一文了解電動汽車車載充電技術發(fā)展趨勢

第一電動大牛作者樓佳烽 2018-07-25 09:07

為提升電動汽車對燃油車的競爭力，解決消費者“里程焦慮”，并緊跟國家財政補貼政策，汽車制造商不斷推出電氣化解決方案（包括開發(fā)新電池技術等）以延伸車輛的里程范圍。

現階段，在電池技術未獲得重大突破的前提下，OEM解決此問題較為“簡單粗暴”但行之有效的方式就是增加動力電池容量。但隨之而來的長時間充電體驗也將阻礙電動汽車的舒適性使用，尤其是當下快速充電基礎充電設施還未完全普及，此影響對于普遍使用家用充電的車輛更甚。

【一】電動汽車車載充電機

電動汽車充電解決方式主要有接觸式充電（交流&直流充電）和非接觸式充電（無線充電）。根據充電形式不同，除直流充電系統外，電動汽車還須配備OBC（On-borad Charger，車載充電機），使得汽車可以使用家用的普通電源插座進行充電。

電動汽車上安裝的OBC（車載充電機）主要由功率電路（整流+PFC+移相全橋&LLC）和控制電路組成，作為車載電力電子零部件，一款好的車載充電機主要需要具備以下特性：

◆ 安全：與電網連接，防范產品在失效情況下的電氣風險；

◆ 可靠：產品全生命周期內可靠穩(wěn)定運行，并降低諧波對電網電源質量的影響；

◆ 高效：高能效，涉及車輛的充電計費；

◆ 物美：合理的產品體積，結構、外觀滿足整車系統集成要求；

◆ 價廉：高功率密度（kW/Kg），且保證車載充電器滿足整車成本控制要求。

圖1. 電動汽車車載充電技術示意圖

【二】車載充電機發(fā)展趨勢

隨著EV車輛續(xù)航里程提升（350~500km），電池電量普遍＞60KWh，傳統的3.3kW和6.6kW車載充電機功率已不能滿足當下純電動汽車的慢充（6~8h）需求了，未來，車載充電機功率擴容勢在必行。

然而，整車配備大功率充電機雖可減少充電時間，但由于受限于車輛配重、空間以及成本制約，同時大功率的交流充電也受電網基礎設施的影響，如小區(qū)配電的容量，該解決方案面臨挑戰(zhàn)，OEM一邊需要不遺余力地優(yōu)化充電時間以使車輛更具競爭力，另一邊同時還需兼顧車輛系統部件成本，尤其是在國家和地方政策補貼逐漸減少后，以便在保證價格優(yōu)勢的同時可獲取更高的利益。

表1. 部分廠家EV車型續(xù)航里程及交流充電功率

電動汽車充電系統的設計趨勢是大功率、高效率，以便在一次充電保證盡可能多的續(xù)駛里程。汽車OEM雖可依靠建設直流快充設施來提供快速充電方案，但直流快充基礎設施同時也會額外成本及空間等要求，而隨著V2G&V2L&V2V等充電技術增值服務的發(fā)展，提升OBC的充電功率，利用大功率的OBC對車輛進行充電，也是電動汽車私人專用和公共設施充電解決方案的重要方式。

對于車載充電機產品擴功率、降成本的發(fā)展趨勢，主要形成兩種技術形態(tài)：

1）功能擴展：單向充電技術向雙向充電技術發(fā)展。

對于裝載電池電量不大的的車輛（如PHEV，小型化EV等），單向低功率車載充電機產品仍將大范圍應用。OEM通過新系統集成化設計用以優(yōu)化降低成本，推出高效且便宜的車載充電器，比如將充電機與DCDC功能集成（可減少電氣連接、復用水冷基板及部分控制電路）。

圖2. 三菱汽車“i-MiEV”車載充電機與DCDC集成示意圖

另一方面，在電動汽車智能駕駛技術的突飛猛進下，為提升車輛充電的便捷性，提升用戶體驗，車輛無線充電進一步成為技術風口。

圖3. 車輛無線充電示意圖

以上，車載充電機在結構形式或者充電形態(tài)上的改變，由于充電功率限制以及成本控制目的，一般只支持單向充電，但是隨著電池能量的提升，客戶需求的變化等原因，對雙向的充電也越來越多。

圖4. 比亞迪唐的V2L技術

2）功率擴展：單相充電技術向三相充電技術發(fā)展。

現階段，許多電動汽車不支持高于6.6kW的交流充電功率水平，但交流連接器支持高達19kW（美國）、14kW（歐洲）的單相功率水平和高達52kW（美國）、43kW（歐洲、中國）的三相功率水平，標準化充電功率與EV交流充電功能之間還未完全匹配，因此，在現有充電標準內增加AC充電水平存在相當大的潛力。

表2.美國、歐洲及中國交流充電額定電壓/電流表

為了提升充電功率并降低車輛充電系統的成本、重量和所需空間，通過將電池充電器和電機驅動器有效集成成為車載充電技術重要路徑之一。

對于EV支持的最大充電水平，無論是DC還是AC，都受到電力電子設備和電池容許的散熱限制，且EV熱管理系統須設計成使電池在指定溫度下可以在驅動和充電期間正常操作。因此，集成充電器設計用于在這些功率水平下充電的EV時，還需要避免了額外的冷卻系統和部件要求。

【三】集成充電器技術

一般地，車輛驅動和充電不會同時發(fā)生，因此盡可能共用電力電子器件變得有現實意義，集成充電器最重要的優(yōu)勢是利用車輛現有組件系統實現了高功率、雙向快速充電。

表3. 集成充電器市場應用示例

對于交流快速充電過程，集成充電器的實現并不簡單，特別是三相交流充電。

◆安全問題：集成充電器和電網連接可以隔離（單故障安全）或非隔離（單故障需保護），出于隔離設計對系統成本以及充電效率的影響，非隔離式集成充電器成為車輛應用中的首選替代方案（非隔離化集成充電器傾向于最小化尺寸和重量）。

電網隔離雖不是強制性要求，但它可以大大簡化安全要求，充電過程中，HV系統可視為符合IEC 60364-4-41的IT網絡。若車輛集成充電器不與電網隔離，非隔離式的安全措施主要由通過做好絕緣措施以及安全防護（電網側剩余電流監(jiān)測（RCD）&車輛側絕緣監(jiān)測模塊（IDM）&過流保險）來實現——此安全防護對隔離系統也需要，更進一步而言，系統需要在設計上保證充電電路和底盤接地之間的AC漏電流防止GFI電源插座跳閘以及選擇合適的整車絕緣監(jiān)測系統防止接地誤報警斷開充電回路。

另外，雖然與集成充電器降低基礎充電設施成本目標相矛盾，電網側配置獨立的變壓器進行隔離也是一種手段。

圖5. 集成充電器電網側配置獨立變壓器實施隔離方案示例

關于安全，集成充電器若進行雙向充電（V2G），則需要考慮并網條件，如需考慮防孤島效應等。

◆扭矩問題：集成充電器常見的具有商業(yè)化的做法是通過接觸器重新配置繞組接線或者增加非集成裝置來實現系統在驅動和充電模式之間的切換。若利用電動機繞組中的漏抗作為電網接口中所需的電感，主要挑戰(zhàn)是在充電期間保持零扭矩。集成充電器單相（慢）充電時，相對容易可避免電機電磁轉矩產生。但三相充電時，需要避免電機電磁轉矩產生引起的不期望的機械振動、噪聲。