电动汽车大功率充电技术研究与应用

张海艳，吕志伟，左延婷，李大治，郭艳秀，胡泽明 Zhang Haiyan，Lü Zhiwei，ZuoYanting，Li Dazhi，Guo Yanxiu，Hu Zeming

电动汽车大功率充电技术研究与应用

张海艳，吕志伟，左延婷，李大治，郭艳秀，胡泽明 Zhang Haiyan，Lü Zhiwei，ZuoYanting，Li Dazhi，Guo Yanxiu，Hu Zeming

（北京新能源汽车股份有限公司，北京 100176）

分析国内外大功率充电技术发展现状，开展大功率充电项目，对大功率充电进行仿真分析，并在整车上进行实际设计、验证和分析，实现了高于170 kW充电功率的充电目标，推动了国内大功率充电技术的发展，为后续大功率充电技术在量产车型上的应用打下基础。

电动汽车；大功率充电；高电压；大电流

0 引 言

随着电动汽车技术的快速发展及电动汽车日益普及，各类电动汽车车型如电动轿车、电动客车、电动物流车、电动叉车等开始取代传统燃油车出现在各个应用场所中[1]。电动汽车的续航里程不断提高，目前很多车型可达到500 km以上。续航里程的提高，会伴随着电动汽车充电所需要时间变长。充电便利性、高效性依然是用户对于电动汽车的关注点，也是电动汽车发展最重要的制约因素。因此，发展大功率充电是电动汽车行业的共同目标。

国际上，欧、美、日本等国家和地区的大功率充电路线图见表1。目前，特斯拉第二代充电技术的最大功率为120 kW，特斯拉第三代充电技术的最大充电功率能达到250 kW。奥迪e-tron95 kWh电池的充电电流可达350 A，0～80%SOC（State of Charge，荷电状态）耗时约30min。

表1 欧、美、日大功率充电路线图

在国内，GB/T 18487.1—2015《电动汽车充电传导系统第一部分：通用要求》中给出供电设备输出电压分为200～500 V、350～700 V、500～950 V共3挡，见表2[2]。中汽研和中电联已牵头成立大功率充电小组，计划修订高压大功率充电技术国家标准。

表2 不同电压平台充电性能

1 大功率充电技术及相关要求

电动汽车充电所涉及部件主要有：充电桩、高压线束、冷却系统、动力电池等。所有涉及部件均需满足大功率充电的要求，才可以在整车进行搭载。

1.1 大功率充电技术

电动汽车充电有2种形式：交流充电和直流充电。大功率充电属于较大功率的直流充电，行业对其没有明确规定，属于较宽泛的行业术语，理解为125 kW以上的充电功率为大功率。实现大功率充电主要有3种途径：一是电流维持在当前市场通用水平，提升电压；二是电压维持在当前市场主流电压水平，提升电流；三是同时适当地提升电压和电流。在选择大功率充电实现途径时，需综合考虑市场及主机厂资源等因素。

1.2 充电桩现状

截止到2019年2月，中国电动汽车充电基础设施促进联盟总共上报直流充电桩15.9万[3]。根据全国最大公共充电运营商特来电的统计数据，40～60 kW充电功率是目前乘用车需求最多的充电功率。2017年之后，国家所建充电堆大多为一拖三和一拖六比例，单桩充电功率均能达到 150 kW。

据统计数据，特来电700 V以上充电桩在公共站的比例为75%，此类充电桩的比例在逐步增加，充电桩和充电枪输出最大电流为250 A。如通过提高电压的形式实现大功率充电，700 V电压平台和250A充电电流为制约因素。若超出市场充电桩现有范围，则整车需要配备升压模块，才能保证用户的充电资源。

国家电网、许继电气、特来电、万马股份等设备供应商都在积极开发智能充电系统，主流功率为150～500 kW不等[4]。目前，对于高性能车，在资源成本允许的条件下，整车厂可采用与设备供应商合作，以自建桩的形式满足用户大功率充电需求。

1.3 整车要求

目前市场上乘用车充电电压大都在550 V以内，所应用的所有整车高压系统部件都在此电压平台下开发、测试和生产。若提高整车的电压平台到700 V甚至更高，电机、电机控制器、功率器件、高压配电盒、高压线束、高压接插件等高压部件可能需要重新开发。电压平台提高对整车、高压系统及高压部件的电安全（绝缘电阻、绝缘检测系统、耐压、冷却等）也是一项挑战。

大功率充电对于动力电池系统的技术要求主要有4个方面：电芯的设计选型、电连接设计、热管理以及能量管理。大功率充电的首要要求是电池电芯的充电倍率，开发允许大倍率充电的电芯才能进行后续配件的匹配开发；电芯的电连接（busbar）、模组间连接、高压线缆等均需要满足整车所需高电压、大电流的要求；针对动力电池较大的散热量需采用高效的冷却方案，实现对动力电池系统及时、合理的降温，保证安全和工作效率；电池能量管理系统需要优化升级现有的快充充电策略、温度控制策略、快充保护策略等[5]。

2 大功率充电仿真模型

2.1 大功率充电时间主模型

大功率充电时间的分析模型，包括电流计算模块、温升计算模块、SOC计算模块、电量计算模块以及充电桩输出电量计算模块等，可以对不同温度、SOC等初始条件的充电过程进行分析，如图1所示。

图1 大功率充电时间主模型

2.2 电池SOC计算模块

SOC计算模块包括OCV（Open-Circuit Voltage Method，开路电压法）和安时积分法，可以选择其中任何一种方法进行计算，增加SOC计算的可靠性。采用OCV法，在电池电流为零的情况下，通过测量动力电池开路电压来估算电池的SOC；安时积分法是通过对充电过程中的电路进行积分，对比不同温度、电压状态下的可用电量，计算实时的SOC，电池SOC计算模块如图2所示。

图2 电池SOC计算模块[1]

2.3 电池温度计算模块

充电过程中，电池包温升与环境温度、电池包初始温度、电池包加热冷却速率及充电过程中的自发热温升等因素相关。大功率快充过程中的电池包自发热温升较大，当温度达到一定限值时需开启液冷系统，防止电池包温度过高。电池温度计算模块如图3所示。

图3 电池温度计算模块

3 大功率充电系统设计

3.1 电池方案

前面利用大功率充电时间模块进行了仿真分析，总结出对于动力电池系统的要求，见表3。在电芯、模组、电箱、线束、BMS（Battery Management System，动力电池管理系统）、机械结构、热管理等方面均进行了充分的验证，满足国标和企标要求。电池包方案如图4所示。

图4 电池包方案

表3 电池包主要参数

3.2 冷却系统方案

考虑到大功率充电，电池和高压线束较大的发热量，采用液冷系统对其进行冷却。液冷系统主要涉及到的部件有：冷凝器、散热器、电子扇、电子水泵、电动压缩机、热交换器、冷却水道、温度传感器、高压线束等。液冷系统方案如图5所示。高压线束的热量通过电子水泵，由电子扇和散热器传到环境中，实现对高压线束的冷却。电池系统产生的热量由电子水泵，经过热交换器传到外部冷却系统，外部冷却系统通过冷凝器和电动压缩机实现液体降温。

图5 电池包及高压线束液冷方案

4 大功率充电实车验证及分析

大功率充电样车在经过充分试验验证之后，在大功率充电桩进行充电试验，采集整车报文数据，截取其中一段数据进行分析，如图6～图8所示。

图6 动力电池电压

图7 动力电池充电电流

图8 动力电池充电功率

在200 s充电时间内，动力电池电压由566 V上升至605 V，电压呈现阶段上升的趋势，在125 s后上升开始平缓。

在200 s充电时间内，动力电池充电电流逐渐上升到280 A，在125 s之后趋于稳定。

在200 s充电时间内，动力电池充电功率逐渐上升到170 kW，在125 s之后趋于稳定。

5 结 论

对大功率充电进行大量仿真分析，以此为前提进行电气系统、动力电池方案、动力电池液冷方案、充电线束液冷方案等的设计、验证，装配试验样车，并进行实际充电验证，达到了170 kW充电功率的充电目标，推动了国内大功率充电技术的发展，为后续大功率充电技术在量产车型的应用打下基础。

[1]郑天骄. 我国电动汽车产业现状与发展策略研究[J].中国新技术新产品，2016（17）：137-139.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 电动汽车充电传导系统第一部分：通用要求：GB/T 18487.1—2015 [S]. 中国标准出版社，2015.

[3]中商产业研究院. 2019年2月电动汽车充电桩市场分析[N/OL]. 中国电力网. 2019-03-22[2019-04-15].：//www.chinapower. com.cn/informa tionhyfx/20190322/1270477.html.

[4]申万宏源. 全球电动化充电设备公司市场大[N/OL]. 证券导报数字报. 2018-12-13[2019-04-15]. http：//zqdb.hinews.cn/html/2018-12/13/ content_4_2.htm.[2]

[5]王芳，夏军. 电动汽车动力电池系统设计与制造技术[M]. 北京：科学出版社，2017.

U469.72+2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.009

1002-4581（2020）01-0031-04