电动汽车充电过程分析以及提高充电速度的方法

摘 要：充电系统是电动汽车中的一个重要基础支撑系统，当前阶段动力电池充电技术是电动汽车发展的一大瓶颈技术，根据采用充电模式的不同电动汽车内部分为快速充电系统和慢速充电系统。本文首先介绍两种充电系统的结构，然后对充电过程进行分析，最后总结出提高电动汽车充电速度的五种方法。

关键词：电动汽车 快速充电 慢速充电 充电速度

1 前言

随着电动汽车产业的快速发展，电动汽车充电技术朝着智能化、高效化、便捷化、安全化的方向发展，同时动力电池的多样化必将对电动汽车的充电方式、充电机的功能产生越来越多的需求。然而当前阶段动力电池充电技术成为电动汽车发展的一大瓶颈技术，是否能够快速、便捷、安全地充电已经成为电动汽车能否在市场上占领一席之地的关键核心技术。根据工作原理的不同，电动汽车内部的充电模块可以分为快速充电系统和慢速充电系统[1-2]。

2 电动汽车快速充电过程分析

2.1 快速充电系统结构

快速充电是指在很短的时间内给动力电池以最快的充电速度，将动力电池的电量充至满电或者接近满电的充电方法，同时需要保证动力电池能够达到规定的循环寿命、相关安全性能以及电性能，一般快速充电系统要求能够在15分钟内将动力电池总电量充至满电量的80%以上[3]。在快速充电方式下，动力电池的充电电流一般在150安培至400安培之间，充电电压一般在200伏特至750伏特之间，且充电功率在30千瓦以上。常见的快速充电系统由直流充电桩、直流充电接口、充电线束、充配电总成和动力电池组等部件组成，其结构如图1所示。

2.2 快速充电系统充电过程分析

（1）直流充电桩整流。由于电网中的380V三相交流电无法直接对动力电池进行输入，所以在快速充电过程中输入电动汽车的高压直流电需要先经过直流充电桩进行转换整流。直流充电桩的系统框图如图2所示。

（2）直流充电桩连接至车辆。将直流充电桩上面的充电枪插入车辆的快速充电接口，为直流充电桩和车辆之间提供高压直流电源通路。

（3）整车控制器进行快速充电唤醒。整车控制器VCU通过充电连接确认线CC判断和确认充电枪是否连接无误，确认连接无误后再通过低压唤醒线路将整车的快速充电系统各个模块激活。

（4）电池管理器检测充电需求。电池管理器BMS通过测量动力电池包的电压值来检测当前车辆的充电需求状态。

（5）整车控制器向高压控制盒发送充电指令。如果电池管理器检测到当前动力电池需要进行充电，整车控制器VCU就会向高压控制盒发送高压充电接触器接通的指令，从而连接动力电池包与直流充电桩之间的充电回路。

（6）进行快速充电。在进行快速充电的过程中，整车控制器VCU向仪表盘模块输出充电电流、充电电压、动力电池SOC值等数据流，直流充电桩输出的高压直流电能通过直流充电回路储蓄到动力电池包当中。

（7）充电结束。当电池管理器BMS检测到动力电池包完成充电后，向整车控制器VCU发送结束充电指令，断开高压充电接触器，快速充电系统停止工作。

3 电动汽车慢速充电过程分析

3.1 慢速充电系统结构

慢速充电‌通过家用电源插头或者交流充电桩接入车辆的交流充电接口，由车载充电机将220伏的交流电转为高压直流电给动力电池包进行充电。‌这种充电方式采用小电流的恒压或恒流充电方式，充电时间通常在5～20小时之间。采用慢速充电方式可以减少动力电池充电时受到的负荷，较好地控制动力电池包的充电温度，使电池包不会过热，从而延长电池包的使用寿命[4]。慢速充电主要利用家用电源进行充电，使用相对便捷。常见的慢速充电系统由慢速充电枪、慢速充电接口、慢速充电线束、车载充电机、充配电总成和动力电池组等组成，结构如图3所示。

3.2 慢速充电系统充电过程分析

用户将充电枪（车辆自带或者充电桩上）插入交流充电接口进行匹配，匹配成功后，车载充电机开始工作，首先车辆通过低压信号唤醒慢速充电系统，电池管理器BMS检测动力电池组电量判断是否需要进行充电，检测完毕后将充电指令发送给车载充电机并闭合动力电池组中的充电继电器开始充电，车载充电机把外界的220V交流电转换为高压直流电直接存储到动力电池组中[5]。以比亚迪e5车型为例，其慢速充电系统的充电控制框图如图4所示，充电过程分为以下8个阶段：

（1）半连接状态。交流充电桩与车辆慢速充电接口通过充电线缆发生物理连接，当按下交流充电枪的手柄按钮时，S3接触器断开，交流充电桩低压辅助电源向检测点1和检测点2输入电源，经过VTOG后，检测电阻R3和R4是否接地，再由车辆充电口与交流充电桩充电枪的CC/CP/PE通讯检测连接状况。

（2）双方确认连接。松开交流充电枪的手柄按钮，S3接触器闭合，PE检测电路将不经过R4电阻，从而使检测信号完整，检测过程完毕。

（3）车辆充电准备。完成连接检测后，双路电向高压配电箱、VTOG以及BMS提供电源。车辆控制单元控制高压配电箱中的正、负极接触器闭合。

（4）车辆和供电设备准备就绪。车载充电机被VTOG唤醒，车辆充电准备就绪。交流充电桩检测到车辆充电准备就绪后，闭合K1、K2继电器，开始向车载充电机供电。

（5）确认充电功率。通过对比供电设备供电能力、检测点3额定容量和车载充电机输入电流，确定充电功率。

（6）进行充电。电池管理器控制充电接触器吸合，动力电池组开始充电。在充电过程中，检测点2一直检测动力电池电压，不断调整车载充电机的充电电压和充电电流。

（7）结束充电。当电池管理器检测到动力电池包充电电流下降至1A时，电池管理器控制各接触器分离。S2开关断开，检测点1检测到停止充电信号，充电枪停止供电，K1、K2继电器断开，充电过程结束。

4 提高电动汽车充电速度的方法

充电速度是限制电动汽车普及的一个重要因素，用户希望电动汽车的充电时间可以缩短至几分钟，从技术角度来看，动力电池、电气架构和车载充电器都限制了潜在的电动汽车充电速度。提高充电速度的方法有以下几种：

4.1 增加动力电池电压

对于电动汽车而言，可以通过提高充电电压或充电电流以增加动力电池的充电功率来达到提高充电速度的目的。当充电电流增加时，电缆需要更大的直径，而增加充电电压，可以降低充电电流，不需要加粗电缆。目前电动汽车的电气架构主要是400伏，越来越多的汽车制造商正在转向生产具有800伏架构的电动汽车，可以实现在20分钟内将动力电池充电至80%的满电量。

4.2 研发新型材料的电池

通过增加电池电压来提高充电功率，电动汽车的充电速度仍然存在上限，而这个上限就是电池的化学性质。因此，为了提高电动汽车的充电速度，还需要研发可以承受更快充电速度的新型电池。根据目前最新的电池研发技术，有三种新型电池的充电速度比目前的磷酸铁锂和三元锂电池的速度要快。第一种是石墨烯电池，能在10分钟内将电动汽车的电量充至80%。石墨烯能够快速为汽车充电的关键在于它显著增加了电极密度并加速了电池内部的化学反应，从而实现了更快的充电速度和更大的功率传输，同时热量更少，石墨烯技术包括铝离子石墨、钠离子石墨和锂离子石墨烯。第二种是固态电池，固态电池技术的难度很大，目前尚无法实现大规模量产。第三种是量子电池，充电速度理论上可达10秒，但是目前还只是学术研究阶段，没有实际产品出现。

4.3 采用更换电池方式

更换电池充电又称为机械充电，通过这种技术，车主可以在短时间内为自己的电动汽车更换电池，使车辆迅速充满电量并继续行驶。车主将车辆驶入换电站，工作人员或机器人将旧电池取下，并将充满电的新电池安装到车上，整个换电过程大约需要3-5分钟，比传统充电方式要快得多。这种充电方式下的动力电池包需要设计为可拆卸结构。蔚来汽车已经研发出了第四代换电站，车辆从停入换电站到更换完电池再开出来，全程换电时间不到3秒，这一提速的核心措施包括电池仓库立体结构的设计优化、动力电池包运输路线的优化以及换电四个环节“泊车、准备、换电、自检”的流程优化。

4.4 采用无线充电方式

无线充电技术是一种不依赖充电电缆的电动汽车充电方式，通过电磁感应、电磁共振、射频等方式实现非接触式的电力传输，避免了漏电、跑电等安全隐患。与传统有线充电相比，它具有使用方便、无需监管等优点，但充电功率较小，传输效率略低。电动汽车无线充电主要有电磁感应式和磁场共振式两种方式。电磁感应式充电优点是转换效率较高，但充电距离短，只能一对一进行充电。磁场共振式无线充电传输距离相对较远，且可以同时对多辆汽车进行充电，但能量损耗较大。电磁感应式充电对于车辆位置要求比较严格，而磁场共振式则不需要精准对位。相比充电桩，无线充电的成本较高，且各个品牌充电标准不一。总体上，无线充电技术是一种方便、安全、省空间的充电方式，但目前仍存在一些技术上的局限性。

4.5 采用移动式充电方式

移动式充电方式使用移动充电桩作为车辆的充电设备，与传统的固定式充电桩相比，具有移动性和灵活性。当电动汽车电量不足时，一辆装有移动充电桩的救援车辆可以迅速抵达现场，避免了拖车去寻找充电桩。移动充电桩可以采用多样化的安装方式，包括大型货车、专业拖车、小型电动车辆等，都可以成为它的载体。同时借助GPS等先进技术，移动充电桩可以实现精准定位和快速响应，确保在第一时间抵达需要充电的地点，特别适用于电动汽车充电网络欠发达的地区使用。

5 总结

现阶段电动汽车充电系统的各项关键技术已趋成熟，但每一种充电方式都还存在短板，另外，充电设施在不同地区之间的分布仍然不平衡，一些地区存在充电桩严重不足的问题，限制了电动汽车的发展。未来电动汽车充电技术的发展方向除了提高充电速度外，还包括提高充电效率、完善充电网络的建设、兼容多种充电技术、提高充电安全性等多个方面。无论采用何种充电方式，最终的目的都是让电动汽车可以更高效、更安全地行驶，解决电动汽车的充电技术问题，将为电动汽车行业的可持续发展提供有力保障，进一步推动电动汽车的普及。

基金项目：河南省高等学校重点科研项目（24B470011）—基于云平台的新能源汽车有序充电策略及应用研究。

参考文献：

[1]杨丽君.新能源汽车充电系统及常见故障探讨[J].内燃机与配件，2024（03）：69-71.

[2]石雅田.试论纯电动汽车动力电池及充电技术[J].时代汽车，2024（01）：100-102.

[3]龚瑞昆，徐广璐.锂离子电池快速充电系统技术研究[J].现代电子技术，2020，43（22）：27-29+35.

[4]董伟.纯电动汽车交流充电过程分析及故障排除[J].内燃机与配件，2020（19）：127-128.

[5]王玉彪，石功名.新能源汽车动力电池系统与充电系统[M].北京：机械工业出版社，2021.