快充技術(shù)發(fā)展

電動汽車快速充電技術(shù)的發(fā)展電動汽車以電代油，能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”，噪音低，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段。隨著石油資源的緊張和電池技術(shù)的發(fā)展，電動汽車在性能和經(jīng)濟性方面已經(jīng)接近甚至優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車，并開始在世界范圍內(nèi)逐漸推廣應用。以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢已經(jīng)成為普遍共識。近年來，隨著環(huán)境污染和能源危機的加劇，世界各國電動汽車的研發(fā)方興未艾。在電動汽車研發(fā)布局中，出現(xiàn)了純電動車和燃料電池車、混合動力車“三駕馬車”并行齊驅(qū)的局面，電動汽車正在朝產(chǎn)業(yè)化方向一步步邁進。與其它兩種新能源車相比，純電動車無論是在技術(shù)還是企業(yè)參與度上都更有優(yōu)勢，其零排放、零污染的環(huán)保優(yōu)勢和相對其他新能源車而言的價格優(yōu)勢也更容易被公眾認可。二、電動汽車充電技術(shù)發(fā)展電動汽車的發(fā)展包括電動汽車以及能源供給系統(tǒng)的研究和開發(fā)，其中能源供給系統(tǒng)是指充電基礎(chǔ)設施，供電、充電和電池系統(tǒng)及能源供給模式。電動汽車充電技術(shù)作為一個新的科技領(lǐng)域，世界各國都置身于充電技術(shù)的研究，并擬制作充電技術(shù)標準，為未來企業(yè)發(fā)展占據(jù)先機。充電系統(tǒng)為電動汽車運行提供能量補給，是電動汽車的重要基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)，也是電動汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。2.1電動汽車常用充電模式根據(jù)電動汽車動力電池組的技術(shù)和使用特性，電動汽車的充電模式存在一定的差別。對于充電方案的選擇，現(xiàn)今普遍存在常規(guī)充電、快速充電和電池組快速更換系統(tǒng)三種模式。2.1.1常規(guī)充電1.概念:蓄電池在放電終止后，應立即充電（在特殊情況下也不應超過24h），充電電流相當?shù)?，大小約為15A,這種充電叫做常規(guī)充電（普通充電）。常規(guī)蓄電池的充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電，一般充電時間為5-8小時，甚至長達10至20多個小時。2.優(yōu)缺點:因為所用功率和電流的額定值并不關(guān)鍵，因此充電器和安裝成本比較低;可充分利用電力低谷時段進行充電，降低充電成本;可提高充電效率和延長電池的使用壽命。常規(guī)充電模式的主要缺點為充電時間過長，有緊急運行需求時難以滿足。2.1.2快速充電概念:常規(guī)蓄電池的充電方法一般時間較長，給實際使用帶來許多不便?？焖俪潆婋姵氐某霈F(xiàn)，為純電動汽車的商業(yè)化提供了技術(shù)支持?？焖俪潆娪址Q應急充電，是以較大電流短時間在電動汽車停車的20分鐘至2小時內(nèi)，為其提供短時充電服務，一般充電電流為150?400A。優(yōu)缺點:充電時間短;充電電池壽命長（可充電2000次以上）;沒有記憶性，可以大容量充電及放電，在幾分鐘內(nèi)就可充70%?80%的電;由于充電在短時間內(nèi)（約為10-15分鐘）就能使電池儲電量達到80%-90%，與加油時間相仿，因此，建設相應充電站時可不配備大面積停車場。但是，相對常規(guī)充電模式，快速充電也存在一定的缺點:充電器充電效率較低，且相應的工作和安裝成本較高;由于采用快速充電，充電電流大，這就對充電技術(shù)方法以及充電的安全性提出了更高的要求，同時計量收費設計也需特別考慮。2.1.3機械充電概念:即電池組快速更換系統(tǒng)。通過直接更換電動汽車的電池組來達到為其充電的目的。由于電池組重量較大，更換電池的專業(yè)化要求較強，需配備專業(yè)人員借助專業(yè)機械來快速完成電池的更換、充電和維護。優(yōu)缺點:電動汽車用戶可租用充滿電的蓄電池，更換已經(jīng)耗盡的蓄電池，有利于提高車輛使用效率，也提高了用戶使用的方便性和快捷性;對更換下來的蓄電池可以利用低谷時段進行充電，降低了充電成本，提高了車輛運行經(jīng)濟性;解決了充電時間乃至蓄存電荷量、電池質(zhì)量、續(xù)駛里程長及價格等難題;可以及時發(fā)現(xiàn)電池組中單電池的問題，進行維修工作，對于電池的維護工作將具有積極意義，電池組放電深度的降低也將有利于提高電池的壽命。2.2電動汽車充電技術(shù)發(fā)展趨勢2.2.1電動汽車的發(fā)展趨勢混合動力汽車在目前的高油價時期雖然具有更好的燃油經(jīng)濟性，并且能滿足高排放標準的要求，但是由于其只是對現(xiàn)有汽車技術(shù)的相對改進，所以只能作為一種過渡路線。而純電動汽車和氫燃料電池汽車在使用過程中能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，并完全擺脫了對石油資源的依賴，將成為電動汽車發(fā)展的最終目標。在不同的運行模式下，電動汽車對其續(xù)駛能力和充電時間要求也不同，直接影響充電站的建設方式和功率需求。在電動汽車對充電時間要求不高的情況下，可在停運時間利用電力低谷進行常規(guī)充電，延長車輛的續(xù)駛里程;在充電時間較為緊迫的情況下，需要采用快速充電或電池組快速更換及時實現(xiàn)電能補充。目前電動汽車最為人詬病的一點，并不是關(guān)于環(huán)保電力的爭論，而是漫長的充電時間傳統(tǒng)汽車只需要幾分鐘加油時間就可以跑數(shù)百公里，而電動汽車的充電時間往往要以幾小時來計算。汽車電池的重量讓其不能夠很快地更換，而人們過去在對電動汽車充電的暢想也往往是在智能電網(wǎng)建成之后：當夜間電力便宜的時候，可以讓汽車在車庫里安靜地慢慢充電八個小時也沒有問題。然而這并非人們使用電動汽車的唯一方式，電動汽車是否能夠快速充電，在某種程度上決定了電動汽車的命運。2.2.2電池技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，具有高的能量比和功率比，更加適合于快速充電的的動力電池技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。目前，已經(jīng)商業(yè)化的有鈦酸鋰電池技術(shù)和磷酸鐵鋰電池技術(shù)。鈦酸鋰電池：用于鋰離子電池的鈦酸鋰是尖晶石晶型的鈦酸鋰，分子式為Li4Ti5O12。Li4Ti5O12平衡電位較高，避免了金屬鋰的沉積，并且其平臺容量超過總?cè)萘康?5％，充電結(jié)束時電位迅速上升，這一特征可用于指示終止充電，避免了過充電帶來的危險，因此其安全性比碳負極材料高。此外，Li4Ti5O12的化學擴散系數(shù)比碳負極材料大一個數(shù)量級，充放電速度很快，同時，Li4Ti5O12還具有抗過充性好、熱穩(wěn)定性好和安全性好等優(yōu)點，這是電動汽車等領(lǐng)域所需求的特性。鈦酸鋰電池的缺點是其容量不如碳負極材料的普通高容量鋰離子電池，但這些不足可通過對電極材料、隔膜等進行改性來進一步改良。Li4Ti5O12電極還具有大電流充放電性能，作為負極材料可以與LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2和碳材料等組成鋰離子蓄電池、全固態(tài)電池和混合型超級電容器。在鈦酸鋰電池研發(fā)方面值得一提的是東芝公司。該公司早在數(shù)年前就致力于這一技術(shù)的開發(fā)，并成功地推出了SCiB系列鋰離子電池，除了鈦酸鋰負極材料外，它還使用了新的電解液、隔膜材料和制造技術(shù)。到2009年，這種電池已經(jīng)達到15萬塊/月的產(chǎn)量，用于工具、電動交通工具并有希望運用在筆記本電腦和數(shù)碼產(chǎn)品中。這種電池的功率可以達到3.9千瓦，可重復使用10000次以上。東芝希望到2016年左右，SCiB電池的銷售額可以達到1000億日元，但隨著目前電動力車的蓬勃發(fā)展，屆時這一目標可望超額完成。磷酸鐵鋰電池：磷酸鐵鋰電池是目前呼聲最高的電動車動力鋰電池之一。1997年，JohnB.Goodenough教授首次發(fā)現(xiàn)橄欖石晶型的磷酸鐵鋰（LiFePO4）的可逆嵌鋰-脫鋰特性，并開始研究它作為鋰電池正極材料的用途。近幾年來，在磷酸鐵鋰電池的研究方面取得了多項重要進展，使磷酸鐵鋰電池迅速達到了實用化的水平。LiFePO4為橄欖石結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系（Pnmb空間群）。在充放電過程中LiFePO4正極的結(jié)構(gòu)變化很小，避免了結(jié)構(gòu)變化甚至崩塌造成的容量衰減。同時，嵌脫過程中較小的體積變化還可以有效緩解碳負極在充電過程中的體積效應，減小應力。這些特點使得LiFePO4具有優(yōu)良的循環(huán)性能和安全性。LiFePO4的理論比容量為170mAh/g,實際比容量可以接近甚至達到理論值。此外，它綠色無污染，耐溫性能好。通過對磷酸鐵鋰晶體進行改性，可以實現(xiàn)倍率性能的提高，從而令磷酸鐵鋰電池可以快速充/放電，滿足電動汽車的動力需求。2009年3月，麻省理工的Ceder等在Nature上撰文聲稱，他們通過控制化學計量比制備了具有快Li+導體表面相的LiFePO4,該材料擁有極其優(yōu)異的倍率性能：可以在10s~20s內(nèi)完成放電，2倍（2C）標準放電電流速度下，放電密度為166mAh/g,50C（72s）電流密度下可以放電136mAh/g（相當于理論值的80%），400C（9s）電流密度下仍可放電60mAh/g。若以該材料制備電池，電池的功率密度可以達到25kW/L（400C），與超級電容器相當甚至更高，而其能量密度則比超級電容器高1~2個數(shù)量級。Ceder等認為，電解質(zhì)和LiFePO4正極之間的Li+交換可以在LiFePO4顆粒表面的任意處進行，而Li+在LiFePO4體相內(nèi)的傳輸則是按一維通道（010方向）進行的，所以從晶體表面到010面的擴散速率至關(guān)重要。而該材料表面形成的無定形的Li+良導體層，變相彌補了LiFePO4材料各向異性的不足，提高了從晶體表面到010面的Li+傳輸。這種材料如果制成電池，將是革命性的鋰電池產(chǎn)品。2.2.3充電技術(shù)的發(fā)展趨勢無論是純電動汽車還是混合動力汽車，快速充電都是必須滿足的要求。隨著綠色汽車的快速發(fā)展，全球主要國家都已經(jīng)制訂了電動汽車的發(fā)展規(guī)劃。比如美國能源部在2007年推出了“先進科技汽車制造貸款計劃”，以支持汽車企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)以充電汽車為代表的綠色能源汽車，福特和泰斯拉等公司已經(jīng)先后從此計劃中獲得數(shù)十億至數(shù)十億美元不等的資助。目前，快速充電型電動車已經(jīng)成為廠商開發(fā)的重點。隨著電動汽車的逐步推廣和產(chǎn)業(yè)化以及電動汽車技術(shù)的日益發(fā)展，電動汽車對充電站的技術(shù)要求體現(xiàn)了一致的趨勢，要求充電站盡可能向以下目標靠近。2.3.1充電快速化相比發(fā)展前景良好的鎳氫和鋰離子動力蓄電池而言，傳統(tǒng)鉛酸類蓄電池以其技術(shù)成熟成本低、電池容量大、跟隨負荷輸出特性好和無記憶效應等優(yōu)點，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汽車續(xù)駛里程短這個致命弱2.3.2充電通用化在多種類型蓄電池、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多種類型蓄電池系統(tǒng)和適應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，可與各類電動汽車上的不同蓄電池系統(tǒng)實現(xiàn)充電特性匹配，能夠針對不同的電池進行充電。因此，在電動汽車商業(yè)化的早期，就應該制定相關(guān)政策措施，規(guī)范公共場所用充電裝置與電動汽車的充電接口、充電規(guī)范和接口協(xié)議等。2.3.3充電智能化制約電動汽車發(fā)展及普及的最關(guān)鍵問題之一，是儲能電池的性能和應用水平。優(yōu)化電池智能化充電方法的目標是要實現(xiàn)無損電池的充電，監(jiān)控電池的放電狀態(tài)，避免過放電現(xiàn)象，從而達到延長電池的使用壽命和節(jié)能的目的。充電智能化的應用技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面：?優(yōu)化的、智能充電技術(shù)和充電機、充電站；?電池電量的計算、指導和智能化管理；?電池故障的自動診斷和維護技術(shù)等。2.3.4電能轉(zhuǎn)換高效化電動汽車的能耗指標與其運行能源費緊密相關(guān)。降低電動汽車的運行能耗，提高其經(jīng)濟性，是推動電動汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素之一。對于充電站，從電能轉(zhuǎn)換效率和建造成本上考慮，應優(yōu)先選擇具有電能轉(zhuǎn)換效率高，建造成本低等諸多優(yōu)點的充電裝置。2.3.5充電集成化本著子系統(tǒng)小型化和多功能化的要求，以及電池可靠性和穩(wěn)定性要求的提高，充電系統(tǒng)將和電動汽車能量管理系統(tǒng)集成為一個整體，集成傳輸晶體管、電流檢測和反向放電保護等功能，無需外部組件即可實現(xiàn)體積更小、集成化更高的充電解決方案，從而為電動汽車其余部件節(jié)約出布置空間，大大降低系統(tǒng)成本，并可優(yōu)化充電效果，延長電池壽命。2.3.6充電技術(shù)的發(fā)展趨勢電池交換（更換）技術(shù)描繪的藍圖是：電動車司機可以在充電站將電能耗盡的電池組取下，并立即換上充滿電的電池組，這樣就可以立即繼續(xù)其行程。但是電動車的電池組各式各樣，標準不一，這將是電池交換（更換）技術(shù)推廣的一個主要障礙。“要創(chuàng)建一個統(tǒng)一的電池交換（更換）系統(tǒng)去覆蓋所有電動車，這將十分復雜和困難。此外，龐大的電池庫存也是個問題。如果利用現(xiàn)有的電池技術(shù)和電池品種，電池組一般重達200公斤甚至更重，因此更換電池也將變得十分困難。奔馳汽車早在70年代就在一系列的電動車樣車上測試過電池交換（更換）技術(shù)，但測試結(jié)果并不樂觀。目前電池技術(shù)的發(fā)展十分迅速，目前被認為先進的電池組，五年之后還有多少價值？基于這樣的顧慮，投重資去建設提供電池更換的服務站就有很大的風險。我們認為電動汽車充電技術(shù)的最終解決方案應該是快速充電技術(shù)，像燃油車一樣使用方便是電動汽車的發(fā)展目標，隨著動力電池的發(fā)展和快速充電技術(shù)的進步，這一目標已經(jīng)接近實現(xiàn)。三、Ecotality快速充電技術(shù)3.1Ecotality快充技術(shù)成熟度美國亞利桑那州的ECOtality公司是清潔電動運輸和電力存儲技術(shù)行業(yè)的一流企業(yè)，eTec是他的全資子公司°eTec迄今已參與了90年代以來在北美發(fā)起的全部的電動汽車項目，提供Minit-Charger?系列快充產(chǎn)品和技術(shù)，是電動車充電行業(yè)內(nèi)無可爭議的領(lǐng)袖。安裝了用于公路電動車輛，工程材料叉車，航空、海洋及陸路運輸設備充電的5500多個充電站，其中用于公路電動車的有400多個充電站；在200多輛新能源車上進行了超過1000萬英里的的測試。Minit-Charger?快速充電技術(shù)可以在快速充電的同時減少電池的發(fā)熱，提高電池的使用壽命。該系列充電技術(shù)可以為純電動汽車提供安全和快速充電解決方案。其產(chǎn)品廣泛應用于機場地面?zhèn)魉驮O備、物資搬運（例如工程材料叉車）、公共運輸車輛（公共汽車）以及輕型轎車的快速充電。2009年8月，eTec獲得美國能源部（DoE）1.4億美元補助，進行美國歷史上最大規(guī)模的電動車（EVs）充電基礎(chǔ)設施建設項目。作為唯一獲得能源部補助金的獨立充電系統(tǒng)供應商，eTec將聯(lián)合日產(chǎn)（Nissan）北美分公司為在美國部署5000輛日產(chǎn)電動車提供相應的充

電基礎(chǔ)設施。該項目將在六個州，十六個城市安裝總共約12500臺交流充電樁和250臺直流快速充電系統(tǒng)。其中直流快充系統(tǒng)配合日產(chǎn)（Nissan）公司的Leaf的24千瓦時電池組已經(jīng)實現(xiàn)了15分鐘充電到80%的SOC，不會影響電池的壽命。3.2Ecotality快充技術(shù)先進性Minit-Charger?快速充電技術(shù)特點：快速充電專利技術(shù)一保證最高的電池安全充電效率，可靠的保護電池；智能分步式充電方式一低電力負荷，減少電路的配置，安裝更靈活；Minit-Trak數(shù)據(jù)分析一電池、充電設備和車輛的運行數(shù)據(jù)存儲、分析；獲得了50多個美國和世界級的技術(shù)專利；圖1專利證書Minit-Charger系統(tǒng)能根據(jù)電池類型，自行選擇最好的快充方法。通過電池檢測模塊，隨時監(jiān)測電池充電狀態(tài)，在整個充電過程中提供最高和最安全的充電速率。通過電池控制模塊（BDC）與車載電池的自適應控制，充電器可以實時掌握各電池的基本情況，輸出該電池允許的最高安全電流來充電。保證充電電流接近電池最大充電允許值，有效防止過充，預防繼發(fā)反應和化學反應副產(chǎn)品的產(chǎn)生，最終延長電池的使用壽命。在電池的整個壽命中，由電池控制（BDC）對電池組全程進行實時監(jiān)測。BDC對電池的充電特性、使用情況和壽命等信息都進行存儲，以供管理者進行分析。圖2充電曲線以及數(shù)據(jù)分析圖4.1快速充電標準豐田、日產(chǎn)、三菱和富士重工四家日本汽車制造商與東京電力公司簽署協(xié)議，宣布成立電動汽車快速充電協(xié)會“CHAdeMO（即Charge與Move的組合）”，共同促進電動汽車充電裝置規(guī)格及設施的規(guī)范、統(tǒng)一和普及。該協(xié)會還囊括了日本部分政府機構(gòu)、海外汽車制造商、相關(guān)零部件及設備供應商。截至目前，協(xié)會成員單位達到160個。CHAdeMO宣布，不僅將致力于在日本國內(nèi)發(fā)展電動汽車技術(shù)，而且還要努力推廣至全球，以滿足全球消費者減少碳排放和降低對石油依賴的需求。同時，協(xié)會計劃制定電動汽車行業(yè)充電平臺的整體規(guī)范，其中包括充電電壓、充電插座、充電時間等細節(jié)方面的標準，并要求日本所有電動汽車公司按照該標準執(zhí)行。CHAdeMO協(xié)會支持的快速充電標準為30分鐘充電80%。