电动汽车直流充电时间的策略研究

摘 要：现阶段下，国内电动车辆动力电池包逐渐向高电压、大倍率趋势发展。而国内充电桩由于型号多种多样，性能参数也各不相同，无法保证达到车辆的充电需求。本文介绍了直流充电系统和直流充电流程，结合电动车现有直流充电技术，提出将充电桩性能加入车辆充电控制策略中。基于最大充电功率原则分析车辆进入降压充电的时机，并选取市面五种不同性能的充电桩，利用仿真平台分析该策略对车辆充电时间的影响。仿真结果表明该策略能一定程度的缩短车辆充电时间，对优化电动车充电功能具备一定的参考意义。

关键词：降压充电 充电策略 充电时间

0 引言

随着电动汽车保有量的逐渐增多，车辆的充电需求也日益增长，不断对城市充电设施的建设提出更高的要求。公共直流充电桩是城市充电设施建设中不可或缺的组成部分，根据中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计，到2024年7月全国公共充电桩保有量达到320万台，其中直流充电桩143.1万台、交流充电桩 177.8万台。从2023年8月到2024年7月，月均新增公共充电桩约8.3万台[1]。尽管目前直流充电桩已经得到了广泛的运用，但是市场仍然存在部分早期建设的直流充电桩性能较差，导致充电电压或者充电电流无法达到车辆充电需求，造成车辆无法充电或者充电速度达不到预期，充电时间长等问题。因此有效提升充电速度成为了促进电动汽车行业快速发展的重要保障。

根据实地调研，高速公路服务区、公交场站和公共停车场内，新建设的直流充电桩大部分都是1000V的充电桩，能满足几乎所有的电压平台的车辆进行充电。根据充电桩性能的不同，其最大输出电流大致能分成250kW、600kW、800kW等。但是市面仍然会存在许多750V和500V的直流充电桩，它们的最大功率只有60kW、120kW、160kW、180kW等。说明即使在充电桩不断迭代更新的阶段，充电桩型号性能多样性的情况依然存在。

1 直流充电系统组成

新能源汽车直流充电控制导引电路原理可参照GB/T 18487.1-2015中附录B1内容，如图1。

该系统中包含动力电池、电池控制器、辅助电源、非车载充电机等。其中非车载充电机能将电网380V三相交流电转化为高压直流电，通过车辆快充接口给动力电池充电。电池控制器则负责实时判断动力电池的需求，根据充电策略向充电机实时发送充电需求。除了上述原理图外，许多主机厂会增加很多功能，如会增加电池温控系统、增加升压系统，增加降压系统等。

2 降压充电的使用及应用背景

为了解决充电时间长的问题，目前许多主机厂和电池厂提出多种解决方式，有提高车辆电压平台、换电站换电、新增无线充电模块、新增升压充电模块[2]、升级电芯材料和新增降压充电模块等方式。无论是哪种方式，都是为了提升充电功率，减小充电功能损耗。以此来缩短充电时间，缓解车主等待车辆充电时的焦虑。根据前文提及的，目前充电桩在开发建设当中，常见规格有电压1000V功率250kW的充电桩。当一台大于250A充电需求的车辆进行充电时，由于该充电桩电流输出已经达到设计极限。充电桩无法输出高于250A的电流，就会出现无法满足车辆的充电需求情况。例如一台高压平台（800V）的车辆到1000V充电桩上充电，此时车辆给充电桩发了400A充电需求，而充电桩只能输出250A的充电电流。但是这时充电桩仅使用了接近200kW的充电功率，充电桩尚有50kW的充电功率无法使用。

因此为了解决此类问题，可以在电池和充电桩中间增加一个降压模块，这样可以让充电桩输出的电流通过降压模块来抬升输入到电池包的电流，来实现快速充电的功能。降压功能也有人称为升流功能，可以通过电驱系统的电机和电机控制器来组成buck降压电路[4]。虽然降压充电能够提升充进电池包的电流，缩短充电时间。这需要车辆每次进入直流充电的时候根据充电机电流输出范围和功率范围进行匹配，判断是否需要进入降压充电来缩短充电时间。

3 直流充电流程

3.1 充电通信流程

参考GB/T 27930-2015中第8节内容可知，整个直流充电一共分为六个阶段，分别是：物理连接完成、低压辅助上电、充电握手、充电参数配置、充电传输、结束充电等。（图2）

一般在充电配置阶段，充电机与车辆控制器进行通信，双方通过BCP、CML等CAN报文内容来确认充电机输出电压范围和电流范围，车辆根据充电机电压电流输出范围判断是否能够正常充电。目前主流的做法仅对充电机的电压范围进行判断，判断是否符合车辆的电压平台范围，而电流输出范围只要在车辆电池的充电能力范围就行，不额外多做要求。本文介绍一种对充电桩输出电流范围更进一步处理的充电控制策略，以此缩短车辆充电时间。

3.2 充电策略优化

基于车辆本身具备降压功能的高压回路的基础上，将对充电机输出电流范围的上下限作为充电策略判断阈值。通过车辆本身充电最大能力和充电桩输出电流范围做比较，判断是否需要进入降压充电。

根据GB/T 27930中CML报文获取充电桩最大输出电压，先对比当前车辆电池最大电压与充电桩最大输出电压的关系，接着对比充电桩最大输出电流与当前SOC下车辆的最大充电电流需求的关系，最后在决定是否进入降压充电。

这里需要说明目前电动汽车电压平台分为400V低压平台和800V高压平台两种，通常高压平台的车辆无法在500V充电桩进行充电，因为电池包电压范围不在充电桩最大输出范围内。而低压平台的车辆能够在500V、750V和1000V的充电桩充电。如前文所属，降压功能的使用需要满足充电桩最大输出电压比车辆电压平台高，这样才能使用更多功率。若充电桩最大输出电压与车辆电池包最高电压接近，则不需要使用降压充电等方式。原因是电驱系统工作有转化效率[3]，此种情况下电池包从充电桩处获得的电功率不仅没有提升，还有可能下降。

具体判断流程如下：（1）开始充电，车辆在收到充电桩能力信息：（2）判断充电桩最大电压大于车辆动力电池最大电压；（3）根据电池当前SOC判断车辆电池包最大充电能力大于充电桩最大充电电流。若都满足后才进入降压充电。

具体判断流程如图3。

4 仿真结果及分析

选择市面某款400V平台车型作为仿真测试的对象，假定该车型具备降压充电功能，高压器件电压工作范围，电驱系统降压转化效率和车辆高压线束能力均能满足要求。车辆信息如下：电池电压范围240V～410V，电池包电量70kWh，最大充电电流400A，最大充电功率120kW。

根据实地调查，选择五种市面上不同性能的750V充电桩来进行充电对比，分析该充电策略对车辆充电时间的影响。充电桩型号如下表１。

充电测试平台利用仿真软件搭建纯电车辆直流充电系统，其中包含充电环境参数、电池热管理模块、车辆动力电池模块、充电控制模块、充电桩等内容，模型示意图如图４。

测试工况选取常温10%～80% SOC下的充电时间作为考核指标。通过仿真分析，得到400V平台车辆在五种不同性能的充电桩上充电的时间，结果如表2所示。

通过对比表格中的时间结果，发现对于①、②充电桩，使用降压充电对车辆充电时间都能够有一定的提升。其中②号充电桩提升最大，分析原因为充电桩电流输出最大值过低导致。③号充电桩通过新策略判断后，也进入降压充电，但是充电时间提升却没有①、②充电桩好，分析原因为其原本电流输出上限比较大，且输出功率也有120kW，所以进入降压充电后能够利用的功率与原来差不多。另外④号充电桩进入降压充电后充电时间不仅没有缩短，还出现延长的情况。分析原因为充电桩输出功率比较小，在原充电时候就已经使用60kW进行充电。进入降压充电后，因为降压模块功率转换有一个效率，导致车辆在④号进入降压充电后，能够利用的最大功率反而没有原来高了。⑤号充电桩优化前后充电时间基本无变化，原因值其充电桩最大电流和功率都能满足车辆充电需求，因此车辆不需要进入降压充电。

从上述分析中发现，根据车辆本身充电最大能力和充电桩输出电流范围做比较，判断是否需要进入降压充电的策略，虽然存在一定局限性。特别是对于第④种充电桩输出功率不等于其最大电流和最大电压的乘积，且功率较小的类型，无法进行明确的判断。但是针对①、②、③种充电桩的充电时间，还是具有明显提升效果。

5 结语

无论选择哪一种充电方式，都是希望未来的车辆可以更安全，更高效的进行充电。本文介绍一种对降压充电的优化控制策略，同时利用仿真平台对车辆在不同性能充电桩下充电进行仿真测试。仿真结果显示优化的控制策略能够一定程度上提高车辆的充电速度，具备一定参考意义。

参考文献：

[1]中国充电联盟.2024年7月全国电动汽车充换电基础设施运行情况[EB/OL].2024-08-10.https：//mp.weixin.qq.com/s/-4Y3hqZGNx_e-SSj6QoRIQ.

[2]胡鹏博.用于电动汽车的升压充电变换器控制设计[J].微特电机，2023（10）：40-44.

[3]包慧创.电动汽车用大功率DC/DC变换技术研究[D].杭州：浙江大学，2023.

[4]Sanjaya Maniktala，著.王健强，等，译.精通开关电源设计（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2015：27-38.

[5]戴瑞然，马运东，王鹏，王鹏飞.一种基于多谐振开关槽与Buck-Boost电路的准并联变换器[Z].电工技术学报.