柳文俊 李亮 趙新東

摘 要： 隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)的要求不斷提高，對(duì)于充電時(shí)間短、充電效率高以及對(duì)電網(wǎng)負(fù)擔(dān)小的充電模式的研究成為電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，其中快速充電模式已經(jīng)成為電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)研究與發(fā)展的主要模式。本文從快速充電技術(shù)的發(fā)展與影響，介紹了快速充電模式中的脈沖充電法、恒流恒壓充電法以及綜合快速充電法，分析了快速充電模式對(duì)電網(wǎng)的影響以及目前的解決方案，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)快速充電的發(fā)展趨勢(shì)做了總結(jié)。

關(guān)鍵詞： 快速充電； 電網(wǎng)； 電動(dòng)汽車(chē)； 優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： U 469.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2015）02-0067-05

0 引 言

伴隨著環(huán)境污染、石油短缺以及電池技術(shù)不斷發(fā)展，新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為了汽車(chē)工業(yè)一個(gè)重要的發(fā)展方向。電池作為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的能量源頭，對(duì)其充電方法的研究成為電動(dòng)汽車(chē)研究的一個(gè)主要領(lǐng)域。目前主要應(yīng)用的充電方法有常規(guī)充電和快速充電。常規(guī)充電方法采用小電流恒流等充電方式，通常充電周期在6～8 h左右。隨著電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際應(yīng)用中的不斷普及，常規(guī)充電方法由于充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足運(yùn)行需求。1967年美國(guó)人JAMAS以蓄電池充電析氣率為前提，提出了著名的蓄電池充電三定律，揭示了充電過(guò)程中電池可接受充電電流的規(guī)律。以馬斯三定律為基礎(chǔ)，蓄電池快速充電的研究不斷展開(kāi)。電動(dòng)汽車(chē)的快速充電模式較常規(guī)充電模式相比，在15～60 min內(nèi)能將電池電量充60%～90%以上。本文根據(jù)對(duì)目前關(guān)于快速充電的文獻(xiàn)研究，總結(jié)了電動(dòng)汽車(chē)快速充電的主要方法，快速充電模式對(duì)電網(wǎng)的影響及評(píng)估優(yōu)化方案，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)快速充電模式的發(fā)展趨勢(shì)做出了總結(jié)。

1 快速充電主要方法

根據(jù)電池充電基本常識(shí)，充入相同電量的條件下，為縮短充電時(shí)間，充電電流就應(yīng)加大，充電過(guò)程中電池對(duì)于充電電流有一定的接受程度。目前快速充電的主要方法有脈沖充電，恒流恒壓充電以及綜合參數(shù)優(yōu)化的充電方法。

1.1 脈沖充電方法

郭毅鋒等人提出了一種帶負(fù)脈沖的快速脈沖充電方式[1]，如圖1所示。圖1中，在普通脈沖充電周期中加入毫秒級(jí)負(fù)脈沖放電，根據(jù)馬斯三定律可知對(duì)電池放電可以提高電池的充電接受率從而提高電池可接受充電電流。雖然延長(zhǎng)了充電脈沖周期，但是由于可接受充電電流的提高，整個(gè)充電時(shí)間仍控制在1h內(nèi)。CHENG P H等人在帶負(fù)脈沖充電效率問(wèn)題上做了研究[2]，提出了一種高效率無(wú)耗散的快速充電策略，如圖2所示。圖2中，充電電流周期包括三部分：有功正向充電、有功反向放電和無(wú)功間歇三段。正向充電電流由高峰值正電流低谷值負(fù)電流三角波形電流構(gòu)成，反向放電電流由低峰值正電流高谷值負(fù)電流三角波形電流構(gòu)成，間歇電流由峰谷值大小相同的三角波形電流構(gòu)成。這種充電方式提高了脈沖充電效率，減少了充電時(shí)間，并且具有快速瞬變響應(yīng)。

對(duì)于帶負(fù)脈沖的快速充電模式，負(fù)脈沖放電階段的電能也可以被回收再次利用到正脈沖充電過(guò)程中。CHU YS等人提出了一種帶有能量回收和功率因數(shù)修正的正負(fù)脈沖快速充電機(jī)[3]，充電機(jī)由單向Boost-Forward變換器和反激式變換器組成。單向Boost-Forward變換器完成動(dòng)態(tài)脈沖充電，并且有高充電功率因數(shù)。反激式變換器將電池反向放電的電能吸收回大電容，提高了電池充電效率。負(fù)脈沖充電電能回收時(shí)會(huì)伴隨著過(guò)電壓的問(wèn)題，WANG J B等人提出了一種由功率補(bǔ)給單元PSU和三個(gè)獨(dú)立電流控制型Buck變換器和微處理器構(gòu)成多相脈沖充電機(jī)[4]，通過(guò)微處理器控制提高了PSU的輸出電流能力，并根據(jù)PSU輸出電壓特性，確定了充電機(jī)額定輸出電壓、最大脈沖幅值和電流波形。負(fù)脈沖釋放的電能被回收到下一周期脈沖電流中，同時(shí)可以補(bǔ)償PSU中的過(guò)電壓現(xiàn)象。CHEN L R等人提出一種電流泵充電機(jī)（CPBC）[5]，充電過(guò)程包括三部分：大電流充電、脈沖電流充電和脈沖浮充充電，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)通過(guò)電池泵的鎖相回路自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的鎖相的充電機(jī)相比，電池可用容量提高了6.9%，充電效率提高了1.5%。CHEN L R還提出一種可變周期電壓脈沖充電策略[6]，可以檢測(cè)并動(dòng)態(tài)跟蹤適合的脈沖周期。與標(biāo)準(zhǔn)的CC/CV方式相比，充電速度提高14%充電效率提高了3.4%，與傳統(tǒng)定周期電壓脈沖充電相比充電速度提高5%充電效率提高1.5%。

1.2 恒流恒壓快速充電

基本恒流恒壓充電方法的電流波形如圖3所示。圖3中，如果電池的電壓低于最低電壓VL時(shí)，電池等效內(nèi)阻較大，需使用較小的電流恒流充電；當(dāng)電池電壓高于VL低于最大電壓VH時(shí)，電池等效內(nèi)阻較小，可使用大電流恒流充電；當(dāng)電池電壓高于VH時(shí)，使用恒壓充電直到充電電流低于某值時(shí)結(jié)束充電。

CHEN J J等人提出了一種高效的多模式鋰離子充電機(jī)[7]，充電機(jī)帶由可變電流源和前端電壓控制部分組成?？勺冸娏髟刺峁┖懔鞒潆婋娏鳎岸穗妷嚎刂撇糠挚商岣叨嗄Ｊ匠潆姍C(jī)的效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在平均輸入功率為1.24 W的情況下，平均功率效率為91.2%，適合的參考電壓精度可達(dá)97.3%。CHRISTEN D等人提出了一種帶有多相半橋DC-DC變換器的充電機(jī)[8]，充電機(jī)采用一種中間儲(chǔ)能裝置來(lái)避免對(duì)電網(wǎng)的功率絕熱脈動(dòng)效應(yīng)并且提供如能量?jī)?chǔ)存再利用等功能。通過(guò)這種中間儲(chǔ)能裝置，DC-DC變換器中的壓降得到降低，有利于提高系統(tǒng)功效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于分?jǐn)郉C輸入電壓的變換器采用臨界工作模式，實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)的同時(shí)減少了電流輸出波紋，效率可達(dá)到99.5%，相對(duì)電流幅值降低2%，與傳統(tǒng)Buck變換器相比損耗減少了4%。CHEN L R等人將鋰離子電池當(dāng)做灰色系統(tǒng)[9]，提出了一種灰色預(yù)測(cè)的鋰離子充電系統(tǒng)（GP-LBCS）使用灰色預(yù)測(cè)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的恒壓模式來(lái)改善充電機(jī)性能。采用灰色預(yù)測(cè)算法提高充電軌跡的速度和安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)恒流恒壓充電系統(tǒng)相比，GP-LBCS的充電速度和充電效率分別提高了23%和1.6%。

1.3 綜合快速充電

除了上述快速充電法，對(duì)于充電過(guò)程中的電流、電壓和溫度等充電參數(shù)的優(yōu)化研究也是快速充電的主要研究方向之一，目前有很多關(guān)于綜合快速充電方法的研究文獻(xiàn)。YAN J Y等人針對(duì)充電過(guò)程中的SOC和溫度參數(shù)[10]，提出了一種模型預(yù)測(cè)控制快速充電機(jī)，通過(guò)對(duì)電池后期狀態(tài)的預(yù)測(cè)優(yōu)化了充電的控制策略，最小化電池溫升，同時(shí)采用遺傳算法，解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。HUANG S J等人針對(duì)磷酸鋰鐵電池（LFP）建立了一種電池剩余電量模型[11]，通過(guò)測(cè)量某SOC值下電池的電壓，根據(jù)獲得的電壓特性參數(shù)求得電池的存儲(chǔ)電量。根據(jù)電池的滿(mǎn)電電量和剩余電量的差值確定適合的充電時(shí)間，同時(shí)考慮影響電壓值計(jì)算的磁滯效應(yīng)，從而確保充電過(guò)程穩(wěn)定、安全、不過(guò)充。HAGHBIN S等人提出一種新型的快速充電電路思路[12]，由于充電過(guò)程中，電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)系統(tǒng)電路是不運(yùn)轉(zhuǎn)的，所以有可能將其運(yùn)用到充電電路中。根據(jù)此思路，JOW W等人提出了一種帶負(fù)脈沖的均衡電池組充電方法[13]，充電過(guò)程中負(fù)脈沖所釋放的電能被儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存起來(lái)，根據(jù)各單體電池的充電狀態(tài)，將電能重新分配，有效的改善了電池組充電過(guò)程中，充電不均勻的問(wèn)題，提高了電池組各單體電池的使用壽命。

2 快速充電與電網(wǎng)

隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量急劇增長(zhǎng)，其充電過(guò)程的隨機(jī)性和大負(fù)載性必將對(duì)電網(wǎng)造成影響。其中快速充電模式由于充電電流大，充電機(jī)包含多種電力電子器件，對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷影響和諧波污染影響的研究成為快速充電對(duì)電網(wǎng)影響的主要方面。同時(shí)由于電動(dòng)汽車(chē)的電池容量大、數(shù)量多，電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的交互技術(shù)的研究也不斷發(fā)展，為改善電動(dòng)汽車(chē)充電問(wèn)題提供了更好的解決途徑。

2.1 對(duì)電網(wǎng)的影響

FARMER C指出，由于電動(dòng)汽車(chē)充電電隨機(jī)性和不確定使得電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)于電網(wǎng)的影響的評(píng)估有一定的困難性[14]。文章根據(jù)加拿大實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)壓降、能量損失和線(xiàn)路負(fù)載參數(shù)對(duì)比了常規(guī)充電和快速充電對(duì)電網(wǎng)性能的影響。分析結(jié)果表明，大量電動(dòng)汽車(chē)的不協(xié)調(diào)充電接入電網(wǎng)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的工作性能，并且可能超過(guò)配電網(wǎng)負(fù)荷能力。同時(shí)，快速充電方法較常規(guī)充電對(duì)于電網(wǎng)的系統(tǒng)壓力和能力損耗更大。AKHAVANR等人對(duì)于一種綜合可再生能源發(fā)電機(jī)和快速充電站在接入電網(wǎng)和單獨(dú)工作兩種連接模式下的充電過(guò)程分析[15]，結(jié)果表明在合適的控制策略下，快速充電可在不同情況下對(duì)有功和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)可以改善結(jié)合可再生能源發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)性能。YAO C等人指出[16]，少量接入電網(wǎng)的PEV也會(huì)對(duì)變壓器負(fù)載有較大的沖擊，并且盡管充電負(fù)荷的隨機(jī)性大，但在較低的充電機(jī)接入率下也會(huì)使得變壓器的電壓偏差值超過(guò)限定值。MOSES P S等人建立了一種快速充電站模型[17]，分析了對(duì)配電網(wǎng)的影響，對(duì)比了隨機(jī)模型和確定模型兩種建模方法。分析結(jié)果表明，快速充電站會(huì)影響變壓器負(fù)載和母線(xiàn)電壓配置，提出充電站應(yīng)建立能力貯存裝置和靜態(tài)增值補(bǔ)償器等設(shè)備，同時(shí)指出隨機(jī)模型對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電影響分析更具可靠性和說(shuō)服力。

2.2 優(yōu)化方案

目前對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的影響優(yōu)化主要集中在改進(jìn)充電機(jī)設(shè)計(jì)，減少充電過(guò)程諧波污染以及電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)交互技術(shù)的應(yīng)用。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)交互模式中的諧波污染，YUNUS K等人提出了一種雙向充電機(jī)[18]，充電機(jī)由三級(jí)雙向AC-DC變流器和三級(jí)DC-DC變流器結(jié)合而成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種充電器可以減小充電過(guò)程中的電網(wǎng)諧波污染。SABER A等人提出一種帶有有車(chē)電互聯(lián)能力的電動(dòng)汽車(chē)GV（Gridable Vehicle），GV可以被看作負(fù)載、能量源和能量?jī)?chǔ)存裝置[19]，在電動(dòng)汽車(chē)閑置時(shí)可作為小型電廠(chǎng)對(duì)部分負(fù)載供電或者大量GV回饋電能給電網(wǎng)補(bǔ)充電網(wǎng)電能。利用智能時(shí)序控制和GV作為負(fù)載或者能量源，對(duì)于建立綜合電力傳輸結(jié)構(gòu)有著巨大的潛力。ZHOU X H等人提出一種多功能的雙向充電機(jī)[20]，充電機(jī)包含三種功能：充電模式、V2G模式和V2H模式，實(shí)際的回饋功率由車(chē)輛SOC和電網(wǎng)需求決定。在V2G模式下電網(wǎng)側(cè)變流器在電流模型控制下運(yùn)行，這種情況下對(duì)電網(wǎng)的回饋電流是低諧波正弦電流。在V2H模式下，變流器在電壓模型控制下運(yùn)行，與負(fù)載相接，提供正弦電壓。針對(duì)不協(xié)調(diào)的電動(dòng)汽車(chē)充電，SORTOMME E等人對(duì)協(xié)調(diào)充電理論進(jìn)行了研究[21]，確定了充電過(guò)程中的支路損耗、負(fù)載因數(shù)和負(fù)載變化的關(guān)系，提出了三種優(yōu)化算法：損耗最小化算法、負(fù)載因數(shù)最大化算法和負(fù)載變化最小化算法。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)合三種算法，充電過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)配電網(wǎng)的影響得到了最小化。

3 快速充電發(fā)展展望

3.1 快速充電方法的發(fā)展趨勢(shì)

快速脈沖充電的理論基礎(chǔ)來(lái)自馬斯三定律關(guān)于電池放電史對(duì)電池可接受充電電流的影響，但定律并未給出具體的量值關(guān)系。脈沖的周期與幅值，負(fù)脈沖的周期與幅值的確定于優(yōu)化方案將會(huì)是脈沖充電今后的發(fā)展主要方向。恒流恒壓充電方法的發(fā)展將會(huì)主要針對(duì)充電參數(shù)的關(guān)系、參數(shù)的確定算法以及變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方向。綜合快速充電的發(fā)展將會(huì)針對(duì)充電過(guò)程中的電路設(shè)計(jì)、控制算法和充電參數(shù)等的優(yōu)化，綜合不同的充電方法實(shí)現(xiàn)快速安全充電。

3.2 快速充電與電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

目前的研究已經(jīng)明確的提出電動(dòng)汽車(chē)的快速充電會(huì)對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷帶來(lái)嚴(yán)重的沖擊，并且由于充電機(jī)中的電力電子器件會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)諧波污染。隨著電動(dòng)汽車(chē)普及，快速充電接入電網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)將會(huì)增多從而方便根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)去分析電網(wǎng)的具體影響，而評(píng)估影響程度的具體方法也將是研究的主要方向之一。另外，電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)將會(huì)是電動(dòng)汽車(chē)能高程度普及的關(guān)鍵研究方向。

4 結(jié) 論

本文介紹了快速充電模式的脈沖充電法、恒流恒壓充電法以及綜合快速充電法，分析了快速充電模式對(duì)電網(wǎng)的影響以及目前的解決方案，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)快速充電的發(fā)展趨勢(shì)做了總結(jié)?？焖俪潆姺椒ǖ陌l(fā)展將趨于更加快速、高效、安全，快速充電與電網(wǎng)之間的關(guān)系趨于逐漸完善，并找到更加適合的優(yōu)化方案。

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Abstract： With the development of electric vehicle charge technology， the charge efficiency demand is increased. The charge strategy mainly focuses on less charge period， high charge efficiency， and little impact of the grid. Fast charge mode has been the main charge mode of electric vehicle charge strategy. This paper induces the pulse charge method， constant current and constant voltage method， and integrated charge method. The impact of fast charge on the grid and the optimization method are analyzed. The development trend of fast charge is summarized.

Key words： fast charge； grid； electric vehicle； optimization

（責(zé)任編輯：徐興華）