新能源汽车充换电技术应用浅析

王启越，罗运俊，宋 瑞，陈基永，周德全

（中汽研汽车检验中心（广州）有限公司，广东 广州 511340）

1 传导充电技术

传导充电[1]指的是使用导线将电动车和充电设施相连接，形成导通回路进行充电的一种技术手段，目前各主机厂的电动车几乎都使用直流充电和交流充电进行充电，技术成熟、应用普遍；传导充电技术领域的未来方向主要集中在大功率充电技术，该技术的推进和发展可以显著缓解消费者的“用车焦虑”。

1.1 直流充电技术

直流充电指的是通过充电设置直接将电网中的交流电转化为直流电传输至汽车动力电池[2]。市场上大部分直流充电装置集中在120 kW左右，电动车30分钟即可充电80%以上。正因如此，直流充电特别适合需要快速补电场景，如市内公交车、环卫物流车、出租车等。其缺点在于产品造价较高；电动车充电时由于输出电流较大，充电的过程中会伴随电池温度升高，可能导致动力电池的额定容量降低，对电池产生不可逆损伤[3]。直流充电的流程[4]见图1，充电桩和电动车匹配连接，识别通讯协议进行充电控制单元激活，车辆开始充电，电动车在充电完成后发出中断信号，结束充电过程。

图1 直流充电流程图

1.2 交流充电技术

新能源汽车的动力电池自身只能接受直流充电，当外部接入电动汽车的是交流电时，需要先通过车载充电机进行交流转直流过程，再给动力电池进行充电[5]。交流充电设施占用体积小，操作简便，安装容易，但其充电速度较慢，电动车需要6～8个小时左右的时间才能充满电量。交流充电的流程[6]见图2，电动车连接充电设施后，交流电经充电设施及充电连接装置传输至车载充电机，经车载充电机整流、滤波等处理后转换为直流电为动力电池充电，电动车在充电完成后发出中断信号，结束充电过程。

图2 交流充电流程图

1.3 大功率充电

随着电动汽车的续航里程的延长，电池容量和充电时间也随之增加，对于电动汽车来说，解决充电时间问题已迫在眉睫，大功率充电技术应运而生。行业内将充电功率大于350 kW，电压达到1 000 V，电流达到350 A的充电方式定义为大功率充电[7]。近年来，特斯拉、星星充电、特来电等众多国内外车企和供应商都在积极研发大功率充电技术。其中北汽新能源车载最新超级快充技术，可实现最大充电功率280 kW，10 min续航300 km；保时捷Mission E的快充系统最大充电功率可达350 kW，4 min续航100 km。2021年1月15日，“中国电动汽车百人大会”在北京钓鱼台召开，大会上，广汽官方表示，首款搭载石墨烯电池的AION V的充电的最大功率达到600 kW。相关研究显示，当充电桩的充电功率达到350 kW或以上时，电动车可以实现和燃油车加油一样的感受，这种充电方式可以实现传统车的完美替代。但大功率充电技术同样面临一些问题[8]，中国科学院院士欧阳明高表示，大功率充电技术需要重点关注安全性和耐久性，快充会导致电池负极的电位急剧下降，不仅会带来电池寿命的问题，也会带来安全问题。

2 无线充电技术

汽车无线充电技术主要通过电磁感应、磁场共振、无线电波等原理实现电力的非接触式传输[9]。电磁感应式无线充电[10]目前在电动汽车应用最为广泛，基于电磁感应原理，在无线充电装置端和电动汽车端各装有一个线圈，在初级线圈上通入一定频率的交流电，则会产生一个变化的磁场，附近的次级线圈在变化的磁场作用下会产生一定的感应电动势，令无线充电装置端的电能转移到电动汽车，其转化效率较高，但只能单点进行充电，而且电能传递的距离较短。磁场共振式[11]无线充电设备由能量发送/接受装置构成，当充电设备和电动车有相同的共振频率时，即可完成充电动作；其电能传递距离较远，可以实现一对多方式充电，并且无需精准对位，但其传输中能量损耗较大。表1为目前国内外研究电动汽车无线充电技术的厂商。

表1 国内外研究电动汽车无线充电技术的厂商

3 换电技术

在新能源汽车的使用过程中，可能会遇到包括电池容量衰减、充电桩短缺等一系列问题，换电技术[12]应运而生。换电技术指的是通过集中型充电站对大量电池集中存储、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或者集电池的充电、物流调配、以及换电服务于一体，理论上可以实现电动车无间断的运行，而且，换电模式下完成后的电池将一直处于循环使用的过程中，可以一定程度延续动力电池的使用寿命，随时可以消除安全隐患。但是换电站不同于公共充电桩，这种方式意味着高昂的建造和运行成本[12]。2020年8月12至13日，汽标委电动车辆分标委在深圳组织召开2020年标准审查会，其中由北汽新能源、蔚来、中汽中心等单位牵头起草的GB/T《电动汽车换电安全要求》推荐性国家标准通过了审查，标准的制定将为换电电动车行业的健康安全发展提供指导。图3为蔚来汽车换电站，仅需3～5分钟即可完成更换满电动力电池。

图3 蔚来汽车换电站

4 结语

综上所述，每种充电方式都有特定的使用场景及优缺点，目前市场上仍以传导充电方式为主；无线充电与传导充电相比较，无线充电方式由于电动汽车没有外部连接器，可以有效避免漏电、跑电等安全隐患，车辆只需停放在固定位置即可进行充电，无需监管，但其充电成本高、传输效率低，目前市场还在推广中。以无线充电与换电模式相比较，换电模式补电时间仅需3～5分钟，而无线充电时间与充电功率相关，即使满功率充电，也需要几个小时才可以充满。可预见的是，随着国家新基建的浪潮推进，在国内大中城市将迅速建立起充电网络，包括快充桩、慢充桩、换电站等设施，届时电动汽车充电难的问题将得到根本改善，汽车产业发展将迎来新的高峰。