我國電動(dòng)汽車充電技術(shù)發(fā)展趨勢探析

曾慶捷

（山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

汽車工業(yè)的發(fā)展方便了人類生活，其尾氣排放對環(huán)境造成的影響也越來越被人們所重視，清潔替代是能源利用發(fā)展的方向。由于電動(dòng)汽車的污染物排放和噪聲低，且能源利用率較高，因此我國支持和鼓勵(lì)電動(dòng)汽車的發(fā)展。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展及其應(yīng)用量的增加，出現(xiàn)了車與充電樁不匹配、充電排隊(duì)時(shí)間長、充電樁利用率不高、充電運(yùn)營商盈利難、重復(fù)建設(shè)等一系列問題[1]。在國家政策支持下，電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)取得了重大突破，但要推動(dòng)電動(dòng)汽車普及，除突破其本體技術(shù)并統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)外，高效的汽車充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是主動(dòng)、積極、系統(tǒng)地推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵[2]。本文結(jié)合我國現(xiàn)有電動(dòng)汽車充電技術(shù)，探索電動(dòng)汽車未來充電技術(shù)發(fā)展的趨勢。

1 常用電動(dòng)汽車充電技術(shù)及存在的問題

電動(dòng)汽車常用的充電技術(shù)有感應(yīng)式無線充電技術(shù)、傳導(dǎo)式充電樁技術(shù)、換電技術(shù)等。

1.1 感應(yīng)式無線充電技術(shù)

感應(yīng)式無線充電是利用交變電磁場的電磁感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸[3]。如圖1 所示，通過發(fā)射線圈與接收線圈間的交變磁場實(shí)現(xiàn)電能的傳輸，再經(jīng)逆變器和控制單元完成對電動(dòng)車充電。其特點(diǎn)是不需充電線，硬件方面的標(biāo)準(zhǔn)較易統(tǒng)一。由于電力傳輸與距離的平方成反比關(guān)系，故隨著距離的增加電力傳輸效率迅速下降。無線充電技術(shù)還需要解決的瓶頸是電磁相容問題，雖然采用封閉的智慧車庫是解決電磁相容問題較好的途徑，但高昂的成本可能會限制其應(yīng)用。另外，采用該充電方式，發(fā)射線圈與接收線圈都要精準(zhǔn)定位，它們錯(cuò)開幾毫米都會影響感應(yīng)的發(fā)生。

圖1 無線充電示意圖

1.2 傳導(dǎo)式充電技術(shù)

傳導(dǎo)式充電技術(shù)通過電纜將充電設(shè)施與電動(dòng)汽車相連，利用電傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)為電動(dòng)汽車充電[4]。傳導(dǎo)式充電一般由充電模塊、計(jì)量模塊、控制與繳費(fèi)模塊構(gòu)成，如圖2 所示。采用該技術(shù)進(jìn)行電動(dòng)汽車充電需要解決的問題如下：充電接口、充電參數(shù)、收費(fèi)計(jì)量等標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，充電樁或充電站合理分布，充電安全等。

圖2 傳導(dǎo)式充電示意圖

1.3 換電技術(shù)

換電技術(shù)即把車上“無”電的電池?fù)Q下來去充電，充好電的電池?fù)Q到車上。換電技術(shù)可以節(jié)約充電時(shí)間，但須有專門提供換電服務(wù)的充電站或充電廠，且需要解決車載電池標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、換電服務(wù)成本核算、換電后系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)等問題。

2 國外電動(dòng)車及其充電技術(shù)概況

19 世紀(jì)中期國外出現(xiàn)了純電動(dòng)汽車，20 世紀(jì)初由于充電的不便性及燃油汽車批量生產(chǎn)技術(shù)的提高，純電動(dòng)汽車便退出了市場。20 世紀(jì)60 年代，由于環(huán)境問題和石油危機(jī)的出現(xiàn)，純電動(dòng)汽車又被重新重視。由于電池技術(shù)和續(xù)航里程等問題，20 世紀(jì)90 年代國外汽車商開發(fā)了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。

在西方國家由于政府對燃油車的限制以及越來越嚴(yán)格的燃油排放標(biāo)準(zhǔn)，其汽車企業(yè)投入巨大資金用于電動(dòng)汽車及相關(guān)充電技術(shù)的研究。歐美和日本等國家在商場、停車場、居民區(qū)、政府大樓等區(qū)域建設(shè)各自的電動(dòng)汽車充電設(shè)施，主要以充電樁為主。在美國，市民可用手機(jī)下載App 來尋找附近空閑的充電樁，通過購買充電樁，秒變“樁東”；在英國，國家加速國內(nèi)的充電樁布局并發(fā)展電動(dòng)車無線充電技術(shù)；在德國，政府和車企共同投資擴(kuò)建充電基礎(chǔ)設(shè)施，其中1/3 為高壓充電樁，要求0.5 h 內(nèi)必須讓電動(dòng)車充滿80%的電來縮短充電時(shí)間，且使用具有歐洲標(biāo)準(zhǔn)的連接器；在日本，充電樁形成了每隔30 km 的覆蓋量，本土大車企與日本政策投資銀行共同成立了“日本充電服務(wù)”公司，主動(dòng)擔(dān)當(dāng)起充電樁的安裝成本和8 年的免費(fèi)保修任務(wù)。

3 我國電動(dòng)汽車充電技術(shù)發(fā)展趨勢

電動(dòng)汽車充電技術(shù)的發(fā)展要充分考慮安全和便捷，使電動(dòng)汽車的車主享受到技術(shù)發(fā)展帶來的實(shí)惠。

3.1 諧振無線充電

依據(jù)電磁諧振原理[5]，在發(fā)送端和接收端頻率相同的諧振線圈可實(shí)現(xiàn)能量從發(fā)射線圈到接收線圈的傳輸。諧振的兩個(gè)線圈耦合是松散的，只要調(diào)整到同一頻率，即可通過共振傳輸能量。諧振無線充電的充電距離比感應(yīng)式遠(yuǎn)，在電動(dòng)汽車和一些工業(yè)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

3.2 大功率充電樁

電動(dòng)汽車獲得了較快發(fā)展，已在公交、出租、物流和共享汽車等領(lǐng)域開始應(yīng)用并呈增長趨勢，但公共充電樁少、動(dòng)力電池續(xù)航里程低、充電時(shí)間長仍是電動(dòng)汽車發(fā)展的制約因素。提高續(xù)航里程就要增加動(dòng)力電池的容量，并提高動(dòng)力電池的電壓；縮短充電時(shí)間可在動(dòng)力電池允許的條件下將充電電壓升到1 000 V，且把充電電流升到350 A。為此，需建設(shè)大功率充電樁，將電動(dòng)汽車直流充電系統(tǒng)額定值提高至1 000 V/350 A[6-7]。開發(fā)大功率充電樁的途徑：一是開發(fā)大功率充電模塊。單個(gè)充電模塊容量越大，則構(gòu)成一臺大功率充電樁所需并聯(lián)的充電模塊越少，模塊間的均流和控制越穩(wěn)定可靠。二是加大電纜截面，提高載流能力。三是進(jìn)一步優(yōu)化熱管理技術(shù)，以提高充電樁的可用性。

3.3 配合新能源發(fā)電

新能源發(fā)電有環(huán)保優(yōu)勢，也具有隨機(jī)、波動(dòng)和不可控等特點(diǎn)。如果能將充電設(shè)施與新能源發(fā)電集成接入電力系統(tǒng)，既能減小新能源接入對電力系統(tǒng)的不良影響，又能削弱充電設(shè)施給電力系統(tǒng)帶來的壓力[8]。同時(shí)，電動(dòng)汽車可作為一種靈活負(fù)荷和儲能設(shè)施，可以為新能源大規(guī)模進(jìn)入能源系統(tǒng)起并網(wǎng)消納作用，也可以向一些商業(yè)區(qū)域、微電網(wǎng)、小微電網(wǎng)輸電，參與平衡局部的電網(wǎng)。

3.4 集中和分散布置充電樁

目前國內(nèi)動(dòng)力電池以三元鋰和磷酸鐵鋰為主，其每次使用放電的深度越小，電池的壽命越長，最佳的充電電量在20%～90%區(qū)間。動(dòng)力電池充電過程是一個(gè)電化學(xué)過程，過充或過放均會導(dǎo)致整個(gè)電池失效。在充電站或充電樁布置方面應(yīng)參照加油站模式，首先建設(shè)集中式充電站，其次在對市場充分調(diào)研的基礎(chǔ)上建設(shè)分散式充電樁，方便電動(dòng)汽車用戶能在最佳充電區(qū)間完成充電，以確保動(dòng)力電池的使用壽命。

3.5 充電的廣泛性和智能化

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定和推行，動(dòng)力電池系統(tǒng)和電壓等級也將逐步規(guī)范。同時(shí)公共充電裝置也將規(guī)范與電動(dòng)汽車的充電接口和接口協(xié)議等。作為電動(dòng)汽車運(yùn)行的能量補(bǔ)給，充電系統(tǒng)應(yīng)具備充電的廣泛性，能夠?qū)崿F(xiàn)多類型動(dòng)力電池的充電控制算法，與不同類型動(dòng)力電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)充電特性匹配，完成充電服務(wù)。未來的充電服務(wù)將是智能的，作為電能從電網(wǎng)傳輸?shù)诫妱?dòng)汽車的“中轉(zhuǎn)站”[9]，智能充電網(wǎng)能夠監(jiān)測動(dòng)力電池的放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無損充電，避免動(dòng)力電池的過放或過充；優(yōu)化智能充電技術(shù)，對動(dòng)力電池故障自動(dòng)診斷和維護(hù)；對電量智能化管理，實(shí)現(xiàn)即插即充、無感支付等。

3.6 規(guī)范統(tǒng)一交易結(jié)算模式

能耗是電動(dòng)汽車的重要指標(biāo)，一方面是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗指標(biāo)，另一方面是電動(dòng)汽車從電網(wǎng)獲取電能的利用率。前者取決于電動(dòng)汽車本身特性，后者與充電裝置的電能轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。因此，采用高效充電裝置，對降低電動(dòng)汽車能耗具有重要意義[10]。低能耗意味著低的使用成本，用能結(jié)算模式統(tǒng)一也是未來發(fā)展的方向。無論是充電模式還是換電模式，應(yīng)通過系統(tǒng)集成構(gòu)建充電樁或動(dòng)力電池與用戶之間規(guī)范化、可信賴的充電交易模式，減少不同廠家充換電產(chǎn)品差異性，提高充換電系統(tǒng)穩(wěn)定性，建立統(tǒng)一規(guī)范的交易結(jié)算模式，提高電動(dòng)汽車充換電操作的便利性與交易的安全性。

4 結(jié)束語

電動(dòng)汽車未來發(fā)展要解決續(xù)航里程、運(yùn)行成本、充電時(shí)間、電力供應(yīng)、電池廢料處理等5 個(gè)問題，而電動(dòng)汽車充電技術(shù)與其中4 個(gè)有關(guān)。隨著5G 通信技術(shù)的推廣應(yīng)用，在電動(dòng)汽車與智能電網(wǎng)雙重推動(dòng)下，有關(guān)充換電裝置的配電容量、服務(wù)能力、投資和運(yùn)營等將獲得新突破，與之配套的建設(shè)也將緊跟其后，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也將日趨完善。