電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)與換電技術(shù)淺析＊

吳婧，劉霞

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009）

前言

電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力一直是制約其發(fā)展的重要因素之一，電動(dòng)汽車(chē)的能源供給模式主要以充電和換電為主。近年來(lái)政府相關(guān)部門(mén)和電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)在加速研發(fā)快充、無(wú)線充電等新技術(shù)來(lái)提高電動(dòng)汽車(chē)的充電效率，積極推進(jìn)快充電樁的建設(shè)和普及。與此同時(shí)電動(dòng)汽車(chē)換電技術(shù)也在穩(wěn)步發(fā)展，以北汽和蔚來(lái)為代表的電動(dòng)車(chē)企正在嘗試“電車(chē)分離”的模式，不斷探索發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)換電技術(shù)[1]。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)

目前電動(dòng)汽車(chē)的充電方式主要有常規(guī)充電、快速充電和無(wú)線充電這三種模式。

常規(guī)充電又稱交流慢充，其最大特點(diǎn)就是充電電流較小，一般充電時(shí)間達(dá)到5至8小時(shí)，有的甚至長(zhǎng)達(dá)十幾小時(shí)。常規(guī)充電時(shí)的功率和電流相對(duì)較低，因此常規(guī)充電對(duì)充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施要求不高。另外，常規(guī)充電可以利用夜間電力低谷時(shí)段進(jìn)行充電，合理使用電網(wǎng)資源，同時(shí)能夠提高充電效率并且延長(zhǎng)電池的使用壽命。但是由于充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，難以滿足電動(dòng)汽車(chē)出行的緊急需求，同時(shí)需要在電動(dòng)汽車(chē)較為集中的區(qū)域建造大型充電停車(chē)場(chǎng)，目前已有的充電停車(chē)場(chǎng)在數(shù)量和選址上都無(wú)法滿足日益擴(kuò)大的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)。

快速充電是采用較高功率或者較大電流在短時(shí)間內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電，一般在快充過(guò)程中充電功率在50kW以上。相較于常規(guī)充電，快速充電可以在二十分鐘內(nèi)充電80%以上，盡管如此快充的充電時(shí)長(zhǎng)仍比傳統(tǒng)汽車(chē)的加油時(shí)間長(zhǎng)10倍以上，而且續(xù)航里程僅為200公里左右。即便是充電功率達(dá)到120kW的特斯拉超級(jí)充電樁也需要30分鐘才能為旗下Model3提供320公里的續(xù)航里程，而且在充電過(guò)程中隨著電池荷電狀態(tài)（SOC）逐步提高，充電功率會(huì)逐步下降，無(wú)法始終維持120kW的充電狀態(tài)。目前在快速充電技術(shù)領(lǐng)域中科研人員在研究新一代超快速超快速充電技術(shù)，充電功率達(dá)到350kW～400kW。但是超快速充電技術(shù)仍有許多瓶頸需要攻破，例如電池設(shè)計(jì)、電池模組、箱體設(shè)計(jì)、熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、充電方式設(shè)計(jì)、整車(chē)架構(gòu)和匹配技術(shù)以及電網(wǎng)和基礎(chǔ)設(shè)施改進(jìn)等，快速充電的進(jìn)一步發(fā)展還需依賴于技術(shù)和電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

圖1 常規(guī)充電與快速充電接口

無(wú)線充電模式是將發(fā)射線圈埋入地下，不占據(jù)地上空間且無(wú)外露接口，具有運(yùn)行安全、便捷靈活的特點(diǎn)。無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)、磁場(chǎng)共振和微波無(wú)線這三種方式。

電磁感應(yīng)充電方式的工作原理是通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生交變電流來(lái)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。電磁感應(yīng)充電方式對(duì)電動(dòng)汽車(chē)位置要求較高，因此如何保證電動(dòng)汽車(chē)橫、縱兩個(gè)方向的偏差控制在200mm～300mm范圍內(nèi)是目前無(wú)線充電技術(shù)的重難點(diǎn)。相比于電磁感應(yīng)式，磁場(chǎng)共振在實(shí)際應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的傳輸，磁場(chǎng)共振的充電方式對(duì)線圈位置精準(zhǔn)度要求不是很高，有利于充電的設(shè)備的建立，缺點(diǎn)是損失耗能相對(duì)較大。微波無(wú)線充電技術(shù)傳輸距離可達(dá)1000mm，這種方式一般用于長(zhǎng)距離的定向傳輸，缺點(diǎn)是輸出功率很低，傳輸速度慢，其效率遠(yuǎn)低于電磁感應(yīng)式及磁場(chǎng)共振式的充電效率，所以到目前為止微波充電技術(shù)還未在無(wú)線充電的領(lǐng)域廣泛使用。

目前看來(lái)電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)仍有較多的技術(shù)瓶頸：

（1）相較于傳統(tǒng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)長(zhǎng)和續(xù)航里程是亟待解決的問(wèn)題，大功率充電無(wú)論在電網(wǎng)末端還是在電動(dòng)汽車(chē)端均沒(méi)有形成成熟的技術(shù)方案。

（2）與傳統(tǒng)汽車(chē)在加油站的數(shù)量與規(guī)模等基礎(chǔ)設(shè)施方面的巨大差距是電動(dòng)汽車(chē)必須要克服的瓶頸，需要合理有效地建成充電設(shè)施才能克服對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的里程焦慮。

（3）針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電技術(shù)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)共生生態(tài)，常規(guī)充電、快速充電和無(wú)線充電形成一個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)。

2 電動(dòng)汽車(chē)換電技術(shù)

換電技術(shù)主要是通過(guò)直接更換電池組來(lái)達(dá)到為電動(dòng)汽車(chē)充電的目的。換電技術(shù)有利于提高電池的充電效率，同時(shí)更換下來(lái)的蓄電池可以利用低谷時(shí)段進(jìn)行充電，更加合理地配置了電力資源，提高了車(chē)輛運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)換電站的電池維護(hù)人員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池組中存在的各類(lèi)問(wèn)題，提高電池的使用壽命[2]。

純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力布置電池時(shí)在不影響駕駛艙和行李艙的前提下需考慮電池組能否快速方便地拆裝以及電池周?chē)Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足夠。動(dòng)力電池的布置關(guān)鍵在車(chē)身構(gòu)架的設(shè)計(jì)，車(chē)身結(jié)構(gòu)要滿足多方面的需求：要盡量給電池布置挪讓空間，是否具備足夠的剛度來(lái)承受多種載荷等。因而動(dòng)力電池布置的主要區(qū)域主要在前艙、前后地板下方位置[3]。

電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)相比變化最大的就是前艙，取消了原來(lái)的動(dòng)力總成、發(fā)電機(jī)、空濾、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等，增加了電機(jī)控制器、高壓配電盒、充電機(jī)、DC/DC變化器等。利用前艙布置電池的優(yōu)勢(shì)是車(chē)體底盤(pán)改變較小，劣勢(shì)是前艙空間緊湊[4]。

圖2 前艙電池布置（俯視）

在前地板區(qū)域，可以利用中通道鼓包和座椅下方的空間布置內(nèi)置電池。按這種方式布置電池對(duì)地板的成形性和剛度要求較高，或?qū)㈦姵叵潴w與車(chē)體作一體化設(shè)計(jì)，以提高車(chē)體剛度。純電動(dòng)汽車(chē)相較于傳統(tǒng)車(chē)對(duì)于車(chē)身架構(gòu)的改變主要有以下幾種：車(chē)架方向往車(chē)外擴(kuò)展增加電池的空間；加高車(chē)架，提高車(chē)身縱向剛度和電池的承載能力；前后地板上凸，增加電池安裝空間。對(duì)于換電技術(shù)而言，底盤(pán)換電是較為方便快捷的換電方式，也就是將電池組布置在前地板，通過(guò)螺栓可以快速更換與車(chē)身相連的電池組。

目前電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)設(shè)計(jì)以及電池包的型號(hào)規(guī)格和安裝位置都沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]。各廠商在開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)時(shí)會(huì)最大限度增加電池體積從而導(dǎo)致電池組外部形態(tài)完全不同，同時(shí)電池包的安裝位置和接口標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，這給電動(dòng)汽車(chē)換電模式的推廣帶來(lái)了挑戰(zhàn)。目前的換電模式通常只能在同一車(chē)型下實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致?lián)Q電站的建設(shè)成本過(guò)高難以發(fā)展推廣[6]。因此需要有統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范電動(dòng)汽車(chē)的總體設(shè)計(jì)、電池包規(guī)格及安裝位置和電池的插接裝置等，來(lái)進(jìn)一步推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)換電模式的發(fā)展[7]。

圖3 地板電池布置

3 總結(jié)

充電和換電都是電動(dòng)汽車(chē)的能源補(bǔ)充方式，各有各的優(yōu)勢(shì)，從當(dāng)前來(lái)看這兩種模式在技術(shù)上都有還未突破的瓶頸。電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展需要汽車(chē)產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，同時(shí)鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)新型充電和換電技術(shù)，探索電車(chē)分離的模式應(yīng)用來(lái)滿足不同市場(chǎng)的需要。