电动汽车充电原理及充电过程

电动汽车充电原理及充电过程天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津

300384摘要：随着新能源渗透率的迅速提升，纯电动汽车产销持续增长。与此同时，电动汽车的充电安全性和可靠性也逐渐成为消费者关注的焦点。本文基于电动汽车在市场中大力发展的背景，针对其充电原理、充电技术以及未来新的发展趋势进行介绍，便于对新能源电动汽车的充电过程有更全面的解读。关键字：新能源；电动汽车；充电技术；1、前言全球新能源车销量从2020年的322万辆到2021年的655万辆，增速已超过100%。在全球汽车市场中，新能源的渗透率迅速提升，市场需求高涨。随着新能源渗透持续提升，纯电动汽车产销持续增长。根据中商产业研究院数据库的数据显示，2020年中国纯电动汽车产销分别完成110.5万辆和111.5万辆，同比分别增长5.4%和11.6%。2021年中国纯电动汽车产销分别完成294.2万辆和291.6万辆，同比分别增长1.7倍和1.6倍，如图1所示。图12016-2021年中国纯电动汽车产量及销量统计情况（单位：万辆）随着电动汽车数量越来越多，电动汽车的充电安全性和可靠性也逐渐成为消费者关注的焦点，本文对电动汽车的充电原理进行介绍，以了解常见充电技术的现状。2、车载充电机充电机按照充电所耗时间，分为慢充系统和快充系统，分别对应交流供电和直流供电两种充电模式。慢充系统主要由车辆外部至供电端线缆、充电接口及线缆、车载充电、高压线束、高压配电设备、动力电池及其控制器等构成。充电桩或家用交流电源通过车辆接口及线束与车载充电机连接，将交流220V电源转换为直流电，给动力电池进行充电。充电过程由车载充电机与BMS之问进行CAN通信交互，保证充电过程的安全。相较慢充系统，快充系统架构较为简单，涉及到的车端零部件仅为充电接口、快充线束、动力电池及其控制器。快充系统供电设备为充电桩，充电桩内部包含电源模块、计费系统、通信及控制系统、读卡及授权系统等。快充系统将三相380V工业电直接转成直流电给动力电池进行充电，充电过程由充电系统的通信模块与BMS进行通信以保证安全。3、动力电池动力电池根据材料不同可以分为铅酸蓄电池、三元锂电池、氢镍燃料电池等。相比较而言铅酸电池比较重，能力密度不高；三元锂电池技术成熟，能量密度比较高，目前市场普遍技术路线；氢镍电池由于成本较高，所以难以推广。锂电池充电分为三个阶段，涓流阶段、恒流阶段、恒压阶段、末端充电电流很低，大概就是5A左右，所以整车充电一般都是从30%充到80%就可以了，因为时间比较理想，从80%到100%这个过程依旧很长。4、交流慢充桩交流慢充桩主要有站立式和壁挂式，也有其他的安装方式，总体上交流慢充桩有室内的，也有室外的，室外的防护等级比较高一些。但是原理是一样的，就是给车载充电机提供交流220V电压。交流充电桩也可以称为交流供电设备，除了供电设备还有电缆组件，即由线缆和供电插头组成的连接装置。电缆装置中会有国标要求的CC电阻值，供电装置中也有控制引导模块，可以根据连接状态输出CP信号。5、电动汽车充电技术发展方向5.1静态无线充电技术5.1.1原理静态无线充电技术包括：电磁感应式、磁场共振式、无线电波式。首先电磁感应式利用交变电磁场的电磁感应(CT感应)实现能量的无线传输。静态无线充电技术主要依托于车辆线圈和输电线圈之间的电磁感应原理，初级线圈将一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从输出端传到输入端。通过安装于地面的发射线圈与电动汽车接收线圈之间的交变磁场实现电能的传导，经过逆变器和控制单元完成对电动汽车电磁组充电。其次磁场共振式是由能量发生装置和能量接收装置组成，当两个装置调到同频率或在一个特定的频率上共振，它们就可以互换彼此的能量。最后无线电波式是由微波发生装置和微波接收装置组成，类似于接收装置可以捕捉到由墙壁弹回的无线电波能量，随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。5.1.2静态无线充电技术的特点静态无线充电无须配置充电线，充电接口、充电硬件标准容易统一，因此比较方便。但静态无线充电技术的缺点也较为明显。首先输电距离短。其次线圈中的散热问题也较大，如若散热不良，这将是限制静态无线充电技术的一个最大问题。再次存在着磁场耦合的辐射问题，如若电磁波的耦合会产生很大的磁场泄露，对安全稳定运行又是一大挑战。最后还存在涡流的安全性问题，如若线圈中进入一些小杂物，就会产生涡流。5.2动态无线充电技术5.2.1原理动态无线充电技术是将电力通过埋在地面下的能量发射装置，以高频交变形传递到车辆接收端的电能接收机构，在地面上特定范围内行驶时车辆可以被无线的充电。5.2.2动态无线充电技术的特点电动汽车使用动态充电技术，不仅可以给停车中的车辆充电，还可以在开车时给车辆充电，大大提高了充电效率和便利性。但目前动态无线充电技术价格高昂。与同静态无线充电相比，动态无线充电对于充电环境的要求苛刻。如果在充电过程中有异物，尤其是金属物质，就极有可能打断充电过程。因此在公共空间设置无线充电装置并不现实，比较密闭的空间才能让车用无线充电装置更好的工作。5.3换电模式5.3.1原理即是指通过集中型充电站对大量电池进行集中存储、集中充电、统一配送，并在电池配送站内对电动汽车进行电池更换服务，有可能集电池充电、物流调配以及换电服务于一体。5.3.2换电模式的特点是目前效率最高的提升续航能力的方式。用户可以只购买车壳，极大降低了买车的成本，相比于充电模式，换电模式耗时更短、方便快捷且可以统一管理换电电池，增加了动力电池的换电次数，延长了其寿命，大大提高了能量利用率。但由于换电需要有量的支持，故换电的应用场景是集中式的，其运行范围要求相对比较集中和固定。6、结论全球新能源车销量迅速提升，新能源渗透率也逐渐提高，市场需求高涨。电动汽车的充电原理的结构基础有车载充电机动力电池、交流慢充桩、电动汽车充电枪，本文从不同的基础结构以及电动汽车充电技术的发展方向对新能源电动汽车的原理及充电过程进行了介绍。车载充电机分为慢充系统和快充系统，分别对应交流供电和直流供电两种充电模式。动力电池可以分为铅酸蓄电池、三元锂电池、镍氢燃料电池，三元锂电池技术成熟是目前市场普遍技术路线。交流慢充桩分为站立式和壁挂式，但原理是基本相同的。目前无线充电和换电模式实施仍具困难,但随着技术和资金的投入，未来可以在技术层面或基础设施层面实现无线充电停车场、无线充电高速停车区等，为用户带来即停即充的体验，将有利于电动汽车企业发展[3]。随着快速充电技术进入快速发展期，未来充电技术会对电动汽车发展起到巨大推动作用。参考文献[1]方蕾.电