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        電動汽車大功率充電技術(shù)研究與應(yīng)用

        2020-05-07 06:36:40張海艷呂志偉左延婷李大治郭艷秀胡澤明ZhangHaiyanZhiweiZuoYantingLiDazhiGuoYanxiuHuZeming
        北京汽車 2020年1期
        關(guān)鍵詞:高壓線液冷大功率

        張海艷,呂志偉,左延婷,李大治,郭艷秀,胡澤明 Zhang Haiyan,Lü Zhiwei,ZuoYanting,Li Dazhi,Guo Yanxiu,Hu Zeming

        電動汽車大功率充電技術(shù)研究與應(yīng)用

        張海艷,呂志偉,左延婷,李大治,郭艷秀,胡澤明 Zhang Haiyan,Lü Zhiwei,ZuoYanting,Li Dazhi,Guo Yanxiu,Hu Zeming

        (北京新能源汽車股份有限公司,北京 100176)

        分析國內(nèi)外大功率充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,開展大功率充電項(xiàng)目,對大功率充電進(jìn)行仿真分析,并在整車上進(jìn)行實(shí)際設(shè)計、驗(yàn)證和分析,實(shí)現(xiàn)了高于170 kW充電功率的充電目標(biāo),推動了國內(nèi)大功率充電技術(shù)的發(fā)展,為后續(xù)大功率充電技術(shù)在量產(chǎn)車型上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

        電動汽車;大功率充電;高電壓;大電流

        0 引 言

        隨著電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展及電動汽車日益普及,各類電動汽車車型如電動轎車、電動客車、電動物流車、電動叉車等開始取代傳統(tǒng)燃油車出現(xiàn)在各個應(yīng)用場所中[1]。電動汽車的續(xù)航里程不斷提高,目前很多車型可達(dá)到500 km以上。續(xù)航里程的提高,會伴隨著電動汽車充電所需要時間變長。充電便利性、高效性依然是用戶對于電動汽車的關(guān)注點(diǎn),也是電動汽車發(fā)展最重要的制約因素。因此,發(fā)展大功率充電是電動汽車行業(yè)的共同目標(biāo)。

        國際上,歐、美、日本等國家和地區(qū)的大功率充電路線圖見表1。目前,特斯拉第二代充電技術(shù)的最大功率為120 kW,特斯拉第三代充電技術(shù)的最大充電功率能達(dá)到250 kW。奧迪e-tron95 kWh電池的充電電流可達(dá)350 A,0~80%SOC(State of Charge,荷電狀態(tài))耗時約30min。

        表1 歐、美、日大功率充電路線圖

        在國內(nèi),GB/T 18487.1—2015《電動汽車充電傳導(dǎo)系統(tǒng)第一部分:通用要求》中給出供電設(shè)備輸出電壓分為200~500 V、350~700 V、500~950 V共3擋,見表2[2]。中汽研和中電聯(lián)已牽頭成立大功率充電小組,計劃修訂高壓大功率充電技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)。

        表2 不同電壓平臺充電性能

        1 大功率充電技術(shù)及相關(guān)要求

        電動汽車充電所涉及部件主要有:充電樁、高壓線束、冷卻系統(tǒng)、動力電池等。所有涉及部件均需滿足大功率充電的要求,才可以在整車進(jìn)行搭載。

        1.1 大功率充電技術(shù)

        電動汽車充電有2種形式:交流充電和直流充電。大功率充電屬于較大功率的直流充電,行業(yè)對其沒有明確規(guī)定,屬于較寬泛的行業(yè)術(shù)語,理解為125 kW以上的充電功率為大功率。實(shí)現(xiàn)大功率充電主要有3種途徑:一是電流維持在當(dāng)前市場通用水平,提升電壓;二是電壓維持在當(dāng)前市場主流電壓水平,提升電流;三是同時適當(dāng)?shù)靥嵘妷汉碗娏?。在選擇大功率充電實(shí)現(xiàn)途徑時,需綜合考慮市場及主機(jī)廠資源等因素。

        1.2 充電樁現(xiàn)狀

        截止到2019年2月,中國電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟總共上報直流充電樁15.9萬[3]。根據(jù)全國最大公共充電運(yùn)營商特來電的統(tǒng)計數(shù)據(jù),40~60 kW充電功率是目前乘用車需求最多的充電功率。2017年之后,國家所建充電堆大多為一拖三和一拖六比例,單樁充電功率均能達(dá)到 150 kW。

        據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),特來電700 V以上充電樁在公共站的比例為75%,此類充電樁的比例在逐步增加,充電樁和充電槍輸出最大電流為250 A。如通過提高電壓的形式實(shí)現(xiàn)大功率充電,700 V電壓平臺和250A充電電流為制約因素。若超出市場充電樁現(xiàn)有范圍,則整車需要配備升壓模塊,才能保證用戶的充電資源。

        國家電網(wǎng)、許繼電氣、特來電、萬馬股份等設(shè)備供應(yīng)商都在積極開發(fā)智能充電系統(tǒng),主流功率為150~500 kW不等[4]。目前,對于高性能車,在資源成本允許的條件下,整車廠可采用與設(shè)備供應(yīng)商合作,以自建樁的形式滿足用戶大功率充電需求。

        1.3 整車要求

        目前市場上乘用車充電電壓大都在550 V以內(nèi),所應(yīng)用的所有整車高壓系統(tǒng)部件都在此電壓平臺下開發(fā)、測試和生產(chǎn)。若提高整車的電壓平臺到700 V甚至更高,電機(jī)、電機(jī)控制器、功率器件、高壓配電盒、高壓線束、高壓接插件等高壓部件可能需要重新開發(fā)。電壓平臺提高對整車、高壓系統(tǒng)及高壓部件的電安全(絕緣電阻、絕緣檢測系統(tǒng)、耐壓、冷卻等)也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

        大功率充電對于動力電池系統(tǒng)的技術(shù)要求主要有4個方面:電芯的設(shè)計選型、電連接設(shè)計、熱管理以及能量管理。大功率充電的首要要求是電池電芯的充電倍率,開發(fā)允許大倍率充電的電芯才能進(jìn)行后續(xù)配件的匹配開發(fā);電芯的電連接(busbar)、模組間連接、高壓線纜等均需要滿足整車所需高電壓、大電流的要求;針對動力電池較大的散熱量需采用高效的冷卻方案,實(shí)現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)及時、合理的降溫,保證安全和工作效率;電池能量管理系統(tǒng)需要優(yōu)化升級現(xiàn)有的快充充電策略、溫度控制策略、快充保護(hù)策略等[5]。

        2 大功率充電仿真模型

        2.1 大功率充電時間主模型

        大功率充電時間的分析模型,包括電流計算模塊、溫升計算模塊、SOC計算模塊、電量計算模塊以及充電樁輸出電量計算模塊等,可以對不同溫度、SOC等初始條件的充電過程進(jìn)行分析,如圖1所示。

        圖1 大功率充電時間主模型

        2.2 電池SOC計算模塊

        SOC計算模塊包括OCV(Open-Circuit Voltage Method,開路電壓法)和安時積分法,可以選擇其中任何一種方法進(jìn)行計算,增加SOC計算的可靠性。采用OCV法,在電池電流為零的情況下,通過測量動力電池開路電壓來估算電池的SOC;安時積分法是通過對充電過程中的電路進(jìn)行積分,對比不同溫度、電壓狀態(tài)下的可用電量,計算實(shí)時的SOC,電池SOC計算模塊如圖2所示。

        圖2 電池SOC計算模塊[1]

        2.3 電池溫度計算模塊

        充電過程中,電池包溫升與環(huán)境溫度、電池包初始溫度、電池包加熱冷卻速率及充電過程中的自發(fā)熱溫升等因素相關(guān)。大功率快充過程中的電池包自發(fā)熱溫升較大,當(dāng)溫度達(dá)到一定限值時需開啟液冷系統(tǒng),防止電池包溫度過高。電池溫度計算模塊如圖3所示。

        圖3 電池溫度計算模塊

        3 大功率充電系統(tǒng)設(shè)計

        3.1 電池方案

        前面利用大功率充電時間模塊進(jìn)行了仿真分析,總結(jié)出對于動力電池系統(tǒng)的要求,見表3。在電芯、模組、電箱、線束、BMS(Battery Management System,動力電池管理系統(tǒng))、機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱管理等方面均進(jìn)行了充分的驗(yàn)證,滿足國標(biāo)和企標(biāo)要求。電池包方案如圖4所示。

        圖4 電池包方案

        表3 電池包主要參數(shù)

        3.2 冷卻系統(tǒng)方案

        考慮到大功率充電,電池和高壓線束較大的發(fā)熱量,采用液冷系統(tǒng)對其進(jìn)行冷卻。液冷系統(tǒng)主要涉及到的部件有:冷凝器、散熱器、電子扇、電子水泵、電動壓縮機(jī)、熱交換器、冷卻水道、溫度傳感器、高壓線束等。液冷系統(tǒng)方案如圖5所示。高壓線束的熱量通過電子水泵,由電子扇和散熱器傳到環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)對高壓線束的冷卻。電池系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量由電子水泵,經(jīng)過熱交換器傳到外部冷卻系統(tǒng),外部冷卻系統(tǒng)通過冷凝器和電動壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)液體降溫。

        圖5 電池包及高壓線束液冷方案

        4 大功率充電實(shí)車驗(yàn)證及分析

        大功率充電樣車在經(jīng)過充分試驗(yàn)驗(yàn)證之后,在大功率充電樁進(jìn)行充電試驗(yàn),采集整車報文數(shù)據(jù),截取其中一段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖6~圖8所示。

        圖6 動力電池電壓

        圖7 動力電池充電電流

        圖8 動力電池充電功率

        在200 s充電時間內(nèi),動力電池電壓由566 V上升至605 V,電壓呈現(xiàn)階段上升的趨勢,在125 s后上升開始平緩。

        在200 s充電時間內(nèi),動力電池充電電流逐漸上升到280 A,在125 s之后趨于穩(wěn)定。

        在200 s充電時間內(nèi),動力電池充電功率逐漸上升到170 kW,在125 s之后趨于穩(wěn)定。

        5 結(jié) 論

        對大功率充電進(jìn)行大量仿真分析,以此為前提進(jìn)行電氣系統(tǒng)、動力電池方案、動力電池液冷方案、充電線束液冷方案等的設(shè)計、驗(yàn)證,裝配試驗(yàn)樣車,并進(jìn)行實(shí)際充電驗(yàn)證,達(dá)到了170 kW充電功率的充電目標(biāo),推動了國內(nèi)大功率充電技術(shù)的發(fā)展,為后續(xù)大功率充電技術(shù)在量產(chǎn)車型的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

        [1]鄭天驕. 我國電動汽車產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展策略研究[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2016(17):137-139.

        [2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 電動汽車充電傳導(dǎo)系統(tǒng)第一部分:通用要求:GB/T 18487.1—2015 [S]. 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

        [3]中商產(chǎn)業(yè)研究院. 2019年2月電動汽車充電樁市場分析[N/OL]. 中國電力網(wǎng). 2019-03-22[2019-04-15].://www.chinapower. com.cn/informa tionhyfx/20190322/1270477.html.

        [4]申萬宏源. 全球電動化充電設(shè)備公司市場大[N/OL]. 證券導(dǎo)報數(shù)字報. 2018-12-13[2019-04-15]. http://zqdb.hinews.cn/html/2018-12/13/ content_4_2.htm.[2]

        [5]王芳,夏軍. 電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計與制造技術(shù)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2017.

        U469.72+2

        A

        10.14175/j.issn.1002-4581.2020.01.009

        1002-4581(2020)01-0031-04

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