深度 谈谈电动汽车的充电方方法

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2016年11月21日凌晨3点17分，位于北海道札幌市东区的一栋2层木造住宅因插电式混合动力车（PHEV）起火而被全部烧毁。其中一位家人发现火情后报警，但仍未能阻止住熊熊的大火。5名家庭成员全部成功逃出并无伤亡。当时PHEV正在充电，与车库的插座处于连接状态。起火的是三菱汽车2013年1月24日上市的“欧蓝德PHEV”。据推测，该车配备的可能是总电压为300V、总功率为12kWh的锂二次电池。

欧蓝德PHEV

这不是第1起因充电相关的问题所引发的起火事件，2015年国内某充电站就曾发生过电动大巴因过充而引发的安全事故。《百人会安全报告全文》曾统计的49例安全事故中，充电所导致的就占了7起，位列致因因素第2位。

因此，充电技术对电动汽车的安全运行重要度不言而喻，这里就和大家分享下电动汽车充电技术概述。

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。

2015年12月28日，、国家标准委联合国家能源局、工信部、科技部等部门在京召开新闻发布会，发布新修订的：

《电动汽车传导充电系统 第1部分：一般要求》

《电动汽车传导充电用连接装置 第1部分： 通用要求》

《电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口》

《电动汽车传导充电用连接装置 第3部分： 直流充电接口》

《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》

等5项电动汽车充电接口及通信协议国家标准，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。

传导式充电包括三类：（1）交流充电；（2）直流充电；（3）换电充电。

交流充电：

交流充电是单向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，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。

新国标为了提高电动汽车充电设施的安全性与兼容性，对交流充电部分要求：

（1）禁止采用存在安全隐患的直通电缆+普通家用插头的连接方式。

（2）大于16A的充电方式，要求在车辆插座和供电插座安装电子锁和温度传感器。

（3）大于32A的三相交流充电不允许采用活动电缆充电。

（4）未安装充电工作信号开关S2的车辆限制其充电电流不能超过8A。

（5）在车辆插头连接器内增设并联电阻，有效判断插头插座半联接状态。

交流充电接口的额定值：

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。

对于直流充电，国标要求：

（1）在直流充电枪内要求安装电子锁，同时预留车辆插座加装电子锁的机械结构。

（2）要求车辆和设施必须具备检测和告警功能。

（3）为了防止漏电事故，规定充电机和车辆必须具备绝缘检测和电能泄放功能。

直流充电接口的额定值

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。

表1传导式充电对比分析

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，其优点如下：

目前，无线充电的主要的实现方式分为四种： （1）电场耦合式；（2）电磁感应式；（3）磁场共振式；（4）无线电波式。

电磁感应式

初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。使用时要求两个设备的距离必须很近，供电距离控制在0mm～10cm左右，而且充电只能对准线圈一对一进行。电磁感应式无线充电的能量转换率高，传输功率范围较大，能从几瓦到几千瓦。

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。

电磁感应式无线充电原理

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。

电磁共振式

原理与声波共振类似，只要两个介质具有相同的共振频率，就能够传递能量。这种方式的充电距离在电磁感应式与无线电波式之间，优点是传输功率较大，能够达到几千瓦，可以同时对多个设备进行充电，不要求两个设备之间线圈对应；缺点就是损耗很高，距离越远，传输功率越大，损耗也就越大，最麻烦的是必须对使用的频段进行保护。

共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。

电磁共振式无线充电系统原理

电动汽车采用电磁感应式或共振式其构型基本一致，都是将充电电缆和反射线圈埋设在停车位组成供电机构，当车辆驶入停车位，安装在车辆底部的接收线圈与发射线圈重合，车辆与充电服务器建立通讯开始充电，发射线圈产生交变磁场，接收线圈产生电流通过逆变器将电能传递到电池。如下图所示：

电场耦合方式和无线电波

这种方式的传输功率较小，目前还没有在电动汽车上应用。

目前，无线充电尚没有达到成熟的商业化阶段，但车企在此的发力一直没间断，下表为国内外主要车企无线充电的技术方向。

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。