電動汽車交流充電效率提升優(yōu)化策略研究

劉慶榮，潘云

電動汽車交流充電效率提升優(yōu)化策略研究

劉慶榮，潘云

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

文章通過研究電動汽車的常溫（25 ℃±5 ℃）交流充電能量流，對交流充電過程的能量損耗進行分解。借助功率分析儀等外部輔助設(shè)備，通過實驗獲得常溫交流充電過程中各高壓部件能量損耗。并根據(jù)測試結(jié)果、高壓零部件特性及低壓能量管理方面提出優(yōu)化方案，提出改進常溫交流充電控制策略。再采用實驗驗證優(yōu)化策略的有效性，實現(xiàn)了常溫交流充電效率的提升，這對于降低車輛電耗有較大幫助。

電動汽車；常溫；交流充電；充電效率；提升優(yōu)化

前言

近年來電動汽車行業(yè)發(fā)展迅速，經(jīng)濟性作為電動汽車的重要評價指標之一，不僅影響著車輛補貼金額，還影響用戶對車的評價。用戶對電動汽車經(jīng)濟性指標最直觀的感受就是體現(xiàn)在整車電耗上。為降低整車電耗，需要從充電及放電兩個部分分別去分解分析，本文僅針對分解分析充電部分。國家能耗測試要求電動汽車充電采用車載充電器或車廠推薦的外部充電器[1]。

由于車載充電器及推薦的外部充電器都是交流充電設(shè)備。因此，本文分析了電動汽車常溫交流充電效率的影響因素，基于實驗數(shù)據(jù)、高壓零部件特性及低壓能量管理要求，提出提升常溫交流充電效率的充電控制系統(tǒng)方案。并通過實驗驗證了優(yōu)化方案的有效性，實驗結(jié)果表明該優(yōu)化方案可以高效的提升電動汽車常溫交流充電效率。

1 交流充電能量流分解模型建立

1.1 電動汽車交流充電系統(tǒng)架構(gòu)

電動汽車交流充電功能的實現(xiàn)需要在整車上高壓電后進行，車內(nèi)高壓零部件及其控制器如下表1所示。

表1 電動汽車高壓零部件

名稱控制器 車載充電機OBC 動力電池BMS DC/DC變換器DCDC 驅(qū)動電機DCU 車載空調(diào)系統(tǒng)HVAC 高壓電池加熱器HVH

交流充電功能的實現(xiàn)除了上述控制器的參與外，還需整車控制器（VCU）來參與控制實現(xiàn)交流充電系統(tǒng)方案。

在交流充電過程中，整車高壓架構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 交流充電高壓架構(gòu)示意圖

1.2 交流充電能量流分解模型建立

根據(jù)圖1的交流充電高壓架構(gòu)示意圖，電動汽車交流充電過程中電能從交流充電樁輸出后，再通過車載充電機將交流電轉(zhuǎn)換成高壓直流電輸出給高壓負載及動力電池[2]。其中交流充電效率計算公式為：

式中：E為交流充電樁輸出電量，E為動力電池輸入電量。

根據(jù)圖1，交流充電過程中充電能量損耗由表2列出：

表2 交流充電能量損耗

車載充電機高壓線束DC/DC變換器車載空調(diào)系統(tǒng)電池加熱器驅(qū)動電機 EOBCELineEDCDCEHVACEHVHEDCU

其中，常溫交流充電時，理論上空調(diào)、電池加熱器都不會啟動去為動力電池進行冷卻或加熱。同時由于安全要求，電動汽車在交流充電過程中驅(qū)動電機應(yīng)禁止工作，故DCU不存在耗電的情況。而車載充電機能量損耗主要由交直流能量轉(zhuǎn)換效率決定，DC/DC變換器損耗則是因為低壓負載及交流充電功能相關(guān)低壓控制器工作導(dǎo)致的，高壓線束損耗主要是由線束長度及材料決定的。計算車載充電機的交直流能量轉(zhuǎn)換效率時應(yīng)分別測量車載充電機的輸入和輸出能量，分別用E及E表示，則OBC的交直流能量轉(zhuǎn)換效率計算公式如下：

2 交流充電能量損耗實驗

2.1 實驗方案

根據(jù)式（1），交流充電效率應(yīng)測量E及E。為更好地提升交流充電效率，應(yīng)同時測量OBC、高壓線束、DC/DC變換器、車載空調(diào)系統(tǒng)、電池加熱器及驅(qū)動電機在交流充電過程中的耗電。

本文實驗所用到的車型，其交流充電功能實現(xiàn)存在模式2連接方式B、模式3連接方式B、模式3連接方式C三種交流充電組合[3]。模式2對應(yīng)的充電功率約為3 kW，模式3對應(yīng)的充電功率約為7 kW。

為更好地分析及優(yōu)化交流充電效率，首先通過實驗分別獲得在模式2及模式3的交流充電方式下車載充電機的交直流轉(zhuǎn)換效率。

然后將車載充電機交直流轉(zhuǎn)換效率更高的測試結(jié)果作為參考組。優(yōu)化交流充電方案后，采用相同的實驗方案進行實驗，優(yōu)化后的驗證結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果進行對比，對交流充電優(yōu)化方案進行評估。

2.2 實驗設(shè)備

電量的采集通過功率分析儀及電流傳感器。交流充電工裝作為交流充電的轉(zhuǎn)接設(shè)備，便于連接交流電流傳感器及采集充電樁輸出電壓、電流信息。

功率分析儀采用WT1800系列，該設(shè)備在中國標準交流電網(wǎng)的電壓測試精度為±（讀數(shù)的0.03%+量程的0.05%），即220 V標準電壓，選擇300 V量程時，電壓誤差為±0.216 V。

圖2 WT1800系列功率分析儀

電流傳感器采用日置CT6844-05，該傳感器測試中國標準交流電網(wǎng)電流精度為±（0.3%讀數(shù)+0.01%量程），即模式2交流側(cè)電流誤差為±0.089 A，模式3交流側(cè)電流誤差為±0.146 A。直流電電流精度為±（0.3%讀數(shù)+0.02%量程），考慮電池電壓影響，模式2對應(yīng)電流誤差為±0.12 A左右，模式3對應(yīng)電流誤差為±0.15 A左右。

因此，實驗設(shè)備精度導(dǎo)致的誤差功率約為30 W，考慮誤差的正負偏差后該誤差功率會更低。相比模式2及模式3交流充電總功率，測量誤差率都低于百分之一，故測量誤差可忽略不計。

2.3 優(yōu)化前實驗結(jié)果及分析

采用模式2和模式3充電，測量點的能量結(jié)果如表3：

表3 模式2交流充電測量點能量（優(yōu)化前）

測量點能量/kWh ECharger149.961 4 EOBCin149.672 9 EOBCout146.484 EDCDC11.910 8 EDCU11.633 5 EHVAC10.113 EHVH10.07 EBattery142.759

表4 模式3交流充電測量點能量（優(yōu)化前）

測量點能量/kWh ECharger250.69 EOBCin250.186 EOBCout245.651 EDCDC21.397 EDCU20.763 2 EHVAC20.052 EHVH20.03 EBattery243.42

根據(jù)公式（2），模式2優(yōu)化前OBC的交直流轉(zhuǎn)換效率為：

模式3優(yōu)化前OBC的交直流轉(zhuǎn)換效率為：

根據(jù)公式（1），模式2及模式3優(yōu)化前交流充電效率分別為：

根據(jù)章節(jié)1.2的分析，常溫交流充電過程中，理論上車載空調(diào)系統(tǒng)、電池加熱器及電驅(qū)都不應(yīng)存在能量損耗。其中車載空調(diào)系統(tǒng)及電池加熱器損耗較小，可認為高壓零部件在高壓電氣回路接通時存在被動灌入的能量損耗。驅(qū)動電機由于工作模式原因，其在高壓狀態(tài)時即開管工作，導(dǎo)致?lián)p耗較大。

對比兩種模式的充電效率及交直流轉(zhuǎn)換效率發(fā)現(xiàn)，充電效率基本一致，但交直流轉(zhuǎn)換效率存在較大差異。模式2相對模式3充電功率小，充電時間長，導(dǎo)致低壓耗電及高壓被動灌入損耗更多。同時，車載充電機在以更大功率工作時其磁損、開關(guān)損耗更大。

兩種充電模式下，DC/DC變換器的平均功率在100 W～200 W范圍內(nèi)，該功率區(qū)間DC/DC變換器效率偏低。同時，分析交流充電相關(guān)部件低壓功耗，發(fā)現(xiàn)低壓耗電功率偏高，說明有非充電相關(guān)低壓部件在交流充電時長期處于耗電狀態(tài)。

2.4 交流充電效率優(yōu)化方案

改善交流充電能量損耗可將改善方向分為硬件改善和軟件改善。本文所用車型由于已量產(chǎn)，因此本次優(yōu)化僅考慮通過優(yōu)化交流充電控制策略實現(xiàn)充電效率的提升。

優(yōu)化點如下：

（1）交流充電過程驅(qū)動電機工作模式優(yōu)化。

（2）交流充電低壓能量管理方案優(yōu)化，即非充電相關(guān)節(jié)點休眠。

（3）交流充電過程中DC/DC變換器工作控制流程優(yōu)化，使其可以工作于高效率區(qū)間。圖3為某車型DCDC效率曲線。圖4為優(yōu)化后的交流充電過程中DC/DC變換器控制簡化流程圖。

圖3 DCDC效率曲線

圖4 交流充電過程DCDC控制簡化流程

2.5 優(yōu)化后實驗結(jié)果

為驗證交流充電效率優(yōu)化方案的有效性，根據(jù)章節(jié)2.1中的要求及2.3的優(yōu)化前實驗結(jié)果，優(yōu)化對比實驗采用模式2進行充電。表5為優(yōu)化后的模式2交流充電測量點能量測試結(jié)果統(tǒng)計。

表5 模式2交流充電測量點能量（優(yōu)化前）

測量點能量/kwh ECharger346.232 EOBCin345.966 4 EOBCout343.259 5 EDCDC30.984 8 EDCU30.125 7 EHVAC30.035 EHVH30.02 EBattery342.112 9

優(yōu)化后交流充電效率為：

從結(jié)果看出，優(yōu)化后常溫交流充電效率相比優(yōu)化前提升了6.4%。因此，在未改變車輛硬件的前提下，通過優(yōu)化交流充電控制策略，可以有效地提升交流充電效率。

3 結(jié)論與展望

為提升常溫交流充電效率，本文首先通過實驗分析了影響常溫交流充電效率的因素，然后提出了一種優(yōu)化交流充電控制策略的方案。為驗證該優(yōu)化方案的有效性，通過選取OBC交直流轉(zhuǎn)換效率較高的模式2交流充電方式，驗證了優(yōu)化方案的有效性。該優(yōu)化策略有助于降低車輛百公里電耗，為用戶節(jié)省充電費用及充電時間。

本論文僅從優(yōu)化交流充電控制策略的角度去實現(xiàn)常溫交流充電效率的提升。對于受硬件影響的線損、OBC交直流轉(zhuǎn)換效率及高壓部件被動灌入損耗未進行徹底優(yōu)化。后續(xù)在車型前期設(shè)計時考慮硬件帶來的損耗，通過優(yōu)化硬件進一步提升常溫交流充電效率。

本文提到的優(yōu)化交流充電控制策略，相比優(yōu)化前，交流充電效率提升了6.4%，可應(yīng)用于實際的交流充電控制過程。

[1] 全國汽車標準化技術(shù)委員會.電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法:GB/T18386—2017[S].北京:中國標準出版社,2017.

[2] 陽斌,趙久志,吳睿龍,等.電動汽車交流充電效率影響要素分析[J].汽車實用技術(shù),2017(13):164-165.

[3] 中國國家標準化管理委員會.電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分:通用要求:GB/T18487.1—2015[S].北京:中國標準出版社,2015.

Study on AC Charging Efficiency Optimization for Electric Vehicle

LIU Qingrong, PAN Yun

( GAC Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434 )

This article decomposes the energy loss during the AC charging process by studying the AC charging energy flow of electric vehicles at room temperature (25℃±5℃). With the help of external auxiliary equipment such as a power analyzer, the energy loss of each high-voltage component during the normal temperature AC charging process is obtained through experiments. And based on the test results, the characteristics of high-voltage components and low-voltage energy management, an optimization plan is proposed, and an improved normal temperature AC charging control strategy is proposed. Experiments are used to verify the effectiveness of the optimization strategy, and the efficiency of AC charging at room temperature is improved, which is of great help in reducing the power consumption of the vehicle.

Electric vehicle; Normal temperature; AC charging; Charging efficiency; Improve optimization

U469.72

A

1671-7988(2021)20-15-04

U469.72

A

1671-7988(2021)20-15-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.004

劉慶榮（1994—），男，碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院，研究方向為新能源汽車充放電策略方案。