聚焦电动汽车的充电技术及解决方案

1、聚焦电动汽车的充电技术及解决方案绿色革命的一个重要体现是绿色交通， 电动汽车应运而生，其市场需求量也 呈现出愈来愈大的趋势。电动汽车早已成为世界车展上的一个焦点，其替代传统 能源驱动技术无疑是未来行业发展的重点。 对于一台电动汽车，蓄电池是其动力 所在，充电是其不可缺少的行为。电动汽车充电时间长，充电难是电动汽车推广 使用的一个难题。为适应当今社会快速发展的步伐，充电技术及解决方案成为电 动汽车行业关注的焦点。11大规模发展电动汽车必须先突破充电瓶颈我国的能源资源分布特点是煤多气少油贫 ，石油资源严重依赖进口 ，如果不 加控制到20302030年中国需进口石油可能达到8.58.5亿t t ,

2、,相当于目前全球出口总量的 50%50%将给我国的能源安全埋下严重的隐患。交通是耗油大户,根据预测20302030年交通工具的用油将占总耗油量的 55%55%以上，因此车辆用能结构的变革势在必行。 随着化石能源的日益枯竭以及二氧化碳等温室气体排放带来的气候变暖的加剧，节能减排已经成为全球的共识，我国“十二五” 规划要求单位GDPGDP的能耗要降 低20%,20%,污染排放要降低10%10%。随着我国社会和经济的发展,家用汽车将不断普 及，汽车的能耗和排放将不断增加，因此研制和推广清洁高效的汽车动力同样势 在必行。电动汽车可以不依赖石油资源，能源效率是传统燃油汽车的1.51.52.02.0倍,

3、, 和燃油汽车相比在全寿命周期可以减排20%20%的二氧化碳，因此被认为是目前最有发展潜力的交通工具。我国已经把发展电动汽车列入“十二五”规划，准备在今后的几年内大规模发展电动汽车。作为新能源汽车三大发展方向之一， 电动汽车比氢能源汽车离商用更近。 通用汽车最新的增程型电动车雪佛兰 VoltVolt昨起在美接受预订，这种售价只有4.14.1万 美元的全球电气化先锋车型，完全消除了以往电池电动车行驶里程有限的束缚。 车主用标准家用120120伏电源为VoltVolt充电8 8小时，最远就能走500500公里；当行驶 里程小于6060公里时，VoltVolt则只需一个车载的1616千瓦时锂离子电池

4、，并实现“零 油耗、零排放”。由于担心在路途中出现电力不足而“抛锚”，目前很多消费者对购买电动汽 车的积极性不高。要想让电动汽车对大众真正形成吸引力并在全球范围内得到普 及，除了让消费者买得起外，在使用时也要保证它比现有的用油汽车更加方便。汽车电池价格昂贵、充电时间过长、充满电后行驶里程有限这些都是新能源 汽车发展道路上迫切需要拆除的“路障”。高效绿色的电动汽车渐行渐近，但占 其成本7 7成的电池价格过高仍在影响着消费热情。 对此，一种新模式即鼓励电池 租赁。电池租赁可降低新能源汽车的使用门槛， 让车辆售价大幅度下降，还能让 消费者避开电池使用寿命短和后期维护等问题。 如果车用锂电池可以充10

5、001000次, 通常每次充电1010度可以跑100100公里，充10001000次就可跑1010万公里，在上海用电 低谷时的充电成本仅需30003000元；而排量6 67 7升的汽油机汽车，跑1010万公里的 油耗成本现为4 4万元。所以，考虑到国家支持的数万元的新能源汽车购买补贴， 再加上电池租赁或分期付款，电动汽车的性价比将远远高于传统内燃机汽车。新 能源车有望进入寻常百姓家，但如果大家同时充电会不会让电网 “吃不消” ？据 透露，按照发展规划，20152015年中国电动汽车将达到上百万辆。为解决充电等配 套问题，到今年底国家电网将在 2727个省市建7575座充电站和60006000多

6、个充电桩； 20112011年到20162016年，将建立400400座电动汽车充电站，初步形成电动汽车充电网络； 20162016年至20202020年，中国将建立1 1万座电动汽车充电站，全面开展充电桩配套建 设，建成完整的电动汽车充电网络。未来电动汽车并非只会“喝奶”，还能通过智能协调“反哺”后者。电动汽车会变成一个个移动的储电站，用电低谷时从电 网上“吃饱”电，用电高峰时向电网“吐出”电，电动车阵能给城市电网“削峰 填谷”。在更远的将来，甚至还会出现无线充电的电动汽车，就像手机的蓝牙技 术一样，充电也无需插头插座，在开车途中就一步到位。22电动汽车充电的技术要求和解决方案随着电动汽车的

7、逐步推广和产业化以及电动汽车技术的日益发展，电动汽车对充电站的技术要求体现了一致的趋势， 要求充电站尽可能向以下目标靠近。 相 比发展前景良好的镍氢和锂离子动力蓄电池而言， 传统铅酸类蓄电池以其技术成 熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好和无记忆效应等优点，但同样存 在着比能量低、一次充电续驶里程短的问题。因此，在目前动力电池不能直接提 供更多续驶里程的情况下，如果能够实现电池充电快速化，从某种意义上也就解 决了电动汽车续驶里程短这个致命弱点。在多种类型蓄电池、多种电压等级共存的市场背景下，用于公共场所的充电 装置必须具有适应多种类型蓄电池系统和适应各种电压等级的能力，即充电系统需要具有

8、充电广泛性，具备多种类型蓄电池的充电控制算法， 可和各类电动汽车 上的不同蓄电池系统实现充电特性匹配，能够针对不同的电池进行充电。因此， 在电动汽车商业化的早期，就应该制定相关政策措施，规范公共场所用充电装置 和电动汽车的充电接口、充电规范和接口协议等。电动汽车充电的载体是动力电池，在充电过程中，通过电化学反应把电能转 化为化学能，缩短动力电池的充电时间和增加动力电池的充电容量是充电的关键 技术。目前主要的电动汽车动力电池由铅酸电池、氢镍电池、锂离子电池三分天下。动力电池的性能由其物理结构决定， 并决定着充电技术的选取。铅酸电池受 环境的影响较大，温度等因素会对电池的 SOCSOC值影响较大，

9、在变电流放电的情 况下，脉冲分阶段恒流快速充电能够很好的适应铅酸电池的充电特点。氢镍电池在高温充电时，副反应氧析出反应会加速，使得电池内压升高，容易发生爆炸， 可以通过调整配方工艺加以改善， 提高高温下充电效率和安全性，其充电技术主 要采取恒电流充电方式。锂离子电池目前是运用最多的动力电池， 其性能和正极 材料密切相关，锂钻氧化物和锂锰氧化物适宜锂离子的脱嵌，成本低廉、无污染以及耐过充性和热安全性更好，对充电过程中的保护要求相对较低， 适宜作为正 极材料。动力电池的性能和寿命不仅和自身的参数有关， 充电方式、充电结束电 压、充放电电流等充电过程中的因素也会对其造成一定的影响，需要根据各种因素对

10、动力电池的充电技术进行选取。超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件， 它既具有电容器可以快速 充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理，凭借其容量大、功率密度大、使 用寿命长、安全性强和对环境没有污染等特性，成为了电动汽车动力开发的重要 方向之一。其在启动、加速和上坡行驶作业时可提供瞬时大功率， 并在汽车制动 时回收能源加以利用，最重要的是超级电容器可以实现快速充电， 对电动汽车实 现续航具有重大意义。目前电动汽车充电方式有三种，即更换电池、快速充电、 无线充电。更换电池实质是将新能源汽车动力电池环节市场化运营，有利于降低电动车的售价及减短充电时间，但是行业专业化高。快速充电是以较大电流在

11、短 时间内为电动汽车提供快速充电服务。 增大充电电流，可以使电池极板上单位时 间内恢复的活性物质增多，但是会减短电池的使用寿命。“无线充电”策略摆脱了线的束缚，其最流行的解决方案包括电磁感应和磁共振。电池管理系统和电动汽车的动力电池紧密结合在一起， 对电池的电压、电流、 温度等参数进行时刻检测，同时还进行着多种智能管理：漏电检测、热管理、电 池均衡管理、报警提醒其中最重要的是它在电动汽车充电过程中发挥着保护 电路和调节最优充电的作用。在充电过程中，电池可接受的充电电流是有限的， 且会随着充电时间呈指数规律下降，甚至会出现过充电现象，对电池造成损伤。 电池管理系统可以时刻检测电池的各项参数， 并

12、根据参数自动调节充电电流的大 小，提高电池的充电效率，保证了汽车系统的安全。33电动汽车的充电电池及其充电模式电动汽车充电的载体是动力电池，在充电过程中，通过电化学反应把电能转 化为化学能，缩短动力电池的充电时间和增加动力电池的充电容量是充电的关键 技术。目前主要的电动汽车动力电池由铅酸电池、 氢镍电池、锂离子电池三分天 下。动力电池的性能由其物理结构决定， 并决定着充电技术的选取。铅酸电池受 环境的影响较大，温度等因素会对电池的 SOCSOC值影响较大，在变电流放电的情 况下，脉冲分阶段恒流快速充电能够很好的适应铅酸电池的充电特点。氢镍电池在高温充电时，副反应氧析出反应会加速，使得电池内压升

13、高，容易发生爆炸， 可以通过调整配方工艺加以改善， 提高高温下充电效率和安全性，其充电技术主 要采取恒电流充电方式。锂离子电池目前是运用最多的动力电池， 其性能和正极材料密切相关，锂钻 氧化物和锂锰氧化物适宜锂离子的脱嵌，成本低廉、无污染以及耐过充性和热安 全性更好，对充电过程中的保护要求相对较低， 适宜作为正极材料。动力电池的 性能和寿命不仅和自身的参数有关， 充电方式、充电结束电压、充放电电流等充 电过程中的因素也会对其造成一定的影响， 需要根据各种因素对动力电池的充电 技术进行选取。目前厂家考虑的多是电池的租赁。即通过采用租赁方式来减少高昂的初期费 用，以推动电动汽车普及，从而促进电池的

14、量产。在这种情况下，如果建立起根 据行驶距离（充电量）而非年均负担收费的制度，便可轻松赢得用户。之后，下 一步就是将用过的电池再利用（二手销售）。如果能够启动蓄电用途市场，保证 可以买到二手电池，便有望进一步降低初期费用及租赁负担。但要实现电池的再 利用，电池厂商须彻底脱离以往的一次性收益模式， 而建立新的业务。开发锂离子充电电池以长寿命为特点，在电动汽车上使用后，还可在蓄电等市场上再利用。东芝开发了负极材料采用钛酸锂（LTOLTO）,安全性和寿命都很出色的锂离子 充电电池。该公司20092009年秋季开始样品供货可用于电动汽车、能量密度提高至 100Wh/kg100Wh/kg的电池单元。虽然

15、细节未公布，但据悉正极材料从以前的钻酸锂改为 可实现更高容量的材料。电池容量为 20Ah20Ah。并且，该公司还在开发能量密度为 150Wh/kg150Wh/kg左右的电池单元，并力争在20112011年之前实用化。东芝正加快推广负极 材料使用钛酸锂的锂离子充电电池。将来有望实现单位重量能量密度达到 150Wh/kg150Wh/kg的电池单元。要将电动汽车用过的二手电池再用于其他用途，还有另 一课题需要解决。这就是要正确诊断电池的剩余寿命。如果没有简单且精度高的 诊断方法，就无法适当设定再利用的电池价格，今后似有必要加快剩余寿命诊断 的相关开发。总部位于美国硅谷的“美好空间”公司通过建立完备的

16、充电站网络， 并利用 创新的市场化方式运作，使得充电能够像加油一样便利，将有助于加快新能源汽 车的普及步伐。利用现有的电池技术，电动汽车的车主目前基本上只能在家中充 电，而且车辆每次充满电最多只能行驶 100100英里（约160160公里）。该公司提出了 颇具创新性的新能源汽车充电基础设施建设思路。按照这一思路建立的充电站网 络，和现有的无线通信网络存在很多类似之处。例如，无线运营商利用大量基站 组成的网络，来保证用户在一定范围内都可用手机进行通话。 通过分布在居民区、 商厦、停车场和政府大楼等处的成千上万充电站组成的网络，可以让位于该网络 覆盖范围内的消费者随时随地为自己的电动汽车充电。这一

17、网络还将包括众多电池更换站，它们可以为跑长途的电动汽车车主提供自动化服务，用充足电的电池替换下电力耗尽的电池。整个过程不到2分钟就可完成，消费者甚至不必下车， 速度和方便程度都优于现有的加油站。充电站网络的商业运作同样可借鉴手机运 营商的月租以及“套餐”等方式。按照该公司商业模式，电动汽车和电池将不再 捆绑销售，电池将由该公司提供。消费者可通过支付月租费等方式购买电池的使 用权，并根据自己需要选择定价灵活的“套餐”计划，以购买充电行驶里程。这 种模式将使消费者节省购买电池的费用，并能以更低价格将电动汽车提供给消费 者，最终有望让电动汽车的成本降至比现有的用油车更低。44电动汽车配电网智能化的充

18、电技术随着配电网智能化水平的提高和需求侧管理技术的进步，未来电动汽车的车载电池可能作为智能电网中的移动储能单元。车电互联（V2GV2G）就是指电动车辆作为移动储能单元接入电网，在受控状态下实现和电网之间的信息和能量双 向互动，电动汽车充放电站建设是智能电网用电环节的重要内容。汽车平均每天仅行驶1 1 h,h, 95%95%的时间处于停驶状态；接入电网的电动汽车数量足够多时，作为 可移动的分布式储能装置可以有效地用于削峰填谷、平衡负荷等。特别是在将来 可能形成的可再生能源发电比例较高的微电网系统中，通过电动汽车的合理充放电，可以有效平衡可再生能源波动性，帮助电网有效接纳可再生能源发电。目前电动汽

19、车充放电技术主要有单向无序的 VOGVOG模式，单向有序的TCTC和 V1GV1G模式,双向有序的V2GV2G模式。VOGVOG是指把电动汽车作为普通用电设备,采 用成熟的单向变流技术，可以随时接入电网立即充电的模式。 VOGVOG是目前电动 汽车最常见的充电方式，例如高尔夫车、机场摆渡车等专用电动车，以及国内外 新建的一些公共充电设施，又如北京奥运会电动汽车充电站都采用这种充电方 式。目前VOGVOG存在的最大问题，是电动汽车充电作为大功率的、用电负荷无约 束的使用，也就是说VOGVOG充电的运行增加了电网调峰的难度。TCTC模式即时间控制模式，是一种单相有序电能供给的充电模式。采用这种模

20、式电动汽车在给定的时段充电，通过控制开始充电时间，实现错峰充电，避免在电 网负荷高峰时段充电，和此同时用户还可以享受到谷电的优惠。但是由于种种原 因，目前的时间控制模式还不能完全根据电网峰谷状态灵活地控制充电过程。这种模式的充电还是采用单向变流技术，不需要和电网进行实时通信，目前技术装 备已经成熟，已进入示范运行阶段。V1GV1G也是一种单相有序电能供给的充电模式。采用这种模式 ，电动汽车和电 网进行实时通信，充电受电网控制，可在电网允许时刻进行充电，通过优化充电安 排提高电网效率。电动汽车采用单向技术充电只能从电网中得到电能不能将多余的电能反馈 到电网中。采用双向有序的电能转换的充电模式 V

21、2G,V2G,电动汽车车载电池可以作 为一种移动储能单元和电网进行双向电能转换。 家用汽车大部分时间处于停止状 态，如果接入电网的电动汽车数量足够多时，就可以作为可移动的分布式储能装 置用于削峰填谷、平衡负荷等，提高电网运行的效率，同时给电动汽车用户带来直接的经济效益。上海市电力公司目前已建成了漕溪电动汽车充放电站和世博国 家电网馆充放电站两座具有 V2GV2G功能的电动汽车充放电示范站。两站各具有一 台3030 kWkW的直流V2GV2G充放电机,既可以作为常规充电机实现即时充电、 预约充 电等，还可以根据后台管理系统接受电网的调度指令，动态调整工作状态和功率， 实现电动汽车和电网的双向能量

22、互动。55电动汽车充电技术的发展趋势近年来，电动车在新能源汽车中的地位日益稳固，发展态势迅猛，到20152015年我国纯电动车保有量将实现百万辆级。 但和此同时，电动车大规模推广的问题 也随之而来。电池是电动车产业面临的重大问题。 研究人员正在寻找一种容量更 大、重量更轻、体积更小、循环寿命更长的电池。锂离子动力电池、磷酸铁锂电 池、高铁电池等新型电池都进入了他们的视野。 改良充电技术则是另一条有效的 研究思路。目前，电动车在专用充电站通过两种方式进行充电。 然而，研究表明， 这两种充电方式都有着致命的弱点。 据悉不久前，英国HalolPTHalolPT公司在伦敦利用 其最新研发的感应式电能传输技术成功实现为电动车无线充电。在展示过程中，