聚焦電動(dòng)汽車的充電技術(shù)及解決方案

1、聚焦電動(dòng)汽車的充電技術(shù)及解決方案綠色革命的一個(gè)重要表達(dá)是綠色交通， 電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生， 其市場需求量也 呈現(xiàn)出愈來愈大的趨勢。 電動(dòng)汽車早已成為世界車展上的一個(gè)焦點(diǎn)， 其替代傳統(tǒng) 能源驅(qū)動(dòng)技術(shù)無疑是未來行業(yè)開展的重點(diǎn)。 對于一臺(tái)電動(dòng)汽車， 蓄電池是其動(dòng)力 所在，充電是其不可缺少的行為。 電動(dòng)汽車充電時(shí)間長， 充電難是電動(dòng)汽車推廣 應(yīng)用的一個(gè)難題。 為適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)快速開展的步伐， 充電技術(shù)及解決方案成為電 動(dòng)汽車行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。我國的能源資源分布特點(diǎn)是煤多氣少油貧,石油資源嚴(yán)重依賴進(jìn)口 , 如果不加控制到 2030年中國需進(jìn)口石油可能到達(dá) 8.5億 t , 相當(dāng)于目前全球出口總量的 50%,將給

2、我國的能源平安埋下嚴(yán)重的隱患。交通是耗油大戶, 根據(jù)預(yù)測 2030 年交通工具的用油將占總耗油量的 55%以上 , 因此車輛用能結(jié)構(gòu)的變革勢在必行。 隨著化石能源的日益枯竭以及二氧化碳等溫室氣體排放帶來的氣候變暖的加劇 , 節(jié)能減排已經(jīng)成為全球的共識(shí) ,我國“十二五 規(guī)劃要求單位 GDP 的能耗要降 低 20%,污染排放要降低 10%。隨著我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的開展 , 家用汽車將不斷普 及 ,汽車的能耗和排放將不斷增加 , 因此研制和推廣清潔高效的汽車動(dòng)力同樣勢 在必行。電動(dòng)汽車可以不依賴石油資源，能源效率是傳統(tǒng)燃油汽車的1.52.0倍, 與燃油汽車相比在全壽命周期可以減排 20%的二氧化碳 ,

3、因此被認(rèn)為是目前最 有開展?jié)摿Φ慕煌üぞ?。我國已?jīng)把開展電動(dòng)汽車列入“十二五規(guī)劃 , 準(zhǔn)備在 今后的幾年內(nèi)大規(guī)模開展電動(dòng)汽車。作為新能源汽車三大開展方向之一， 電動(dòng)汽車比氫能源汽車離商用更近。 通 用汽車最新的增程型電動(dòng)車雪佛蘭 Volt昨起在美接受預(yù)訂，這種售價(jià)只有4.1萬 美元的全球電氣化先鋒車型，完全消除了以往電池電動(dòng)車行駛里程有限的束縛。 車主用標(biāo)準(zhǔn)家用120伏電源為Volt充電8小時(shí)，最遠(yuǎn)就能走500公里；當(dāng)行駛 里程小于 60 公里時(shí)， Volt 那么只需一個(gè)車載的 1 6千瓦時(shí)鋰離子電池，并實(shí)現(xiàn)“零 油耗、零排放。由于擔(dān)憂在路途中出現(xiàn)電力缺乏而“拋錨 ，目前很多消費(fèi)者對購置電動(dòng)汽

4、 車的積極性不高。 要想讓電動(dòng)汽車對群眾真正形成吸引力并在全球范圍內(nèi)得到普 及，除了讓消費(fèi)者買得起外，在使用時(shí)也要保證它比現(xiàn)有的用油汽車更加方便。汽車電池價(jià)格昂貴、充電時(shí)間過長、充滿電后行駛里程有限這些都是新能源 汽車開展道路上迫切需要撤除的“路障 。高效綠色的電動(dòng)汽車漸行漸近，但占 其本錢 7 成的電池價(jià)格過高仍在影響著消費(fèi)熱情。 對此，一種新模式即鼓勵(lì)電池 租賃。電池租賃可降低新能源汽車的使用門檻， 讓車輛售價(jià)大幅度下降， 還能讓 消費(fèi)者避開電池使用壽命短和后期維護(hù)等問題。 如果車用鋰電池可以充 1000 次， 通常每次充電 10 度可以跑 100公里，充 1000 次就可跑 10萬公里，

5、在上海用電 低谷時(shí)的充電本錢僅需3000元；而排量67升的汽油機(jī)汽車，跑10萬公里的 油耗本錢現(xiàn)為 4 萬元。所以，考慮到國家支持的數(shù)萬元的新能源汽車購置補(bǔ)貼， 再加上電池租賃或分期付款， 電動(dòng)汽車的性價(jià)比將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。 新 能源車有望進(jìn)入尋常百姓家， 但如果大家同時(shí)充電會(huì)不會(huì)讓電網(wǎng) “吃不消 ？據(jù) 透露，按照開展規(guī)劃， 2022 年中國電動(dòng)汽車將到達(dá)上百萬輛。為解決充電等配 套問題，到今年底國家電網(wǎng)將在 27個(gè)省市建 75座充電站和 6000多個(gè)充電樁； 2022 年到 2022年，將建立 400座電動(dòng)汽車充電站， 初步形成電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)； 2022年至 2022年，中國將建立

6、 1 萬座電動(dòng)汽車充電站，全面開展充電樁配套建 設(shè)，建成完整的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)。未來電動(dòng)汽車并非只會(huì)“喝奶 ，還能通過 智能協(xié)調(diào)“反哺后者。電動(dòng)汽車會(huì)變成一個(gè)個(gè)移動(dòng)的儲(chǔ)電站，用電低谷時(shí)從電 網(wǎng)上“吃飽電，用電頂峰時(shí)向電網(wǎng)“吐出電，電動(dòng)車陣能給城市電網(wǎng)“削峰 填谷。在更遠(yuǎn)的將來， 甚至還會(huì)出現(xiàn)無線充電的電動(dòng)汽車， 就像 的藍(lán)牙技術(shù) 一樣，充電也無需插頭插座，在開車途中就一步到位。隨著電動(dòng)汽車的逐步推廣和產(chǎn)業(yè)化以及電動(dòng)汽車技術(shù)的日益開展,電動(dòng)汽車對充電站的技術(shù)要求表達(dá)了一致的趨勢， 要求充電站盡可能向以下目標(biāo)靠近。 相 比開展前景良好的鎳氫和鋰離子動(dòng)力蓄電池而言， 傳統(tǒng)鉛酸類蓄電池以其技術(shù)成 熟、

7、本錢低、電池容量大、跟隨負(fù)荷輸出特性好和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但同樣存 在著比能量低、 一次充電續(xù)駛里程短的問題。 因此，在目前動(dòng)力電池不能直接提 供更多續(xù)駛里程的情況下， 如果能夠?qū)崿F(xiàn)電池充電快速化， 從某種意義上也就解 決了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短這個(gè)致命弱點(diǎn)。在多種類型蓄電池、 多種電壓等級共存的市場背景下， 用于公共場所的充電 裝置必須具有適應(yīng)多種類型蓄電池系統(tǒng)和適應(yīng)各種電壓等級的能力， 即充電系統(tǒng) 需要具有充電廣泛性， 具備多種類型蓄電池的充電控制算法， 可與各類電動(dòng)汽車 上的不同蓄電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充電特性匹配，能夠針對不同的電池進(jìn)行充電。因此， 在電動(dòng)汽車商業(yè)化的早期， 就應(yīng)該制定相關(guān)政策措施，

8、 標(biāo)準(zhǔn)公共場所用充電裝置 與電動(dòng)汽車的充電接口、充電標(biāo)準(zhǔn)和接口協(xié)議等。電動(dòng)汽車充電的載體是動(dòng)力電池， 在充電過程中， 通過電化學(xué)反響把電能轉(zhuǎn) 化為化學(xué)能，縮短動(dòng)力電池的充電時(shí)間和增加動(dòng)力電池的充電容量是充電的關(guān)鍵 技術(shù)。目前主要的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池由鉛酸電池、 氫鎳電池、 鋰離子電池三分天 下。動(dòng)力電池的性能由其物理結(jié)構(gòu)決定， 并決定著充電技術(shù)的選取。 鉛酸電池受 環(huán)境的影響較大，溫度等因素會(huì)對電池的 SOC 值影響較大，在變電流放電的情 況下，脈沖分階段恒流快速充電能夠很好的適應(yīng)鉛酸電池的充電特點(diǎn)。 氫鎳電池 在高溫充電時(shí)，副反響氧析出反響會(huì)加速，使得電池內(nèi)壓升高，容易發(fā)生爆炸， 可以通過調(diào)整

9、配方工藝加以改善， 提高高溫下充電效率和平安性， 其充電技術(shù)主 要采取恒電流充電方式。 鋰離子電池目前是運(yùn)用最多的動(dòng)力電池， 其性能與正極 材料密切相關(guān)， 鋰鈷氧化物和鋰錳氧化物適宜鋰離子的脫嵌， 本錢低廉、 無污染 以及耐過充性和熱平安性更好， 對充電過程中的保護(hù)要求相對較低， 適宜作為正 極材料。動(dòng)力電池的性能和壽命不僅與自身的參數(shù)有關(guān)， 充電方式、 充電結(jié)束電 壓、充放電電流等充電過程中的因素也會(huì)對其造成一定的影響， 需要根據(jù)各種因 素對動(dòng)力電池的充電技術(shù)進(jìn)行選取。超級電容器是介于電容器和電池之間的儲(chǔ)能器件， 它既具有電容器可以快速 充放電的特點(diǎn)，又具有電化學(xué)電池的儲(chǔ)能機(jī)理，憑借其容量大

10、、功率密度大、使 用壽命長、 平安性強(qiáng)和對環(huán)境沒有污染等特性， 成為了電動(dòng)汽車動(dòng)力開發(fā)的重要 方向之一。 其在啟動(dòng)、加速和上坡行駛作業(yè)時(shí)可提供瞬時(shí)大功率， 并在汽車制動(dòng) 時(shí)回收能源加以利用， 最重要的是超級電容器可以實(shí)現(xiàn)快速充電， 對電動(dòng)汽車實(shí) 現(xiàn)續(xù)航具有重大意義。目前電動(dòng)汽車充電方式有三種，即更換電池、快速充電、 無線充電。 更換電池實(shí)質(zhì)是將新能源汽車動(dòng)力電池環(huán)節(jié)市場化運(yùn)營， 有利于降低 電動(dòng)車的售價(jià)及減短充電時(shí)間， 但是行業(yè)專業(yè)化高。 快速充電是以較大電流在短 時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車提供快速充電效勞。 增大充電電流， 可以使電池極板上單位時(shí) 間內(nèi)恢復(fù)的活性物質(zhì)增多，但是會(huì)減短電池的使用壽命。 “

11、無線充電策略擺脫 了線的束縛，其最流行的解決方案包括電磁感應(yīng)和磁共振。電池管理系統(tǒng)與電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池緊密結(jié)合在一起， 對電池的電壓、電流、 溫度等參數(shù)進(jìn)行時(shí)刻檢測，同時(shí)還進(jìn)行著多種智能管理：漏電檢測、熱管理、電 池均衡管理、報(bào)警提醒其中最重要的是它在電動(dòng)汽車充電過程中發(fā)揮著保護(hù) 電路與調(diào)節(jié)最優(yōu)充電的作用。在充電過程中，電池可接受的充電電流是有限的， 且會(huì)隨著充電時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降，甚至?xí)霈F(xiàn)過充電現(xiàn)象，對電池造成損傷。 電池管理系統(tǒng)可以時(shí)刻檢測電池的各項(xiàng)參數(shù)， 并根據(jù)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)充電電流的大 小，提高電池的充電效率，保證了汽車系統(tǒng)的平安。電動(dòng)汽車充電的載體是動(dòng)力電池， 在充電過程中， 通過電

12、化學(xué)反響把電能轉(zhuǎn) 化為化學(xué)能，縮短動(dòng)力電池的充電時(shí)間和增加動(dòng)力電池的充電容量是充電的關(guān)鍵 技術(shù)。目前主要的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池由鉛酸電池、 氫鎳電池、 鋰離子電池三分天 下。動(dòng)力電池的性能由其物理結(jié)構(gòu)決定， 并決定著充電技術(shù)的選取。 鉛酸電池受 環(huán)境的影響較大，溫度等因素會(huì)對電池的 SOC 值影響較大，在變電流放電的情 況下，脈沖分階段恒流快速充電能夠很好的適應(yīng)鉛酸電池的充電特點(diǎn)。 氫鎳電池 在高溫充電時(shí)，副反響氧析出反響會(huì)加速，使得電池內(nèi)壓升高，容易發(fā)生爆炸， 可以通過調(diào)整配方工藝加以改善， 提高高溫下充電效率和平安性， 其充電技術(shù)主 要采取恒電流充電方式。鋰離子電池目前是運(yùn)用最多的動(dòng)力電池，

13、其性能與正極材料密切相關(guān)， 鋰鈷 氧化物和鋰錳氧化物適宜鋰離子的脫嵌， 本錢低廉、 無污染以及耐過充性和熱安 全性更好，對充電過程中的保護(hù)要求相對較低， 適宜作為正極材料。 動(dòng)力電池的 性能和壽命不僅與自身的參數(shù)有關(guān)， 充電方式、 充電結(jié)束電壓、 充放電電流等充 電過程中的因素也會(huì)對其造成一定的影響， 需要根據(jù)各種因素對動(dòng)力電池的充電 技術(shù)進(jìn)行選取。目前廠家考慮的多是電池的租賃。 即通過采用租賃方式來減少高昂的初期費(fèi) 用，以推動(dòng)電動(dòng)汽車普及，從而促進(jìn)電池的量產(chǎn)。在這種情況下，如果建立起根 據(jù)行駛距離充電量而非年均負(fù)擔(dān)收費(fèi)的制度，便可輕松贏得用戶。之后，下 一步就是將用過的電池再利用二手銷售 。

14、如果能夠啟動(dòng)蓄電用途市場，保證 可以買到二手電池， 便有望進(jìn)一步降低初期費(fèi)用及租賃負(fù)擔(dān)。 但要實(shí)現(xiàn)電池的再 利用，電池廠商須徹底脫離以往的一次性收益模式， 而建立新的業(yè)務(wù)。 開發(fā)鋰離 子充電電池以長壽命為特點(diǎn)， 在電動(dòng)汽車上使用后， 還可在蓄電等市場上再利用。東芝開發(fā)了負(fù)極材料采用鈦酸鋰LTO，平安性和壽命都很出色的鋰離子 充電電池。該公司 2022 年秋季開始樣品供貨可用于電動(dòng)汽車、能量密度提高至 100Wh/kg 的電池單元。雖然細(xì)節(jié)未公布，但據(jù)悉正極材料從以前的鈷酸鋰改為 可實(shí)現(xiàn)更高容量的材料。電池容量為 20Ah。并且，該公司還在開發(fā)能量密度為 150Wh/kg 左右的電池單元， 并力

15、爭在 2022年之前實(shí)用化。 東芝正加快推廣負(fù)極 材料使用鈦酸鋰的鋰離子充電電池。將來有望實(shí)現(xiàn)單位重量能量密度到達(dá) 150Wh/kg 的電池單元。要將電動(dòng)汽車用過的二手電池再用于其他用途，還有另 一課題需要解決。 這就是要正確診斷電池的剩余壽命。 如果沒有簡單且精度高的 診斷方法， 就無法適當(dāng)設(shè)定再利用的電池價(jià)格， 今后似有必要加快剩余壽命診斷 的相關(guān)開發(fā)?？偛课挥诿绹韫鹊?“美好空間 公司通過建立完備的充電站網(wǎng)絡(luò)， 并利用 創(chuàng)新的市場化方式運(yùn)作， 使得充電能夠像加油一樣便利， 將有助于加快新能源汽 車的普及步伐。 利用現(xiàn)有的電池技術(shù)， 電動(dòng)汽車的車主目前根本上只能在家中充 電，而且車輛每次

16、充滿電最多只能行駛 100英里約 160公里。該公司提出了 頗具創(chuàng)新性的新能源汽車充電根底設(shè)施建設(shè)思路。 按照這一思路建立的充電站網(wǎng) 絡(luò)，與現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡(luò)存在很多類似之處。 例如，無線運(yùn)營商利用大量基站 組成的網(wǎng)絡(luò)， 來保證用戶在一定范圍內(nèi)都可用 進(jìn)行通話。通過分布在居民區(qū)、 商廈、停車場和政府大樓等處的成千上萬充電站組成的網(wǎng)絡(luò)， 可以讓位于該網(wǎng)絡(luò) 覆蓋范圍內(nèi)的消費(fèi)者隨時(shí)隨地為自己的電動(dòng)汽車充電。 這一網(wǎng)絡(luò)還將包括眾多電 池更換站， 它們可以為跑長途的電動(dòng)汽車車主提供自動(dòng)化效勞， 用充足電的電池 替換下電力耗盡的電池。整個(gè)過程不到2分鐘就可完成，消費(fèi)者甚至不必下車， 速度和方便程度都優(yōu)于現(xiàn)

17、有的加油站。充電站網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)運(yùn)作同樣可借鑒運(yùn)營商的月租以及“套餐等方式。按照該公司商業(yè)模式，電動(dòng)汽車和電池將不再 捆綁銷售， 電池將由該公司提供。 消費(fèi)者可通過支付月租費(fèi)等方式購置電池的使 用權(quán)，并根據(jù)自己需要選擇定價(jià)靈活的“套餐方案，以購置充電行駛里程。這 種模式將使消費(fèi)者節(jié)省購置電池的費(fèi)用， 并能以更低價(jià)格將電動(dòng)汽車提供給消費(fèi)者，最終有望讓電動(dòng)汽車的本錢降至比現(xiàn)有的用油車更低隨著配電網(wǎng)智能化水平的提高和需求側(cè)管理技術(shù)的進(jìn)步 , 未來電動(dòng)汽車的 車載電池可能作為智能電網(wǎng)中的移動(dòng)儲(chǔ)能單元。車電互聯(lián) (V2G) 就是指電動(dòng)車 輛作為移動(dòng)儲(chǔ)能單元接入電網(wǎng) , 在受控狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的信息與能量

18、雙 向互動(dòng) , 電動(dòng)汽車充放電站建設(shè)是智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容。 汽車平均每天 僅行駛 1 h, 95% 的時(shí)間處于停駛狀態(tài) ; 接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車數(shù)量足夠多時(shí) , 作為 可移動(dòng)的分布式儲(chǔ)能裝置可以有效地用于削峰填谷、 平衡負(fù)荷等。 特別是在將來 可能形成的可再生能源發(fā)電比例較高的微電網(wǎng)系統(tǒng)中 , 通過電動(dòng)汽車的合理充 放電 , 可以有效平衡可再生能源波動(dòng)性 , 幫助電網(wǎng)有效接納可再生能源發(fā)電。目前電動(dòng)汽車充放電技術(shù)主要有單向無序的 VOG 模式 , 單向有序的 TC 和 V1G模式,雙向有序的V2G模式。VOG是指把電動(dòng)汽車作為普通用電設(shè)備,采 用成熟的單向變流技術(shù) , 可以隨時(shí)接入電網(wǎng)立

19、即充電的模式。 VOG 是目前電動(dòng) 汽車最常見的充電方式 , 例如高爾夫車、機(jī)場擺渡車等專用電動(dòng)車 , 以及國內(nèi)外 新建的一些公共充電設(shè)施 , 又如北京奧運(yùn)會(huì)電動(dòng)汽車充電站都采用這種充電方 式。目前 VOG 存在的最大問題 , 是電動(dòng)汽車充電作為大功率的、用電負(fù)荷無約 束的使用 , 也就是說 VOG 充電的運(yùn)行增加了電網(wǎng)調(diào)峰的難度。TC 模式即時(shí)間控制模式 ,是一種單相有序電能供給的充電模式。 采用這種模 式電動(dòng)汽車在給定的時(shí)段充電 , 通過控制開始充電時(shí)間 ,實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰充電 ,防止在電 網(wǎng)負(fù)荷頂峰時(shí)段充電 ,與此同時(shí)用戶還可以享受到谷電的優(yōu)惠。但是由于種種原 因, 目前的時(shí)間控制模式還不能完全

20、根據(jù)電網(wǎng)峰谷狀態(tài)靈活地控制充電過程。 這 種模式的充電還是采用單向變流技術(shù) , 不需要與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信 , 目前技術(shù)裝 備已經(jīng)成熟 , 已進(jìn)入示范運(yùn)行階段。V1G 也是一種單相有序電能供給的充電模式。采用這種模式 ,電動(dòng)汽車與電 網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信 ,充電受電網(wǎng)控制 ,可在電網(wǎng)允許時(shí)刻進(jìn)行充電 ,通過優(yōu)化充電安 排提高電網(wǎng)效率。電動(dòng)汽車采用單向技術(shù)充電只能從電網(wǎng)中得到電能不能將多余的電能反響 到電網(wǎng)中。采用雙向有序的電能轉(zhuǎn)換的充電模式 V2G, 電動(dòng)汽車車載電池可以作 為一種移動(dòng)儲(chǔ)能單元與電網(wǎng)進(jìn)行雙向電能轉(zhuǎn)換。 家用汽車大局部時(shí)間處于停止?fàn)?態(tài) , 如果接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車數(shù)量足夠多時(shí) , 就可以

21、作為可移動(dòng)的分布式儲(chǔ)能裝 置用于削峰填谷、平衡負(fù)荷等 , 提高電網(wǎng)運(yùn)行的效率 , 同時(shí)給電動(dòng)汽車用戶帶來 直接的經(jīng)濟(jì)效益。上海市電力公司目前已建成了漕溪電動(dòng)汽車充放電站與世博國 家電網(wǎng)館充放電站兩座具有 V2G 功能的電動(dòng)汽車充放電示范站。兩站各具有一 臺(tái) 30 kW 的直流 V2G 充放電機(jī) , 既可以作為常規(guī)充電機(jī)實(shí)現(xiàn)即時(shí)充電、 預(yù)約充 電等 , 還可以根據(jù)后臺(tái)管理系統(tǒng)接受電網(wǎng)的調(diào)度指令 ,動(dòng)態(tài)調(diào)整工作狀態(tài)與功率 , 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的雙向能量互動(dòng)。近年來，電動(dòng)車在新能源汽車中的地位日益穩(wěn)固，開展態(tài)勢迅猛，到 2022 年我國純電動(dòng)車保有量將實(shí)現(xiàn)百萬輛級。 但與此同時(shí)， 電動(dòng)車大規(guī)模推廣的問題 也隨之而來。 電池是電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)面臨的重大問題。 研究人員正在尋找一種容量更 大、重量更輕、體積更小、循環(huán)壽命更長的電池。鋰離子動(dòng)力電池、磷酸鐵鋰電 池、高鐵電池等新型電池都進(jìn)入了他們的視野。 改良充電技術(shù)那么是另一條有效的 研究思路。 目前，電動(dòng)車在專用充電站通過兩種方式進(jìn)行充電。 然而，研究說明， 這兩種充電方式都有著致命的弱點(diǎn)。 據(jù)悉不久前，英國HalolPT公司在倫敦利用 其最新研發(fā)的感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)為電動(dòng)車無線充電。在展示過程中， 該公司將電能接收墊安裝于雪鐵龍電動(dòng)車車身下側(cè)， 這樣