聚焦電動(dòng)汽車(chē)的充電技術(shù)及解決方案

聚焦電動(dòng)汽車(chē)的充電技術(shù)及解決方案綠色革命的一個(gè)重要體現(xiàn)是綠色交通，電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)運(yùn)而生，其市場(chǎng)需求量也呈現(xiàn)出愈來(lái)愈大的趨勢(shì)。電動(dòng)汽車(chē)早已成為世界車(chē)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(wú)疑是未來(lái)行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。對(duì)于一臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)，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(chē)充電時(shí)間長(zhǎng)，充電難是電動(dòng)汽車(chē)推廣應(yīng)用的一個(gè)難題。為適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展的步伐，充電技術(shù)及解決方案成為電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。1.大規(guī)模發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)必須先突破充電瓶頸我國(guó)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(lài)進(jìn)口,如果不加控制到2030年中國(guó)需進(jìn)口石油可能達(dá)到8.5億t,相當(dāng)于目前全球出口總量的50%,將給我國(guó)的能源安全埋下嚴(yán)重的隱患。交通是耗油大戶(hù),根據(jù)預(yù)測(cè)2030年交通工具的用油將占總耗油量的55%以上,因此車(chē)輛用能結(jié)構(gòu)的變革勢(shì)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(lái)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(guó)“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(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,家用汽車(chē)將不斷普及,汽車(chē)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(chē)動(dòng)力同樣勢(shì)在必行。電動(dòng)汽車(chē)可以不依賴(lài)石油資源,能源效率是傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的1.5～2.0倍,與燃油汽車(chē)相比在全壽命周期可以減排20%的二氧化碳,因此被認(rèn)為是目前最有發(fā)展?jié)摿Φ慕煌üぞ?。我?guó)已經(jīng)把發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)列入“十二五”規(guī)劃,準(zhǔn)備在今后的幾年內(nèi)大規(guī)模發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)。作為新能源汽車(chē)三大發(fā)展方向之一，電動(dòng)汽車(chē)比氫能源汽車(chē)離商用更近。通用汽車(chē)最新的增程型電動(dòng)車(chē)雪佛蘭Volt昨起在美接受預(yù)訂，這種售價(jià)只有4.1萬(wàn)美元的全球電氣化先鋒車(chē)型，完全消除了以往電池電動(dòng)車(chē)行駛里程有限的束縛。車(chē)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則只需一個(gè)車(chē)載的16千瓦時(shí)鋰離子電池，并實(shí)現(xiàn)“零油耗、零排放”。由于擔(dān)心在路途中出現(xiàn)電力不足而“拋錨”，目前很多消費(fèi)者對(duì)購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)的積極性不高。要想讓電動(dòng)汽車(chē)對(duì)大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(mǎi)得起外，在使用時(shí)也要保證它比現(xiàn)有的用油汽車(chē)更加方便。汽車(chē)電池價(jià)格昂貴、充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、充滿電后行駛里程有限……這些都是新能源汽車(chē)發(fā)展道路上迫切需要拆除的“路障”。高效綠色的電動(dòng)汽車(chē)漸行漸近，但占其成本7成的電池價(jià)格過(guò)高仍在影響著消費(fèi)熱情。對(duì)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(chē)的使用門(mén)檻，讓車(chē)輛售價(jià)大幅度下降，還能讓消費(fèi)者避開(kāi)電池使用壽命短和后期維護(hù)等問(wèn)題。如果車(chē)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(wàn)公里，在上海用電低谷時(shí)的充電成本僅需3000元；而排量6～7升的汽油機(jī)汽車(chē)，跑10萬(wàn)公里的油耗成本現(xiàn)為4萬(wàn)元。所以，考慮到國(guó)家支持的數(shù)萬(wàn)元的新能源汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)補(bǔ)貼，再加上電池租賃或分期付款，電動(dòng)汽車(chē)的性?xún)r(jià)比將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。新能源車(chē)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，按照發(fā)展規(guī)劃，2015年中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)將達(dá)到上百萬(wàn)輛。為解決充電等配套問(wèn)題，到今年底國(guó)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；2011年到2016年，將建立400座電動(dòng)汽車(chē)充電站，初步形成電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)；2016年至2020年，中國(guó)將建立1萬(wàn)座電動(dòng)汽車(chē)充電站，全面開(kāi)展充電樁配套建設(shè)，建成完整的電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)并非只會(huì)“喝奶”，還能通過(guò)智能協(xié)調(diào)“反哺”后者。電動(dòng)汽車(chē)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，用電高峰時(shí)向電網(wǎng)“吐出”電，電動(dòng)車(chē)陣能給城市電網(wǎng)“削峰填谷”。在更遠(yuǎn)的將來(lái)，甚至還會(huì)出現(xiàn)無(wú)線充電的電動(dòng)汽車(chē)，就像手機(jī)的藍(lán)牙技術(shù)一樣，充電也無(wú)需插頭插座，在開(kāi)車(chē)途中就一步到位。2.電動(dòng)汽車(chē)充電的技術(shù)要求和解決方案隨著電動(dòng)汽車(chē)的逐步推廣和產(chǎn)業(yè)化以及電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的日益發(fā)展,電動(dòng)汽車(chē)對(duì)充電站的技術(shù)要求體現(xiàn)了一致的趨勢(shì)，要求充電站盡可能向以下目標(biāo)靠近。相比發(fā)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(lèi)蓄電池以其技術(shù)成熟、成本低、電池容量大、跟隨負(fù)荷輸出特性好和無(wú)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(wèn)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(chē)?yán)m(xù)駛里程短這個(gè)致命弱點(diǎn)。可以買(mǎi)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(kāi)發(fā)鋰離子充電電池以長(zhǎng)壽命為特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)上使用后，還可在蓄電等市場(chǎng)上再利用。東芝開(kāi)發(fā)了負(fù)極材料采用鈦酸鋰（LTO），安全性和壽命都很出色的鋰離子充電電池。該公司2009年秋季開(kāi)始樣品供貨可用于電動(dòng)汽車(chē)、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(kāi)發(fā)能量密度為150Wh/kg左右的電池單元，并力爭(zhēng)在2011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(lái)有望實(shí)現(xiàn)單位重量能量密度達(dá)到150Wh/kg的電池單元。要將電動(dòng)汽車(chē)用過(guò)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(méi)有簡(jiǎn)單且精度高的診斷方法，就無(wú)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(kāi)發(fā)。總部位于美國(guó)硅谷的“美好空間”公司通過(guò)建立完備的充電站網(wǎng)絡(luò)，并利用創(chuàng)新的市場(chǎng)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(chē)的普及步伐。利用現(xiàn)有的電池技術(shù)，電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)主目前基本上只能在家中充電，而且車(chē)輛每次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(chē)充電基礎(chǔ)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(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)存在很多類(lèi)似之處。例如，無(wú)線運(yùn)營(yíng)商利用大量基站組成的網(wǎng)絡(luò)，來(lái)保證用戶(hù)在一定范圍內(nèi)都可用手機(jī)進(jìn)行通話。通過(guò)分布在居民區(qū)、商廈、停車(chē)場(chǎng)和政府大樓等處的成千上萬(wàn)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(chē)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(zhǎng)途的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主提供自動(dòng)化服務(wù)，用充足電的電池替換下電力耗盡的電池。整個(gè)過(guò)程不到２分鐘就可完成，消費(fèi)者甚至不必下車(chē)，速度和方便程度都優(yōu)于現(xiàn)有的加油站。充電站網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)運(yùn)作同樣可借鑒手機(jī)運(yùn)營(yíng)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(chē)和電池將不再捆綁銷(xiāo)售，電池將由該公司提供。消費(fèi)者可通過(guò)支付月租費(fèi)等方式購(gòu)買(mǎi)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”計(jì)劃，以購(gòu)買(mǎi)充電行駛里程。這種模式將使消費(fèi)者節(jié)省購(gòu)買(mǎi)電池的費(fèi)用，并能以更低價(jià)格將電動(dòng)汽車(chē)提供給消費(fèi)者，最終有望讓電動(dòng)汽車(chē)的成本降至比現(xiàn)有的用油車(chē)更低。4.電動(dòng)汽車(chē)配電網(wǎng)智能化的充電技術(shù)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(lái)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載電池可能作為智能電網(wǎng)中的移動(dòng)儲(chǔ)能單元。車(chē)電互聯(lián)(V2G)就是指電動(dòng)車(chē)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)之間的信息與能量雙向互動(dòng),電動(dòng)汽車(chē)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(chē)平均每天僅行駛1h,95%的時(shí)間處于停駛狀態(tài);接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)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(lái)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(guò)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)充放電技術(shù)主要有單向無(wú)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(chē)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)立即充電的模式。VOG是目前電動(dòng)汽車(chē)最常見(jiàn)的充電方式,例如高爾夫車(chē)、機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)等專(zhuān)用電動(dòng)車(chē),以及國(guó)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(chē)充電站都采用這種充電方式。目前VOG存在的最大問(wèn)題,是電動(dòng)汽車(chē)充電作為大功率的、用電負(fù)荷無(wú)約束的使用,也就是說(shuō)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(chē)在給定的時(shí)段充電,通過(guò)控制開(kāi)始充電時(shí)間,實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰充電,避免在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段充電,與此同時(shí)用戶(hù)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根據(jù)電網(wǎng)峰谷狀態(tài)靈活地控制充電過(guò)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(chē)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(guò)優(yōu)化充電安排提高電網(wǎng)效率。電動(dòng)汽車(chē)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饋到電網(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(chē)車(chē)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(chē)大部分時(shí)間處于停止?fàn)顟B(tài),如果接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量足夠多時(shí),就可以作為可移動(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(chē)用戶(hù)帶來(lái)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(chē)充放電站與世博國(guó)家電網(wǎng)館充放電站兩座具有V2G功能的電動(dòng)汽車(chē)充放電示范站。兩站各具有一臺(tái)30kW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(chē)與電網(wǎng)的雙向能量互動(dòng)。5.電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)近年來(lái)，電動(dòng)車(chē)在新能源汽車(chē)中的地位日益穩(wěn)固，發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，到2015年我國(guó)純電動(dòng)車(chē)保有量將實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)輛級(jí)。但與此同時(shí)，電動(dòng)車(chē)大規(guī)模推廣的問(wèn)題也隨之而來(lái)。電池是電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)面臨的重大問(wèn)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(zhǎng)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)則是另一條有效的研究思路。目前，電動(dòng)車(chē)在專(zhuān)用充電站通過(guò)兩種方式進(jìn)行充電。然而，研究表明，這兩種充電方式都有著致命的弱點(diǎn)。據(jù)悉不久前，英國(guó)HaloIPT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(chē)無(wú)線充電。在展示過(guò)程中，該公司將電能接收墊安裝于雪鐵龍電動(dòng)車(chē)車(chē)身下側(cè)，這樣電池就可以通過(guò)無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線充電。磁耦合諧振式無(wú)線輸電技術(shù)是一項(xiàng)剛剛興起的技術(shù)，將有助于解決這些問(wèn)題。無(wú)線充電技術(shù)則是未來(lái)電動(dòng)車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵。制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展及普及的最關(guān)鍵問(wèn)題之一，是儲(chǔ)能電池的性能和應(yīng)用水平。優(yōu)化電池智能化充電方法的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)無(wú)損電池的充電，監(jiān)控電池的放電狀態(tài)，避免過(guò)放電現(xiàn)象，從而達(dá)到延長(zhǎng)電池的使用壽命和節(jié)能的目的。充電智能化的應(yīng)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(jī)、充電站;電池電量的計(jì)算、指導(dǎo)和智能化管理;電池故障的自動(dòng)診斷和維護(hù)技術(shù)等。電動(dòng)汽車(chē)的能耗指標(biāo)與其運(yùn)行能源費(fèi)緊密相關(guān)。降低電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行能耗，提高其經(jīng)濟(jì)性，是推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素之一。對(duì)于充電站，從電能轉(zhuǎn)換效率和建造成本上考慮，應(yīng)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(diǎn)的充電裝置。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(dòng)汽車(chē)能量管理系統(tǒng)集成為一個(gè)整體，集成傳輸晶體管、電流檢測(cè)和反向放電保護(hù)等功能，無(wú)需