电动汽车充电技术综述

许二超，周从源

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

电动汽车充电技术综述

许二超，周从源

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶介绍了传导式充电和无线充电的分类、工作原理、研究现状以及应用情况，对比分析了各种充电模式的优缺点，对未来电动汽车充电技术的发展进行了展望。

∶电动汽车；无线充电；充电模式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.007

CLC NO.: U469.72Document Code: BArticle ID: 1671-7988 (2016)09-18-04

近年来，随着国家对节能减排项目的政策与扶持力度加大，电动汽车呈现了爆发式增长，同时对充电方式多样化和方便性提出更高的要求。目前电动汽车的充电方法主要有两种：一种是有线充电，也叫传导式充电；一种是无线充电，也叫无接触式充电。

1、传导式充电

传导式充电以电缆为传输介质，通过电缆和耦合器连接，进行直接的接触式电能传输。优点是技术成熟，产品开发简单，但是由于有外露的导电点，频繁插拔的操作导致设备增加损耗，安全程度有一定的局限。

2016年1月充电新国标的实施，规定了传导式充电连接装置的定义、要求，充电接口的物理尺寸、电气性能以及充电控制通信协议，有助于进一步完善传导式充电系统性能指标，提高充电的兼容性和安全性。

1.1交流充电

交流充电是单相或三相交流电通过车载充电机整流、滤波、功率因数校正，转换为合适电压的直流电，对电动汽车动力电池进行充电的方式。交流充电方式需要在电动汽车上装配车载充电机，常见的形式为：使用家用电三孔插头的缆上控制盒（GB/T 18487中充电模式二）以及使用充电插头的通过交流充电桩。

交流充电使用单相交流电220V时，最大充电电流为32A，三相交流电380V为63A。电动汽车受限于车载充电机的功率、质量、空间、体积和成本，目前市场上大部分采用单相的交流充电[1]，充电电流较小，为动力电池0.1C～0.3C，通常在16A以下，充电时间6～10小时。电动汽车一般配备缆上控制盒、便携式充电桩，可以方便连接电网，实现及时充电。

1.2直流充电

直流充电通过地面充电装置（直流充电桩）将交流电网电能转化为直流电后，通过充电连接装置直接对电动汽车动力电池进行充电。主要针对长距离旅行或需要进行快速补充电能的情况进行充电。

直流充电采用三相四线制380V 供电，充电电流一般为100～200A，典型充电时间是0.5～2小时。由于充电电流较大，为动力电池0.5C～2C，对动力电池使用寿命有一定的影响，同时短时间接受大量的电量会导致电池系统过热。

1.3换电充电

换电充电通过直接更换电动汽车的动力电池组来达到为电动汽车补充电能的目的，并对替换下的电池组进行集中充电的模式。在动力电池更换时间方面，普通车的电池组可以在5分钟内完成更换，电动公交车也仅需要8分钟，更换时间基本与传统燃油汽车的加油时间持平。

换电充电模式需要在专门的换电站进行，由于电池组重量较大，更换动力电池的专业化要求较强，需配备专业人员来快速完成电池的更换、充电和维护，并且要求电动汽车和车载电池系统实现标准化。换电充电实现了电动汽车和动力电池的技术分离，更换下的电池可以进行集中充电管理，可避免大规模电动汽车随机充电对电网运行带来的不利影响[2]。

三种传导式充电模式优缺点都比较明显，如表1所示，从充电便利性、安全性、对电池系统和电网的影响等方面进行了对比分析。

表1　传导式充电对比分析

1.4传导式充电研究现状

1）交直流充电模式对比。电动汽车保有量一定的条件下，车桩比较小时，直流一体机的社会总投入成本明显高于大功率交流车载充电机；随着车桩比的增加，两种充电模式的社会总投入成本均呈下降趋势；当车桩比大于3.5:1，充电机的利用率显著提升，直流一体机的优势也更加突出，社会总投入成本明显低于大功率交流车载充电机[3]。

FARMER C通过压降、能量损失和线路负载参数对比了常规充电和快速充电对电网性能的影响[4]。分析结果表明，大量电动汽车的不协调充电接入电网，严重影响了电网的工作性能，并且可能超过配电网负荷能力。同时，快速充电方法较常规充电对于电网的系统压力和能力损耗更大。SORTOMME E.等人对协调充电理论进行了研究[5]，确定了充电过程中的支路损耗、负载因数和负载变化的关系，提出了三种优化算法：损耗最小化算法、负载因数最大化算法和负载变化最小化算法。实验表明，结合三种算法，充电过程中对电网配电网的影响得到了最小化。

2）对电网的影响。电动汽车充电会造成新的负荷高峰，在一定程度上给城市供电网络带来冲击；且这种冲击随着电动汽车的普及和推广会越来越大[6]。文献[7]指出电动汽车充电设备有利于电网的峰谷平衡，但会对电网造成谐波污染，影响电能质量，并对谐波污染提出了治理意见。文献[8]提出了电动汽车常规慢充能效链模型，给出影响电动汽车常规慢充能效的关键因素，配网、变压器、充电桩。

3）充电站的建设。充电站的建设包括充电站的外部接入方式（影响因素为供电可靠性、建设规模、建设成本）、内部布局、资金投入等内容[9]。电动汽车充电站监控系统作为充电站站内设备的集中监控设施，应具备以下四大基本功能：充电监控功能、配电监控功能、电池维护监控功能和快速更换设备监控功能[10]。

文献[11]针对集中型充电站接入电网的规划问题，综合考虑电力网络和交通网络因素，建立了集中型充电站的定址分容模型，并从新建线路传输容量和待选站址地价两方面对模型进行了灵敏度分析。文献[12]采用层次分析法处理充电便利性、交通流量、征地代价等不确定性较强的因素，在此基础上建立了电动汽车充电站选址定容的最优经济模型，使包括充电站的运行费用、网损费用和配电变压器投资等在内的充电站运营收益最大化。

2、无线充电

无线充电技术是基于非接触式电能传输技术的充电技术。主要通过电磁感应、电磁共振、微波和激光等方式实现非接触式电能传输的。虽然无线充电技术有多种形式，但一般认为适用于动力电池充电只有电磁感应式和电磁共振式两种［13］。

相对于传导式充电，无线充电具有使用方便、安全、可靠，没有电火花和触电的危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损，没有相应的维护问题，可以适应雨雪等恶劣的天气和环境等优点[14]。其缺点是：设备的经济成本投入较高，维修费用大；实现远距离大功率无线电磁转换，能量损耗相对较高；无线充电设备的电磁辐射会对环境造成污染。

2.1电磁感应式无线充电

电磁感应式无线充电的工作原理如下：将电网的工频交流电经过整流、逆变转化为高频交流电，在信号控制电路的控制下经过一次侧补偿电路后注入原边绕组，在在线圈中产生高频电磁场；位于电动汽车底盘的副边绕组在靠近原边绕组空间通过感应耦合高频交变磁通获取感应电动势，同时在信号控制电路的控制下经过整流滤波以及功率调节，从而实现为电动汽车动力电池提供电能。如图1所示。

电磁感应式无线充电是松散耦合结构，相当于可分离变压器；其一次侧、二次侧之间通过电磁感应实现电能传输，因气隙导致的耦合系数的降低可以由提高一次侧输入电源的频率加以补偿。

感应式无线充电技术的工作频率相对较低，一般为几十到几百kHz 之间，可以实现kW级功率无线传输，近距离传输效率一般在90%以上[15]。

图1　电磁感应式无线充电原理

2.2电磁共振式无线充电

电动汽车谐振式无线充电系统的工作原理为：将电网的工频交流电经整流滤波、高频逆变后产生高频交流电，再经功率放大电路和阻抗匹配电路送至发射线圈，当位于电动汽车侧接收线圈的固有频率与收到的电磁波频率相同时，发射线圈的电流最大，产生的磁场最强；此时接收线圈若有相同的自谐振频率，则会通过磁场产生很强的耦合，从而实现电能的高效传输。接收线圈中的电能经整流滤波和调节电路给负载电池进行充电。同时整个系统通过反馈控制环节来保证系统的稳定性和高效性。如图2所示。

电磁共振式无线充电优点是，传输距离较远（一般可达几米），对小范围位置变化不敏感，传输效率高等，但易受到周围磁性物质的影响；频率相对较高，一般在MHz以上，电路器件要求高；对人体健康影响有待研究等。

图2　电磁共振式无线充电系统原理

2.3研究现状

1）充电效率提升

无线充电效率较低，目前主要通过阻抗匹配，调整系统发射部分和接收部分的阻抗匹配；开关变换器，选用适合电动汽车充电的电路拓扑，利用软开关技术降低开关损耗，如SiC和GaN等新型器件；高Q值线圈，如使用超导材料；线圈的优化设计，根据实际的汽车底盘高度设置合适的线圈间距，然后设计这个距离下传输效率最高的线圈参数。

2）无线充电安全性

电动汽车无线充电技术的安全性需要进行试验验证，尤其是人身安全、电池充电、电磁辐射对人类及环境的影响等问题。

文献[16]定量地分析了发射线圈产生电磁场对于人体的辐射影响。由于电动汽车无线充电传输功率很大，一般超过10kW，必须采取一定的措施来降低对人体的危害。比如使用特殊的屏蔽材料铺设于电动汽车的座位下，或者让发射线圈与接收线圈的电磁耦合区域尽量远离人体。

3）无线充电标准

2016年5月，国际自动机工程师学会发布了混插式以及全电动汽车无线充电技术的行业标准，《纯电动/插电式混合动力及相关新能源汽车无线充电技术规范（SAE TIR J2954）》，标准制定了低速充电方面的无线能量传输协议，并通过附录的方式为其他问题，比如高速充电模式等留足了补充空间。明确了乘用车方面无线充电使用频段，使汽车制造商生产的无线充电器就能够兼容其他不同生产商、充电站的无线充电设备，有助于电动汽车无线充电技术的大范围推广和应用。

4）无线充电技术应用

在2014年2月，丰田汽车联合美国WiTricity公司，搭载了电磁共振无线充电系统的Prius混合动力电动汽车，采用2kW的充电功率，只需90分钟电池即可将4.4kWh的电池组充满。

博世与Evatran Group合作开发了他们的无线电动汽车充电系统，该系统由地面发送器、车载适配器及地面操控面板组成，220V交流市电输入，额定功率为3.3 kW。

中国科学院电工研究所对比研究了基于感应耦合方式的非接触充电技术和基于磁共振耦合方式的非接触充电技术，在电动汽车用无线充电系统线圈设计、电容参数设计、磁场分析与屏蔽等方面进行了深入研究[17]，设计了基于磁共振耦合方式的无线充电系统。该系统额定功率为3.3kW，传输距离为20cm，与轿车底盘高度相当。实验室条件下，该系统达到了94%的DCDC效率。

3、结论及展望

本文主要对电动汽车传导式充电和无线充电模式的分类、优缺点、研究现状、无线充电的原理及应用研究进行了总结。

传导式充电技术成熟，占主流地位；电动汽车无线充电技术具有方便、快捷，是未来的发展方向，但目前还处于研发和探索阶段，随着无线电能传输技术的成熟，无线充电技术将得到更多的应用和推广。关于电动汽车充电技术需要考虑的问题有以下几个方面。

1）大功率车载充电机的开发。现有电池技术及充电便利性的限制，交流充电具有不可替代的优势，车载充电机是其关键部件。

2）绿色充电设备的研究与应用。要求充电设备充电功率因数高，并且有效抑制谐波，对电网质量影响小。

3）换电充电模式已成为电动汽车的重要能源供给模式，是否能取得突破性进展，关键在于电池技术与投资成本、安全性与责任界定、标准体系建设等众多问题。

4）无线充电功率、效率的提升，制约着商业化应用。

5）移动充电。可以在地下铺设一系列发射线圈，使电动汽车可以在移动中充电。

[1] 张维戈.纯电动公交车换电站优化设计和经济运行研究[D].北京:北京交通大学,2013.

[2] LiuYongxiang,HuiFuhui,XuRuilin,etal.InvestigationontheconstructI-onmodeofthechargingstationandbattery-exchangestation[C].Powera ndEnergyEngineeringConference.Wuhan,China:IEEEPower&Energ ySociety,2011:1-2.

[3] 鹏飞.大功率交流车载充电与直流充电技术对比分析[J].机电一体化,2015,11:23-28.

[4] armerC,HinesP,DowdsJ,etal.ModelingtheImpactofIncreasing PHEVL -oadsontheDistributionInfrastructure[C].In:43rdHawaiInternational ConferenceonSystemSciences,2010:1-10.

[5] SoetommeE,HindiMM,MacphersonSDJ,etal.CoordinatedChargeof Pl -ug-InHybridElectricVehiclestoMinimizeDistributionSystemLosses[ J].SmartGrid,2011,2(1):198-205.

[6] 俞豪君,梁茜,许文超,等.慢充和换电方式下的电动汽车充电负荷计算[J].江苏电机工程,2015,34(2):58-61.

[7] 陈玉进.电动汽车充电设备特点及对电网影响探讨[J].湖北电力,2009,33(6):48-50.

[8] 刘畅,庞东泽.电动汽车常规慢充方式能效分析研究[J].山东电力技术,2014,198(2):60-67.

[9] 康继光.电动汽车充电模式与充电站建设研究[J].电力需求侧管理,2009,05:64-66.

[10] 严辉,李庚银,等.电动汽车充电站监控系统的设计与实现[J].电网技术,2009,33(12):15-19.

[11] 高赐威,张亮,薛飞,等.考虑集中型充电站定址分容的电网规划研究[J].中国电机工程学报,2012,32(7):40-45.

[12] 寇凌峰,刘自发,周欢.区域电动汽车充电站规划的模型与算法[J].现代电力,2010,27(4):44-48.

[13] 曹玲玲,陈乾宏,任小永,等.电动汽车高效率无线充电技术的研究进展[J].电工技术学报,2012,(08):1-13.

[14] XunL,HuiSY.Simulationstudyandexperimentalverificationofauniversalcontactlessbatterychargingplatformwithlocalizedchargingfeatur es[J].IEEETransonPowerElectronrics,2007,22(6):2202-2210.

[15] BoysJT,CovicGA,GreenAW.Stabilityandcontrolofinductivelycoupledpowertransfersystems[J].IEEProceedings-ElectricPowerApplica tions,2000,147(1):37-43.

[16] ChristA,DouglasMG.EvaluationofWirelessResonantPowerTransfer-SystemwithHumanElectromagneticExposureLimits[J].IEEETranso nElectromagneticCompatibility,2013,55(2):265－274.

[17] ZhuQW,WangLF,LiaoCL.Compensatecapacitoroptimizationforkilowatt-levelmagneticallyresonantwirelesschargingsystem[J].IEEETra nsactionsonIndustrialElectronics,2014,61(12):6758-6768.

Review of Charging Technologies for Electric Vehicle

Xu Erchao, Zhou Congyuan
（AnHuiJianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601）

The conduction charging and wireless charging's classification,working principle, research status and application are introduced. Comparative analysis on advantages and disadvantages of various charging modes is presented. The developmentof electric vehicles charge technology in the future is proposed.

electric vehicle; wireless charging; charging mode

∶U469.72

∶B编号∶1671-7988 (2016)09-18-04

许二超（1983.1-），男，电池系统工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。主要研究 电池系统研究。