淺析電動(dòng)汽車供電技術(shù)的研究及發(fā)展

盛毛毛

摘要：隨著能源問題越來越嚴(yán)重，節(jié)能減排成為各國發(fā)展的重要工作。在這樣的環(huán)境下，電動(dòng)汽車在汽車市場(chǎng)上表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ环矫嬗兄诠?jié)約能源，另一方面降低了對(duì)自然環(huán)境的污染。所以，更多的人開始使用電動(dòng)汽車來取代傳統(tǒng)轎車。但是純電動(dòng)汽車的發(fā)展仍然受到一定技術(shù)限制，其主要原因是人們擔(dān)心純電動(dòng)汽車在行駛的中途沒電。文章中對(duì)電動(dòng)汽車的供電技術(shù)做出了細(xì)致地剖析，讓消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車更加信任。

Abstract： With the increasingly serious energy problem， energy conservation and emission reduction has become an important work for the development of all countries. In such an environment， electric vehicles show great development potential in the automobile market. On the one hand， it helps to save energy， on the other hand， it reduces the pollution to the natural environment. Therefore， more people began to use electric cars to replace traditional cars. However， the development of pure electric vehicles is still subject to certain technical restrictions. The main reason is that people are worried that pure electric vehicles have no power in the middle of driving. This paper makes a detailed analysis of the power supply technology of electric vehicles to make consumers trust electric vehicles more.

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;供電技術(shù);研究及發(fā)展

Key words： electric vehicle;power supply technology;research and development

中圖分類號(hào)：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0190-03

0 ?引言

在汽車資源嚴(yán)重短缺、能源消耗巨大而且環(huán)境污染嚴(yán)峻的今天，響應(yīng)政府節(jié)能減排政策的電動(dòng)汽車正更多的受到人們的重視。經(jīng)過調(diào)查研究，對(duì)電動(dòng)汽車供電關(guān)鍵技術(shù)做出了解析，并希望給提出電動(dòng)汽車發(fā)展策略的有關(guān)人士帶來相應(yīng)的理論依據(jù)。在資源越來越短缺的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是保障我國各產(chǎn)業(yè)可繼續(xù)健康發(fā)展的必要措施。電動(dòng)汽車成為新能源汽車不但有利于節(jié)省電能，同時(shí)也有利于降低對(duì)周圍環(huán)境的空氣污染。所以，更多的人開始使用電動(dòng)轎車來取代傳統(tǒng)轎車。不過仍存在部分人抗拒選購純電動(dòng)汽車，其主要原因是擔(dān)憂純電動(dòng)汽車在行駛途中沒供電。電車擁有著清潔、高效和可繼續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)，是中國當(dāng)前正在大力發(fā)展的新型戰(zhàn)略產(chǎn)品。而電動(dòng)汽車充電站供電系統(tǒng)則為電車行駛增加了電力供給，是電車的關(guān)鍵基本保障體系。充電站的供電系統(tǒng)方法主要包括交流供電系統(tǒng)和直流母線供電系統(tǒng)二類方法。直流母線連接供電的充電站中，充滿機(jī)取消了單純的整流設(shè)備，而是垂直接到三相交流電或經(jīng)過整流后再引用的直流母線連接上。對(duì)于改善電車供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性、減少設(shè)備投入，有著很大的使用價(jià)值和良好的使用發(fā)展前景。所以有必要深入研究直流供電系統(tǒng)的基本構(gòu)造，為建立投入現(xiàn)實(shí)使用的電動(dòng)汽車充電站直流系統(tǒng)打下了基石。文章也對(duì)電動(dòng)汽車的供電技術(shù)做出了更細(xì)致地剖析，讓消費(fèi)者們對(duì)電動(dòng)轎車更加信任。

1 ?電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

能源危機(jī)與污染問題是當(dāng)今世界各國共同存在的二大問題。電動(dòng)汽車由于擁有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，已成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。但眾所周知，汽車動(dòng)力電池技術(shù)不僅是制約電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸，而且是電動(dòng)汽車產(chǎn)品價(jià)格高企的關(guān)鍵因素，其生產(chǎn)成本約占汽車整機(jī)成本的百分之三十至百分之五十。所以，電力BMS的性能對(duì)于電動(dòng)汽車的利用成本、節(jié)能與安全都有著十分關(guān)鍵的重要性。BMS監(jiān)視燃料電池壓力、充放電電流和電池組的工作環(huán)境溫度，并預(yù)測(cè)燃料電池SOC，以調(diào)節(jié)電池充放電平衡，對(duì)燃料電池組實(shí)施熱管理，并能與車內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)和充電器通信，以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化充電。從而使電池達(dá)到良好工作狀態(tài)，并發(fā)揮電池的最大功效，從而延長了電池的使用壽命。作為電動(dòng)汽車最重要的部分之一，BMS近年來進(jìn)行了較大的提升，但在采集數(shù)據(jù)的安全性、SOC計(jì)算準(zhǔn)確度、均衡技術(shù)以及安全管理機(jī)制等方面還需更加完善。充電站是電動(dòng)汽車的主要配套服務(wù)設(shè)施，其建立和發(fā)展的水平對(duì)電動(dòng)汽車規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程至關(guān)重要。但不同于其他散亂布設(shè)的充電設(shè)備，充電樁的建設(shè)運(yùn)營更受限于使用者充電行為習(xí)慣等各種因素，所以，高功率的快速充電方式也比較適宜于這種集中式充電場(chǎng)所。相對(duì)于交流電源方式的充電站，直流式快速充電站由于擁有能量轉(zhuǎn)換等級(jí)較低，方便將光伏與儲(chǔ)能的直流型分布式電源連接等優(yōu)點(diǎn)，成了人們近年來的關(guān)注熱點(diǎn)。

電動(dòng)汽車以電能代替燃油，清潔環(huán)保無排放，是實(shí)現(xiàn)清潔替代、緩解能源危機(jī)的重要環(huán)節(jié)。

“十四五”時(shí)期，我國政府制定了電動(dòng)車等重要研發(fā)專項(xiàng)，并積極推動(dòng)BMS研究與工程應(yīng)用，已獲得了許多研究成果與技術(shù)重大突破，與國外的技術(shù)水平基本相近。而目前，部分院校正憑借自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與部分主要車輛生產(chǎn)商與汽車力量電池提供商，共同進(jìn)行了如下研究項(xiàng)目：①提高汽車燃料電池動(dòng)態(tài)基本參數(shù)收集的穩(wěn)定能力與準(zhǔn)確度;②汽車力量燃料電池SOC測(cè)量;③力量燃料電池模型研究;④汽車動(dòng)力電池組的平衡管理研究;⑤通過can與充電模塊通訊，以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化充電;⑥汽車力量燃料電池包裝桶的空氣與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，和合理的空氣散熱管理;⑦動(dòng)力電池故障分析和在線報(bào)警，以及BMS的自檢和管理。

2 ?電動(dòng)汽車的供電技術(shù)

當(dāng)前電動(dòng)汽車普遍使用傳導(dǎo)充電、無線充電或者換電的技術(shù)。傳導(dǎo)式充電技術(shù)是指應(yīng)用電流傳輸原理，并利用電纜為基礎(chǔ)電動(dòng)汽車輸送電量。無線充電技術(shù)不需要借助電纜，實(shí)現(xiàn)了非接觸。換電顧名思義，用滿電的電池更換電能耗盡的舊電池。相比于其他兩種技術(shù)，無線充電技術(shù)以其非接觸的特性在市場(chǎng)上廣受好評(píng)，因此，本文將主要介紹無線充電技術(shù)。當(dāng)前，無線充電技術(shù)主要有兩個(gè)發(fā)展方向，其一，利用傳統(tǒng)電磁感應(yīng)原理;其二，利用各種創(chuàng)新技術(shù)，例如射頻輸電、光輸電、微波傳播和強(qiáng)共振電磁耦合應(yīng)用技術(shù)，等等。電磁感應(yīng)技術(shù)的缺點(diǎn)，就是在使用期間對(duì)其他車輛的電子設(shè)備形成影響，進(jìn)而影響其他車輛的性能。也正是因?yàn)榇?，電磁感?yīng)技術(shù)當(dāng)前在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中的發(fā)展受阻。

目前，市場(chǎng)上被認(rèn)可度更高的技術(shù)是微波傳輸技術(shù)和強(qiáng)耦合磁共振技術(shù)。其他技術(shù)都或多或少受到影響，比如，射頻技術(shù)在充電方面存在不足，光輸電經(jīng)常會(huì)受到物理原因的限制。

3 ?電動(dòng)汽車供電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 電動(dòng)汽車供電技術(shù)在國外的應(yīng)用現(xiàn)狀

國際上傳導(dǎo)充電還沒有形成比較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，各個(gè)國家的電動(dòng)汽車在出口方面受到一定限制，國際電動(dòng)汽車市場(chǎng)尚未發(fā)展起來。盡管傳統(tǒng)傳導(dǎo)充電技術(shù)操作簡(jiǎn)單，發(fā)展比較成熟，但是如何解決充電問題還有待進(jìn)一步探討。傳統(tǒng)傳導(dǎo)式充電技術(shù)，一般需要等待很漫長的時(shí)間，而頻繁地使用快速充電會(huì)導(dǎo)致電池壽命減少。因?yàn)殡姵卮嬖趽p耗，有壽命周期，超出使用壽命的電池必須立即加以替換。美國的Better Place公司最先研發(fā)出了電池的自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)電池的電量，并自動(dòng)更換，不需要人為操作。所更換下的電池會(huì)被輸送到儲(chǔ)存庫中，等待充電。當(dāng)前，很多國家都正在大力建設(shè)換電站，例如，美國、歐洲、澳大利亞以及我國，都已經(jīng)建成了大量換電站。

3.2 國內(nèi)應(yīng)用電動(dòng)汽車供電技術(shù)的現(xiàn)狀

我國在傳導(dǎo)供電方面有一個(gè)相對(duì)完整的標(biāo)準(zhǔn)，許多地方都做出了一些創(chuàng)新。九端子交流無線充電接頭的控制引導(dǎo)電路的功能相比較于原來的控制引導(dǎo)電路，對(duì)車輛的操控更為精確、全方位，且可以比較全方位地維護(hù)電動(dòng)車輛。目前的九端子直流充電接口可以在對(duì)接地端子實(shí)施維護(hù)時(shí)先將其余端子完成接通之后再切斷。另外，九端子直流充電系統(tǒng)還能夠通過合理運(yùn)用的充電操作邏輯更加精確地操作電動(dòng)汽車，車主使用插拔接口時(shí)，接口還能夠自動(dòng)地把所有負(fù)載都斷開，進(jìn)而使得操作更加安全。當(dāng)前，我國目前在電池更換項(xiàng)目也有一定創(chuàng)新性的研究成果。經(jīng)過部署后，我國當(dāng)前已設(shè)置了多個(gè)換電站、電池充電點(diǎn)。換電站和電池充電站的建設(shè)使得電動(dòng)汽車行業(yè)有了一定的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家必須按照固定的充電標(biāo)準(zhǔn)、電池型號(hào)來生產(chǎn)電池，這也推動(dòng)了電動(dòng)汽車“裸車”市場(chǎng)的發(fā)展。

4 ?電動(dòng)汽車供電技術(shù)中存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，電動(dòng)車供電技術(shù)所面臨的問題主要表現(xiàn)在如下五個(gè)方面。其一，供電設(shè)施如何提供安全保護(hù)。當(dāng)前，充電裝置故障管理與保護(hù)不健全。其二，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配等環(huán)節(jié)均有所不足，主要體現(xiàn)在為主控制模塊死機(jī)、BMS系統(tǒng)缺乏主控模組的特殊防護(hù)機(jī)理、充電裝置沒有主動(dòng)防護(hù)機(jī)理以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中沒有對(duì)應(yīng)的判斷告警機(jī)理。其三，電池和充電器的品質(zhì)問題。因此，如果BMS系統(tǒng)發(fā)布了充值暫停的命令，則充電機(jī)無法及時(shí)停止，從而導(dǎo)致過充。其四，充電樁材質(zhì)、密封工藝也達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，導(dǎo)致充槍拉弧、起火，乃至自爆。其五，收費(fèi)計(jì)量并無檢驗(yàn)規(guī)定。尚無人對(duì)收費(fèi)平臺(tái)開展過定期標(biāo)定和測(cè)試。當(dāng)前，充電站的計(jì)費(fèi)管理不規(guī)范，公共充電站、充電樁還有部分私人充電樁，都沒有實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)的收費(fèi)管理。

當(dāng)前，傳導(dǎo)導(dǎo)電和換電的技術(shù)已發(fā)展得比較完善，但無線電源技術(shù)還處在研究與發(fā)展初級(jí)的階段。國家關(guān)于傳導(dǎo)導(dǎo)電技術(shù)制定了許多規(guī)范，對(duì)傳導(dǎo)導(dǎo)電技術(shù)也做出了規(guī)范。但由于制造充電裝置的公司相對(duì)零散，所以接下來還需要進(jìn)一步做好規(guī)劃，將充電設(shè)備、換電供給電能點(diǎn)的布局設(shè)計(jì)得更加合理。根據(jù)調(diào)查研究，外形為柜式的柱狀，并且同時(shí)提供了常規(guī)充電與快速充電功能，充電機(jī)應(yīng)用范圍也比較廣闊。不過因?yàn)檫@個(gè)充電機(jī)的建設(shè)與投資成本都相當(dāng)大，所以現(xiàn)在在中國有些比較大的充電場(chǎng)所有這樣的充電機(jī)。墻體式充電插座的應(yīng)用范圍較為廣泛，而且這種充電點(diǎn)的建造投資成本也相對(duì)小，不過有電功率限制，因此較為適宜于在家中獨(dú)立停車庫和學(xué)校等小區(qū)域應(yīng)用。電池更換技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了許多相關(guān)職業(yè)與崗位，例如，電池的租賃服務(wù)，以及維護(hù)、保養(yǎng)服務(wù)等等。

當(dāng)前，動(dòng)力電池替換在中國的使用范圍相當(dāng)小，采用動(dòng)力電池替換的汽車只能是一些特殊的品牌。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的主要因素是當(dāng)前國家在車輛中動(dòng)力電池的制造方面，還不能形成統(tǒng)一的規(guī)格規(guī)范。再加上電動(dòng)汽車所安裝電池的地點(diǎn)不同，汽車更換電池比較麻煩，所以，當(dāng)前的中國在電池更換方面尚不能規(guī)劃模塊化的工程任務(wù)。無線供電技術(shù)有效地解決了電池更換存在的一些問題，無接觸的充電方式使用起來更加方便，幫助相關(guān)人士合理節(jié)省時(shí)間。磁耦合共振無線電源技術(shù)和微波電源技術(shù)都是在通過眾多實(shí)踐證明后，得以有效實(shí)施的無線充電技術(shù)。因此，在未來，無線充電以及一些其他創(chuàng)新型的充電技術(shù)有比較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>