電動汽車充電原理及充電過程

電動汽車充電原理及充電過程天津理工大學(xué)機(jī)電工程國家級實驗教學(xué)示范中心天津300384天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室天津

300384摘要：隨著新能源滲透率的迅速提升，純電動汽車產(chǎn)銷持續(xù)增長。與此同時，電動汽車的充電安全性和可靠性也逐漸成為消費者關(guān)注的焦點。本文基于電動汽車在市場中大力發(fā)展的背景，針對其充電原理、充電技術(shù)以及未來新的發(fā)展趨勢進(jìn)行介紹，便于對新能源電動汽車的充電過程有更全面的解讀。關(guān)鍵字：新能源；電動汽車；充電技術(shù)；1、前言全球新能源車銷量從2020年的322萬輛到2021年的655萬輛，增速已超過100%。在全球汽車市場中，新能源的滲透率迅速提升，市場需求高漲。隨著新能源滲透持續(xù)提升，純電動汽車產(chǎn)銷持續(xù)增長。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)顯示，2020年中國純電動汽車產(chǎn)銷分別完成110.5萬輛和111.5萬輛，同比分別增長5.4%和11.6%。2021年中國純電動汽車產(chǎn)銷分別完成294.2萬輛和291.6萬輛，同比分別增長1.7倍和1.6倍，如圖1所示。圖12016-2021年中國純電動汽車產(chǎn)量及銷量統(tǒng)計情況（單位：萬輛）隨著電動汽車數(shù)量越來越多，電動汽車的充電安全性和可靠性也逐漸成為消費者關(guān)注的焦點，本文對電動汽車的充電原理進(jìn)行介紹，以了解常見充電技術(shù)的現(xiàn)狀。2、車載充電機(jī)充電機(jī)按照充電所耗時間，分為慢充系統(tǒng)和快充系統(tǒng)，分別對應(yīng)交流供電和直流供電兩種充電模式。慢充系統(tǒng)主要由車輛外部至供電端線纜、充電接口及線纜、車載充電、高壓線束、高壓配電設(shè)備、動力電池及其控制器等構(gòu)成。充電樁或家用交流電源通過車輛接口及線束與車載充電機(jī)連接，將交流220V電源轉(zhuǎn)換為直流電，給動力電池進(jìn)行充電。充電過程由車載充電機(jī)與BMS之問進(jìn)行CAN通信交互，保證充電過程的安全。相較慢充系統(tǒng)，快充系統(tǒng)架構(gòu)較為簡單，涉及到的車端零部件僅為充電接口、快充線束、動力電池及其控制器?？斐湎到y(tǒng)供電設(shè)備為充電樁，充電樁內(nèi)部包含電源模塊、計費系統(tǒng)、通信及控制系統(tǒng)、讀卡及授權(quán)系統(tǒng)等?？斐湎到y(tǒng)將三相380V工業(yè)電直接轉(zhuǎn)成直流電給動力電池進(jìn)行充電，充電過程由充電系統(tǒng)的通信模塊與BMS進(jìn)行通信以保證安全。3、動力電池動力電池根據(jù)材料不同可以分為鉛酸蓄電池、三元鋰電池、氫鎳燃料電池等。相比較而言鉛酸電池比較重，能力密度不高；三元鋰電池技術(shù)成熟，能量密度比較高，目前市場普遍技術(shù)路線；氫鎳電池由于成本較高，所以難以推廣。鋰電池充電分為三個階段，涓流階段、恒流階段、恒壓階段、末端充電電流很低，大概就是5A左右，所以整車充電一般都是從30%充到80%就可以了，因為時間比較理想，從80%到100%這個過程依舊很長。4、交流慢充樁交流慢充樁主要有站立式和壁掛式，也有其他的安裝方式，總體上交流慢充樁有室內(nèi)的，也有室外的，室外的防護(hù)等級比較高一些。但是原理是一樣的，就是給車載充電機(jī)提供交流220V電壓。交流充電樁也可以稱為交流供電設(shè)備，除了供電設(shè)備還有電纜組件，即由線纜和供電插頭組成的連接裝置。電纜裝置中會有國標(biāo)要求的CC電阻值，供電裝置中也有控制引導(dǎo)模塊，可以根據(jù)連接狀態(tài)輸出CP信號。5、電動汽車充電技術(shù)發(fā)展方向5.1靜態(tài)無線充電技術(shù)5.1.1原理靜態(tài)無線充電技術(shù)包括：電磁感應(yīng)式、磁場共振式、無線電波式。首先電磁感應(yīng)式利用交變電磁場的電磁感應(yīng)(CT感應(yīng))實現(xiàn)能量的無線傳輸。靜態(tài)無線充電技術(shù)主要依托于車輛線圈和輸電線圈之間的電磁感應(yīng)原理，初級線圈將一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從輸出端傳到輸入端。通過安裝于地面的發(fā)射線圈與電動汽車接收線圈之間的交變磁場實現(xiàn)電能的傳導(dǎo)，經(jīng)過逆變器和控制單元完成對電動汽車電磁組充電。其次磁場共振式是由能量發(fā)生裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個裝置調(diào)到同頻率或在一個特定的頻率上共振，它們就可以互換彼此的能量。最后無線電波式是由微波發(fā)生裝置和微波接收裝置組成，類似于接收裝置可以捕捉到由墻壁彈回的無線電波能量，隨負(fù)載做出調(diào)整的同時保持穩(wěn)定的直流電壓。5.1.2靜態(tài)無線充電技術(shù)的特點靜態(tài)無線充電無須配置充電線，充電接口、充電硬件標(biāo)準(zhǔn)容易統(tǒng)一，因此比較方便。但靜態(tài)無線充電技術(shù)的缺點也較為明顯。首先輸電距離短。其次線圈中的散熱問題也較大，如若散熱不良，這將是限制靜態(tài)無線充電技術(shù)的一個最大問題。再次存在著磁場耦合的輻射問題，如若電磁波的耦合會產(chǎn)生很大的磁場泄露，對安全穩(wěn)定運行又是一大挑戰(zhàn)。最后還存在渦流的安全性問題，如若線圈中進(jìn)入一些小雜物，就會產(chǎn)生渦流。5.2動態(tài)無線充電技術(shù)5.2.1原理動態(tài)無線充電技術(shù)是將電力通過埋在地面下的能量發(fā)射裝置，以高頻交變形傳遞到車輛接收端的電能接收機(jī)構(gòu)，在地面上特定范圍內(nèi)行駛時車輛可以被無線的充電。5.2.2動態(tài)無線充電技術(shù)的特點電動汽車使用動態(tài)充電技術(shù)，不僅可以給停車中的車輛充電，還可以在開車時給車輛充電，大大提高了充電效率和便利性。但目前動態(tài)無線充電技術(shù)價格高昂。與同靜態(tài)無線充電相比，動態(tài)無線充電對于充電環(huán)境的要求苛刻。如果在充電過程中有異物，尤其是金屬物質(zhì)，就極有可能打斷充電過程。因此在公共空間設(shè)置無線充電裝置并不現(xiàn)實，比較密閉的空間才能讓車用無線充電裝置更好的工作。5.3換電模式5.3.1原理即是指通過集中型充電站對大量電池進(jìn)行集中存儲、集中充電、統(tǒng)一配送，并在電池配送站內(nèi)對電動汽車進(jìn)行電池更換服務(wù)，有可能集電池充電、物流調(diào)配以及換電服務(wù)于一體。5.3.2換電模式的特點是目前效率最高的提升續(xù)航能力的方式。用戶可以只購買車殼，極大降低了買車的成本，相比于充電模式，換電模式耗時更短、方便快捷且可以統(tǒng)一管理換電電池，增加了動力電池的換電次數(shù)，延長了其壽命，大大提高了能量利用率。但由于換電需要有量的支持，故換電的應(yīng)用場景是集中式的，其運行范圍要求相對比較集中和固定。6、結(jié)論全球新能源車銷量迅速提升，新能源滲透率也逐漸提高，市場需求高漲。電動汽車的充電原理的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)有車載充電機(jī)動力電池、交流慢充樁、電動汽車充電槍，本文從不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及電動汽車充電技術(shù)的發(fā)展方向?qū)π履茉措妱悠嚨脑砑俺潆娺^程進(jìn)行了介紹。車載充電機(jī)分為慢充系統(tǒng)和快充系統(tǒng)，分別對應(yīng)交流供電和直流供電兩種充電模式。動力電池可以分為鉛酸蓄電池、三元鋰電池、鎳氫燃料電池，三元鋰電池技術(shù)成熟是目前市場普遍技術(shù)路線。交流慢充樁分為站立式和壁掛式，但原理是基本相同的。目前無線充電和換電模式實施仍具困難,但隨著技術(shù)和資金的投入，未來可以在技術(shù)層面或基礎(chǔ)設(shè)施層面實現(xiàn)無線充電停車場、無線充電高速停車區(qū)等，為用戶帶來即停即充的體驗，將有利于電動汽車企業(yè)發(fā)展[3]。隨著快速充電技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，未來充電技術(shù)會對電動汽車發(fā)展起到巨大推動作用。參考文獻(xiàn)[1]方蕾.電