率分配方案。功率半導體器件采用碳化硅MOSFET并聯拓撲結構，配置柵極驅動保護電路與動態均流控制器，通過脈寬調制信號占空比自適應調整實現千瓦級功率的微秒級精確調節。系統內嵌多目標優化求解器，在充電樁整流模塊與電池組之間建立雙向功率反饋通道，當檢測到電池極化電壓突變時自動觸發充電曲線平滑切換機制。電池簇間部署環形直流母線架構，配合多端口隔離式DC-DC變換器實現跨模組能量動態調度，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移至健康電池單元，確保高功率傳輸過程中的能量流最優匹配與系統穩定性。

2.3熱管理耦合系統設計

熱管理耦合系統設計應構建電池與充電設施間的立體化熱交換網絡，電池模組內部嵌入微型化液冷板結構，其流道采用分形拓撲優化設計實現接觸面熱阻最小化。充電樁側配置雙循環散熱架構，初級回路通過逆流式板式換熱器與電池冷卻液進行熱量交換，次級回路采用相變材料蓄熱單元與離心風機聯動散熱。電池箱體與充電槍握把處集成熱管陣列，利用毛細芯多孔介質實現接觸點高熱流密度區域的定向導熱，熱管蒸發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鍵位置布置分布式光纖測溫點，實時生成三維溫度場云圖。

3高功率動力電池與充電樁技術整合系統優化

3.1安全防護體系構建

安全防護體系構建應采用分層防御架構（圖3）。充電槍集成電弧檢測與電流紋波分析模塊，實時監測異常放電；電池組部署多頻阻抗譜單元，檢測電解液分解。充電樁功率模塊設冗余泄放電路，電壓突變時通過IGBT鉗位限制過壓。系統構建三級絕緣監測網絡，如主回路測漏電流、輔助回路監控絕緣趨勢、控制回路阻斷干擾。接觸端子采用熔斷-彈射聯動防護，異常溫升觸發毫秒級斷接。數據安全層以動態密鑰加密、雙向非對稱算法與虛擬專用通道，結合電氣阻斷、熱防護、電磁濾波，實現能量傳輸全流程安全防護。

3.2 標準化充電協議融合

標準化充電協議融合采用可編程協議轉換網關，部署多核處理器運行多協議棧，以高速光電耦合器隔離系統。通過協議特征碼自動識別模塊，100ms 內完成充電標準判別。協議轉換器支持OTA更新，握手階段自動匹配最佳充電曲線。數據鏈路層雙重校驗保障傳輸可靠，邊緣計算單元優化協議切換邏輯，通信中斷時自動回退基礎協議，實現高效能量交互。

3.3運行維護技術體系

運行維護技術體系構建全生命周期智能運維平臺，通過多源異構傳感器實時采集電池膨脹力、充電樁電弧數據，結合移動巡檢終端檢測設備內部狀態參數。部署數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據，經深度殘差網絡精準評估充電樁功率模塊老化及電池隔膜結晶情況。遠程維護終端集成虛擬調試環境，利用安全隧道協議完成固件燒錄與參數整定，維護記錄同步至區塊鏈存證，實現運維全流程最優控制。

4結論

本文基于電動汽車動力系統、高功率動力電池關鍵技術以及充電樁系統的概述，從充電接口動態適配技術、動態功率協同控制系統以及熱管理耦合系統設計3個維度分析了電動汽車動力系統中的高功率電池與充電樁技術整合設計，并提出構建安全防護體系、融合標準化充電協議以及運行維護技術體系，以提升動力電池循環壽命與優化充電設施利用率。

參考文獻

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[2]沈偉，張毅博，劉牧華.基于ISO15118的電動汽車充電通訊控制系統設計[J].電子技術應用，2025，51（5）：104-109.

[3]羅嘯，楊文軒，辜莎，等.淺析電動汽車智能充電模式研究[J].中國設備工程，2025（8）：33-35.

[4]劉遠遠.固態電池在電動汽車中的應用前景與挑戰[J].汽車知識，2025，25（4）：7-9.

（編輯林子衿）