純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及其充電技術(shù)初探

侯慶紅，陳金華，高青，付貽偉

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176；2.北京電子科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 100176）

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及其充電技術(shù)初探

侯慶紅1，陳金華1，高青2，付貽偉1

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176；2.北京電子科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 100176）

隨著人們對(duì)生存環(huán)境的關(guān)注度的增加，汽車尾氣排放的污染越來越受到大家的重視，新能源車尤其是純電動(dòng)汽車的發(fā)展勢(shì)必會(huì)很好地解決這一問題，但是由于純電動(dòng)汽車的一些問題瓶頸還沒有被打破，例如快速充電的問題，使得它的發(fā)展并不能有一個(gè)飛躍，文章試圖對(duì)此問題作一個(gè)初步的分析與探討，希望能夠拋磚引玉，進(jìn)而解決這個(gè)由來已久的問題。

電動(dòng)汽車；快速充電；動(dòng)力電池

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-07-03

引言

汽車產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的主要支柱型產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常重要的作用。但是，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量的不斷增加，能源和環(huán)境污染的問題凸現(xiàn)了出來。為了解決這些問題，新能源車出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中。尤其電動(dòng)汽車，以其零排放和低噪音的優(yōu)點(diǎn)成為新能源車發(fā)展的重要趨勢(shì)。但是，由于電動(dòng)汽車的開發(fā)還存在著諸如：動(dòng)力電池的成本，電池的充電速度等尚待解決的問題，使電動(dòng)汽車還不能完全替代燃油汽車成為汽車行業(yè)的主流，在這里我們先來分析一下構(gòu)成這些問題的原因，并進(jìn)一步探討一下解決的辦法，希望能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車的發(fā)展有所幫助。

1、對(duì)于電池的要求

純電動(dòng)汽車是由二次能源電池作為動(dòng)力源，由電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輪完成行駛的車輛。其驅(qū)動(dòng)過程如圖1所示。它省去了發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、變速器等多個(gè)系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)成本，最重要的是減少了環(huán)境污染。

作為純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)就是“三電”，即電池系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)。就目前來講，電動(dòng)機(jī)與電氣控制這兩大主要環(huán)節(jié)已可以滿足作為汽車這一交通工具的各項(xiàng)要求，唯獨(dú)需要突破的就是“電池”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 純電動(dòng)汽車的基本驅(qū)動(dòng)過程

首先，我們來看看汽車對(duì)于動(dòng)力電池的要求有哪些。動(dòng)力蓄電池一般是指具有較高的容量及輸出功率，用于車輛等大型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電源。用于衡量動(dòng)力電池的指標(biāo)有：比能量、比功率、能量密度、功率密度及快速充電性能等等[1]。比能量又稱為質(zhì)量比能量，單位為瓦時(shí)/千克，它標(biāo)志著一次充電能行駛的里程，即每千克電池能提供的能量，這個(gè)值我們當(dāng)然希望它越大越好。比功率又稱質(zhì)量比功率，單位瓦/千克，即每千克質(zhì)量的電池能提供多大馬力，它的大小標(biāo)志著車輛的起動(dòng)加速性能，最高車速，爬坡性能。能量密度又稱體積比能量，單位瓦時(shí)/升，即每升容積的電池能提供多少能量，它決定著蓄電池所占車內(nèi)空間的大小。功率密度稱為體積比功率，單位瓦/升，代表單位體積的電池提供的馬力大小，也標(biāo)志著電池所占空間的大小?？焖俪潆娦阅芊謩e用充滿電池的50%、80%、100%所用的時(shí)間表示。除此之外，車用動(dòng)力電池還必須滿足：高安全性能，相對(duì)穩(wěn)定壽命長，免維護(hù)，價(jià)格成本低等要求。

目前，應(yīng)用于汽車的動(dòng)力電池有：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器等。比較幾種電池的性能，各具優(yōu)缺點(diǎn)，鉛酸電池技術(shù)成熟，可靠性強(qiáng)，成本低，但壽命短，自放電率高；鋰離子電池有著較好的性能指標(biāo)，但價(jià)格成本很高。這些電池各具特點(diǎn)共同占有動(dòng)力電池的市場(chǎng)，在此我們不做過多的方析，重點(diǎn)探討一下阻礙純電動(dòng)汽車大幅度發(fā)展的快速充電問題。

2、充電方式

當(dāng)前電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電方法有以下幾種：恒流充電、恒壓充電、階段充電、脈沖充電、和智能充電[2]。這幾種充電方式各具利弊，這里就不一一贅述了，其中的智能充電是可以對(duì)電池的充電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)地跟蹤監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)到的電流電壓情況調(diào)整充電電流及電壓，達(dá)到最佳的充電效果。

表1 幾種充電模式的比較

盡管充電的效果良好，但是充電的速度還是不能像給汽車加油一樣迅速，從而制約了電動(dòng)汽車的大規(guī)模發(fā)展。目前的純電動(dòng)汽車的充電方式分為三種：普通充電、快速充電和更換電池如表1所示。

普通充電：一般采用220V或380V的交流電作為充電電源，充電時(shí)間要持續(xù)8個(gè)小時(shí)以上。由于充電時(shí)間比較長，主要在晚間進(jìn)行，利用用電波谷，既有效地避開來用電高峰，而且價(jià)格便宜。既節(jié)省了充電成本，也不影響車輛白天的運(yùn)行。雖然充電設(shè)備的安裝成本較低，但是一次充電的用時(shí)較長，而且長時(shí)間占用充電設(shè)備，使得充電站建設(shè)用地土地資源緊張，充電的便捷性受到影響。只適用于家庭及有固定車位的停車場(chǎng)安裝。如圖2所示。

圖2 普通充電模式

快速充電：多為直流充電，是將380V的三相交流電[5]先變換為大電流的直流電，再對(duì)車輛進(jìn)行充電，用時(shí)10-30分鐘左右，可以在十幾分鐘內(nèi)充滿電池的70%-80%，它的充電功率較大，需要幾十千瓦到上百千瓦，雖然充電迅速，但是會(huì)對(duì)電池的使用壽命造成一定的影響，還會(huì)引起公共電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，而且對(duì)于充電的可靠性和安全性都要求較高。這種充電模式比較適合安裝在加油站、服務(wù)區(qū)及專用充電站內(nèi),建立所謂的公共超級(jí)充電樁[3]。

圖3 快速充電方式

更換電池：這種方法是將成組的電池進(jìn)行快速更換，用已經(jīng)充滿電的電池?fù)Q下電動(dòng)汽車上需要充電的動(dòng)力電池，并將換下的電池放到電池更換站的充電架上自行充電，以備它車使用?？雌饋磉@種方法似乎更直接可行，首先這種方法比較迅速，僅相當(dāng)于燃油車的加油時(shí)間，其次，在更換的過程中可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)單個(gè)電池的問題，及時(shí)維修并可以延長電池的使用壽命。但是，這種模式對(duì)于電池的標(biāo)準(zhǔn)化要求較高，充電站的建設(shè)成本也比較高，電池的流通管理成本也高，適用于公共交通車輛，出租車輛及大型的集團(tuán)企業(yè)應(yīng)用。

除此之外，還有一種充電方式是便攜流動(dòng)式充電車，這種充電車作為移動(dòng)的充電站[5]來給在行駛過程中電能消耗殆盡的電動(dòng)汽車提供應(yīng)急救援。

圖4 換電池充電方式

由此我們看出充電設(shè)施的建設(shè)是純電動(dòng)汽車成規(guī)?；l(fā)展的至關(guān)重要的因素，正因如此，世界各國都在利用各種方法推動(dòng)充電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以美國為例，奧巴馬總統(tǒng)就曾明確表示過要投入4億美元支持充電站的建設(shè)；英國為了改善城市環(huán)境，在倫敦免費(fèi)為公眾提供充電站；我國到2020年建設(shè)充電站的總投入將達(dá)到320億元。盡管投入這么多，最終在不同充電模式的配比上還是要有一個(gè)科學(xué)的認(rèn)證的。

3、結(jié)論

基于純電動(dòng)汽車充電模式的現(xiàn)狀，我們可以提出以下設(shè)想：

目前的充電模式可以采用幾種模式并用的方式，即幾種模式根據(jù)不同的條件和場(chǎng)合進(jìn)行選擇和補(bǔ)充。

①在土地資源充足的地方建立普通充電裝置，如家庭單位有固定車位的地方，高速服務(wù)區(qū)內(nèi)也可以適當(dāng)建設(shè)；

②快速充電作為應(yīng)急充電方式，提供給有時(shí)間需求的車輛，也可以建在大型停車場(chǎng)，及高速服務(wù)區(qū)；

③對(duì)于比較迅捷的更換電池模式，可以在條件允許的場(chǎng)合適當(dāng)發(fā)展，解決辦法是類似于租車一樣，進(jìn)行電池的租用，異地更換也就不成問題了；

④還可以把光伏技術(shù)應(yīng)用于汽車表面，做到在車輛行駛的過程中隨用隨充，這豈不是更加快捷便利。

總之，隨著高新科技的不斷發(fā)展，純電動(dòng)汽車的快速充電問題終將會(huì)得到很好的解決，那時(shí)候天更藍(lán)，水更清，我們的生存環(huán)境也會(huì)越來越美好。

[1] 馬銀山.電動(dòng)汽車充電技術(shù)及運(yùn)營知識(shí)問答[J].2012(1):79-81.

[2] 許曉慧,徐石明. 電動(dòng)汽車及充換電技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2012. 11.

[3] 謝靖飛,謝澤川, 郭一祺等.特斯拉電源管理系統(tǒng)和快速充電技術(shù)的研究綜述[J]東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào),2016,23(3),83-89.

[4] 孟偉,張露.淺談電動(dòng)汽車充電技術(shù)[J].汽車電器15(6), 1-4.

[5] 王剛,周榮,喬維高.電動(dòng)汽車充電技術(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2008(6),7-9.

Preliminary study on power battery and charging technology of pure electric vehicle

Hou Qinghong1, Chen Jinhua1, Gao Ging2, Fu Yiwei1
（1.Bejing Polytechnic Automobile Engineering School, Beijing 100176; 2.College of Mechanical Engineering, Bejing Polytechnic, Beijing 100176）

A With the increasing attention to the living environment of the people, the pollution of vehicle exhaust emissions are getting more attention, especially the development of new energy vehicles, pure electric vehicles will be a good solution to this problem, but due to the bottleneck problems of pure electric vehicles has not been broken, such as the problem of fast charging, the it does not have a leap of development, this paper attempts to make a preliminary analysis and Discussion on this issue, hoping to attract, and then solve the long-standing problems.

electric vehicle; Fast charge; Power battery

U469.7

A

A1671-7988 (2017)01-07-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.004

侯慶紅（1969-），女，講師，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院。主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半姎鈧鲃?dòng)。