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电动汽车充电技术摘 要: 自19 世纪第1 辆电动车面世至今, 均采用可充蓄电池作为其动力源。如何为蓄电池充电也成为各国技术人员关注的焦点。介绍了电动汽车的充电技术及电动汽车的几种充电方式, 并对每一种充电方式进行了可行性研究。根据我国的情况, 提出了适合我国电动汽车的充电方式, 并且对未来电动汽车充电技术的发展进行了展望。关键词: 电动汽车; 充电设备; 充电方式The Research on Charging Technologies for Electric VehicleAbstract: Charging storage battery is regarded as the source of the power all the time since the first electric car was produced in 19th century. Technical personnel from all over the world are all concentrating on how to charge the storage battery. In this article, the charge technique to electric cars and several ways to charge electric cars is introduced. Furthermore, feasibility research has been done for each kind of method. A proper way which are adjusted to Chinese situation is proposed and the prospects of future development of the charging storage battery are given.Key Words: electric vehicle; charging equipment; charge1、前言低碳经济核心是新能源技术与节能减排技术的应用，电动汽车能够较好地解决机动车排放污染与能源短缺问题，是我国战略性新兴产业。作为电动汽车大规模推广应用的重要前提和基础，电动汽车充换电设施建设引起了各方广泛关注。新能源产业的发展，尤其纯电动汽车的快速增长，必然会对电动汽车的充电方式多样化和方便性提出更高的要求1。无线充电技术作为一项新兴技术，目前商业化运作主要应用于手机、电脑、随身听等小功率设备的充电上，在电动汽车领域目前还是一个全新的概念2。随着无线充电技术的成熟，电动汽车将是无线充电设备最具潜力的市场。从无线充电技术的分类入手，分析了无线充电技术在电动汽车上的应用工作原理，并介绍了国内外电动汽车无线充电技术的应用研究情况，同时对电动汽车无线充电技术的应用进行了深入思考，提出了一些建议，以利于该项技术的实用化和产业化应用。近几年来， 随着石油能源日益紧缺， 采用更加环保的电力驱动技术汽车成为人们新的研发方向。对于一辆电动汽车， 动力电池的充电设备是不可缺少的系统之一， 它的功能是将电网的电能转化为车载动力电池所需的电能。目前电动汽车充电形式多种多样， 但总体上归纳可分为传导式充电以及现在正处于初期应用阶段的无线充电。电动汽车以电代油, 能够实现“零排放”,噪音低, 是解决能源和环境问题的重要手段。随着石油资源的紧张和电池技术的发展, 电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车, 并开始在世界范围内逐渐推广应用。以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势已经成为普遍共识。充电系统为电动汽车运行提供能量补给, 是电动汽车的重要基础支撑系统, 也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。在充电系统中, 充电站的建设需要根据电动汽车的充电需求, 结合电动汽车充电模式进行相应的规划和设计。以下主要从国内外电动汽车发展现状及未来趋势、电动汽车充电系统技术、电动汽车需求分析, 以及电能外部接入和配套设施资金投入方面对充电站的建设做了初步研究, 为云南电网进行充电站建设研究提供技术参考。电动汽车以电代油, 能够实现“零排放”,噪音低, 是解决能源和环境问题的重要手段。随着石油资源的紧张和电池技术的发展, 电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车, 并开始在世界范围内逐渐推广应用。以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势已经成为普遍共识。充电系统为电动汽车运行提供能量补给, 是电动汽车的重要基础支撑系统, 也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。在充电系统中, 充电站的建设需要根据电动汽车的充电需求, 结合电动汽车充电模式进行相应的规划和设计。以下主要从国内外电动汽车发展现状及未来趋势、电动汽车充电系统技术、电动汽车需求分析, 以及电能外部接入和配套设施资金投入方面对充电站的建设做了初步研究, 为云南电网进行充电站建设研究提供技术参考。2、电动汽车发展现状和趋势电动汽车从动力技术上来讲主要包括混合动力汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车。近年来,随着环境污染和能源危机的加剧, 世界各国电动汽车的研发方兴未艾。在电动汽车研发布局中,出现了纯电动车和燃料电池车、混合动力车“三驾马车” 并行齐驱的局面, 电动汽车正在朝产业化方向一步步迈进。美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。美国三大汽车公司1991年联合成立了美国先进电池联合体, 投入了4.5亿美元, 其中政府拨款2.25亿美元, 共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃科电池等各种高性能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。我国电动汽车的研发与国外在技术水平与产业化方面差距较小。“十五” 期间, 在国家863计划电动汽车重大专项连续两期的滚动支持下,我国在纯电动汽车的核心部件研发、总成集成以及整车系统设计上实现了技术创新和跨越。自主研发的55辆纯电动铿电池汽车、25 辆混合动力客车、75辆混合动力轿车、20辆燃料电池轿车,以及41辆纯电动场地车等各种新能源汽车。中国汽车产业调整和振兴规划正式发布, 规划中称, 将实施新能源汽车战略。规划中称, 推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化。掌握新能源汽车的专用发动机和动力模块(电机、电池及管理系统等)的优化设计技术、规模生产工艺和成本控制技术。建立动力模块生产体系, 形成10亿安时(Ah)车用高性能单体动力电池生产能力。发展普通型混合动力汽车和新燃料汽车专用部件。另外, 启动国家节能和新能源汽车示范工程, 由中央财政安排资金给予补贴, 支持大中城市示范推广混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等节能和新能源汽车。与其它两种新能源车相比, 纯电动车无论是在技术还是企业参与度上都更有优势, 其零排放、零污染的环保优势和相对其他新能源车而言的价格优势也更容易被公众认可。这主要是因为, 我国在电动汽车关键技术的电池、电机发展基础好,在纯电动汽车方面的研发实力亦不亚于日韩, 我国的小功率锂离子电池早已经产业化, 形成了上下游结合的完整产业链, 电池产品超过世界市场的三分之一, 锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平, 产业化条件也基本成熟, 我国的高功率型动力蓄电池发展也很迅速, 与国外相比有很大价格优势。此外, 我国是永磁同步电机中永磁材料稀土资源的大国, 稀土储量世界第一将有利于未来降低电动汽车的制造成本。混合动力电动车是我国目前可以小批量生产、替代燃油汽车、减少废气排放的较现实的电动车。混合动力电动车的发展也依赖于动力电池的发展, 在未来10年, 混合式电动车在其特定市场范围内的商业化生产将持续增长, 增长速度取决于价格因素。总之, 从长远发展趋势来看, 我国混合动力电动车将有长远的市场前景, 不过, 纯电动汽车和燃料电池汽车在产业化上的优势可能会更大。混合动力汽车在目前的高油价时期虽然具有更好的燃油经济性, 并且能满足高排放标准的要求,但是由于其只是对现有汽车技术的相对改进, 所以只能作为一种过渡路线。而纯电动汽车和氢燃料电池汽车在使用过程中能够实现零排放, 并完全摆脱了对石油资源的依赖, 将成为我国电动汽车发展的最终目标。3、电动汽车充电方式3.1 常规充电方式该充电方式采用恒压、恒流的传统充电方式对电动车进行充电。以相当低的充电电流为蓄电池充电, 电流大小约为15A, 若以120 Ah( 例如360 V, 即串联12 V 100 Ah 30 只) 的蓄电池为例, 充电时间要持续8 个多小时。相应的充电器的工作和安装成本相对比较低。电动汽车家用充电设施( 车载充电机) 和小型充电站多采用这种充电方式。车载充电机是纯电动轿车的一种最基本的充电设备( 如图) 。充电机作为标准配置固定在车上或放在后备箱里。由于只需将车载充电器的插头插到停车场或家中的电源插座上即可进行充电, 因此充电过程一般由客户自己独立完成。直接从低压照明电路取电,充电功率较小, 由220V/16A 规格的标准电网电源供电。典型的充电时间为810h ( SOC 达到95%以上) 。这种充电方式对电网没有特殊要求, 只要能够满足照明要求的供电质量就能够使用。由于在家中充电通常是晚上或者是在电低谷期, 有利于电能的有效利用, 因此电力部门一般会给予电动汽车用户一些优惠, 例如电低谷期充电打折。车载充电机充电方式小型充电站是电动汽车的一种最重要的充电方式( 如图3) , 充电机设置在街边、超市、办公楼、停车场等处。采用常规充电电流充电。电动汽车驾驶员只需将车停靠在充电站指定的位置上, 接上电线即可开始充电。计费方式是投币或刷卡, 充电功率一般在510kW, 采用三相四线制380V 供电或单相220V 供电。其典型的充电时间是: 补电12h, 充满58h( SOC 达到95%以上) 。小型充电站充电方式3.2 快速充电方式该充电方式以150400A 的高充电电流在短时间内为蓄电池充电, 与前者相比安装成本相对较高。快速充电也可称为迅速充电或应急充电, 其目的是在短时间内给电动汽车充满电, 充电时间应该与燃油车的加油时间接近。大型充电站( 机) 多采用这种充电方式。大型充电站( 机) 快速充电方式( 如图4) 主要针对长距离旅行或需要进行快速补充电能的情况进行充电, 充电机功率很大, 一般都大于30kW, 采用三相四线制380V 供电。其典型的充电时间是: 1030min。这种充电方式对电池寿命有一定的影响, 特别是普通蓄电池不能进行快速充电, 因为在短时间内接受大量的电量会导致蓄电池过热。快速充电站的关键是非车载快速充电组件, 它能够输出35kW甚至更高的功率。由于功率和电流的额定值都很高, 因此这种充电方式对电网有较高的要求, 一般应靠近10kV 变电站附近或在监测站和服务中心中使用。快速充电方式3.3 无线充电方式无线充电技术引源于无线电力输送技术。无线电力传输也称无线能量传输或无线功率传输，主要通过电磁感应、电磁共振、射频、微波、激光等方式实现非接触式的电力传输。根据在空间实现无线电力传输供电距离的不同， 可以把无线电力传输形式分为短程、中程和远程传输三大类。（1） 短程传输。通过电磁感应电力传输（ICPT）技术来实现， 一般适用于小型便携式电子设备供电。ICPT 主要以磁场为媒介，利用变压器耦合，通过初级和次级线圈感应产生电流，电磁场可以穿透一切非金属的物体， 电能可以隔着很多非金属材料进行传输，从而将能量从传输端转移到接收端，实现无电气连接的电能传输。电磁感应传输功率大，能达几百千瓦，但电磁感应原理的应用受制于过短的供电端和受电端距离，传输距离上限是10 cm 左右。（2）中程传输。通过电磁耦合共振电力传输（ERPT）技术或射频电力传输（RFPT）技术实现，中程传输可为手机、MP3 等仪器提供无线电力传输。ERPT 技术主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理，通过非辐射磁场实现电能的高效传输。电磁共振型与电磁感应型相比，采用的磁场要弱得多，传输功率可达几千瓦，能实现更长距离的传输，传输距离可达34 m。RFPT 主要通过功率放大器发射射频信号， 通过检波、高频整流后得到直流电，供负载使用。RFPT 距离较远，能达10 m，但传输功率很小，为几毫瓦至百毫瓦。（3） 远程传输。通过微波电力传输（MPT）技术或激光电力传输（LPT）技术来实现。远程传输对于太空科技领域如人造卫星、航天器之间的能量传输以及新能源开发利用等有重要的战略意义。MPT 是将电能转化为微波， 让微波经自由空间传送到目标位置， 再经整流，转化成直流电能，提供给负载。微波电能传输适合应用于大范围、长距离且不易受环境影响的电能传输，如空间太阳能电站等。LPT 是利用激光可以携带大量的能量，用较小的发射功率实现较远距离的电能传输。激光方向性强、能量集中， 不存在干扰通信卫星的风险，但障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，射束能量在传输途中会部分丧失。无线充电技术在电动汽车上的应用， 是通过埋设于地表的一次线圈与固定于车辆底盘的二次线圈的电磁耦合来传输电能，对动力电池进行充电，具有安全环保、全自动、免维护等一系列优点。目前常用的3 种无线充电技术中，因为ICPT 和ERPT 在中等距离的传输效率较高，更适合于电动汽车充电。特别是东南大学采用的电磁耦合共振式ERPT 技术,已能将无线传输的距离增加到50 cm 左右，也是国内唯一实现0.5 m 以上千瓦级无线电能传输的研究成果。无线充电原理图3.4 更换电池充电方式除了以上几种充电方式外, 还可以采用更换电池组的方式, 即在蓄电池电量耗尽时, 用充满电的电池组更换已经耗尽的电池组。蓄电池归服务站或电池厂商所有, 电动汽车用户只需租用电池。更换蓄电池的工作原理如图5 所示, 电动汽车用户把车停在一个特定的区域, 然后用更换电池组的机器将耗尽的蓄电池取下, 换上已充满电的电池组。对于更换下来的未充电蓄电池, 可以在服务站充电, 也可以集中收集起来以后再充电。由于电池更换过程包括机械更换和蓄电池充电, 因此有时也称它为机械“加油”或机械充电。电池更换站同时具备正常充电站和快速充电站的优点, 也就是说可以用低谷电给蓄电池充电, 同时又能在很短的时间内完成“加油”过程。通过使用机械设备, 整个电池更换过程可以在10 min内完成, 与现有的燃油车加油时间大致相当。更换电池原理图四、电动汽车对充电技术的要求随着电动汽车的逐步推广和产业化以及电动汽车技术的日益发展，电动汽车对充电站的技术要求体现了一致的趋势，要求充电站尽可能向以下目标靠近。1.充电快速化相比发展前景良好的镍氢和锂离子动力蓄电池而言，传统铅酸类蓄电池以其技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好和无记忆效应等优点，但同样存在着比能量低、一次充电续驶里程短的问题。因此，在目前动力电池不能直接提供更多续驶里程的情况下，如果能够实现电池充电快速化，从某种意义上也就解决了电动汽车续驶里程短这个致命弱点。2.充电通用化在多种类型蓄电池、多种电压等级共存的市场背景下，用于公共场所的充电装置必须具有适应多种类型蓄电池系统和适应各种电压等级的能力，即充电系统需要具有充电广泛性，具备多种类型蓄电池的充电控制算法，可与各类电动汽车上的不同蓄电池系统实现充电特性匹配，能够针对不同的电池进行充电。因此，在电动汽车商业化的早期，就应该制定相关政策措施，规范公共场所用充电装置与电动汽车的充电接口、充电规范和接口协议等。3. 充电智能化制约电动汽车发展及普及的最关键问题之一，是储能电池的性能和应用水平。优化电池智能化充电方法的目标是要实现无损电池的充电，监控电池的放电状态，避免过放电现象，从而达到延长电池的使用寿命和节能的目的。4电能转换高效化电动汽车的能耗指标与其运行能源费紧密相关。降低电动汽车的运行能耗，提高其经济性，是推动电动汽车产业化的关键因素之一。对于充电