聚焦电动汽车的充电技术及解决方案

聚焦电动汽车的充电技术及解决方案绿色革命的一个重要体现是绿色交通，电动汽车应运而生，其市场需求量也呈现出愈来愈大的趋势。电动汽车早已成为世界车展上的一个焦点，其替代传统能源驱动技术无疑是未来行业发展的重点。对于一台电动汽车，蓄电池是其动力所在，充电是其不可缺少的行为。电动汽车充电时间长，充电难是电动汽车推广应用的一个难题。为适应当今社会快速发展的步伐，充电技术及解决方案成为电动汽车行业关注的焦点。1.大规模发展电动汽车必须先突破充电瓶颈我国的能源资源分布特点是煤多气少油贫,石油资源严重依赖进口,如果不加控制到2030年中国需进口石油可能达到8.5亿t,相当于目前全球出口总量的50%,将给我国的能源安全埋下严重的隐患。交通是耗油大户,根据预测2030年交通工具的用油将占总耗油量的55%以上,因此车辆用能结构的变革势在必行。随着化石能源的日益枯竭以及二氧化碳等温室气体排放带来的气候变暖的加剧,节能减排已经成为全球的共识,我国“十二五”规划要求单位GDP的能耗要降低20%,污染排放要降低10%。随着我国社会和经济的发展,家用汽车将不断普及,汽车的能耗和排放将不断增加,因此研制和推广清洁高效的汽车动力同样势在必行。电动汽车可以不依赖石油资源,能源效率是传统燃油汽车的1.5～2.0倍,与燃油汽车相比在全寿命周期可以减排20%的二氧化碳,因此被认为是目前最有发展潜力的交通工具。我国已经把发展电动汽车列入“十二五”规划,准备在今后的几年内大规模发展电动汽车。作为新能源汽车三大发展方向之一，电动汽车比氢能源汽车离商用更近。通用汽车最新的增程型电动车雪佛兰Volt昨起在美接受预订，这种售价只有4.1万美元的全球电气化先锋车型，完全消除了以往电池电动车行驶里程有限的束缚。车主用标准家用120伏电源为Volt充电8小时，最远就能走500公里；当行驶里程小于60公里时，Volt则只需一个车载的16千瓦时锂离子电池，并实现“零油耗、零排放”。由于担心在路途中出现电力不足而“抛锚”，目前很多消费者对购买电动汽车的积极性不高。要想让电动汽车对大众真正形成吸引力并在全球范围内得到普及，除了让消费者买得起外，在使用时也要保证它比现有的用油汽车更加方便。汽车电池价格昂贵、充电时间过长、充满电后行驶里程有限……这些都是新能源汽车发展道路上迫切需要拆除的“路障”。高效绿色的电动汽车渐行渐近，但占其成本7成的电池价格过高仍在影响着消费热情。对此，一种新模式即鼓励电池租赁。电池租赁可降低新能源汽车的使用门槛，让车辆售价大幅度下降，还能让消费者避开电池使用寿命短和后期维护等问题。如果车用锂电池可以充1000次，通常每次充电10度可以跑100公里，充1000次就可跑10万公里，在上海用电低谷时的充电成本仅需3000元；而排量6～7升的汽油机汽车，跑10万公里的油耗成本现为4万元。所以，考虑到国家支持的数万元的新能源汽车购买补贴，再加上电池租赁或分期付款，电动汽车的性价比将远远高于传统内燃机汽车。新能源车有望进入寻常百姓家，但如果大家同时充电会不会让电网“吃不消”？据透露，按照发展规划，2015年中国电动汽车将达到上百万辆。为解决充电等配套问题，到今年底国家电网将在27个省市建75座充电站和6000多个充电桩；2011年到2016年，将建立400座电动汽车充电站，初步形成电动汽车充电网络；2016年至2020年，中国将建立1万座电动汽车充电站，全面开展充电桩配套建设，建成完整的电动汽车充电网络。未来电动汽车并非只会“喝奶”，还能通过智能协调“反哺”后者。电动汽车会变成一个个移动的储电站，用电低谷时从电网上“吃饱”电，用电高峰时向电网“吐出”电，电动车阵能给城市电网“削峰填谷”。在更远的将来，甚至还会出现无线充电的电动汽车，就像手机的蓝牙技术一样，充电也无需插头插座，在开车途中就一步到位。2.电动汽车充电的技术要求和解决方案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。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。可以买到二手电池，便有望进一步降低初期费用及租赁负担。但要实现电池的再利用，电池厂商须彻底脱离以往的一次性收益模式，而建立新的业务。开发锂离子充电电池以长寿命为特点，在电动汽车上使用后，还可在蓄电等市场上再利用。东芝开发了负极材料采用钛酸锂（LTO），安全性和寿命都很出色的锂离子充电电池。该公司2009年秋季开始样品供货可用于电动汽车、能量密度提高至100Wh/kg的电池单元。虽然细节未公布，但据悉正极材料从以前的钴酸锂改为可实现更高容量的材料。电池容量为20Ah。并且，该公司还在开发能量密度为150Wh/kg左右的电池单元，并力争在2011年之前实用化。东芝正加快推广负极材料使用钛酸锂的锂离子充电电池。将来有望实现单位重量能量密度达到150Wh/kg的电池单元。要将电动汽车用过的二手电池再用于其他用途，还有另一课题需要解决。这就是要正确诊断电池的剩余寿命。如果没有简单且精度高的诊断方法，就无法适当设定再利用的电池价格，今后似有必要加快剩余寿命诊断的相关开发。总部位于美国硅谷的“美好空间”公司通过建立完备的充电站网络，并利用创新的市场化方式运作，使得充电能够像加油一样便利，将有助于加快新能源汽车的普及步伐。利用现有的电池技术，电动汽车的车主目前基本上只能在家中充电，而且车辆每次充满电最多只能行驶100英里（约160公里）。该公司提出了颇具创新性的新能源汽车充电基础设施建设思路。按照这一思路建立的充电站网络，与现有的无线通信网络存在很多类似之处。例如，无线运营商利用大量基站组成的网络，来保证用户在一定范围内都可用手机进行通话。通过分布在居民区、商厦、停车场和政府大楼等处的成千上万充电站组成的网络，可以让位于该网络覆盖范围内的消费者随时随地为自己的电动汽车充电。这一网络还将包括众多电池更换站，它们可以为跑长途的电动汽车车主提供自动化服务，用充足电的电池替换下电力耗尽的电池。整个过程不到２分钟就可完成，消费者甚至不必下车，速度和方便程度都优于现有的加油站。充电站网络的商业运作同样可借鉴手机运营商的月租以及“套餐”等方式。按照该公司商业模式，电动汽车和电池将不再捆绑销售，电池将由该公司提供。消费者可通过支付月租费等方式购买电池的使用权，并根据自己需要选择定价灵活的“套餐”计划，以购买充电行驶里程。这种模式将使消费者节省购买电池的费用，并能以更低价格将电动汽车提供给消费者，最终有望让电动汽车的成本降至比现有的用油车更低。4.电动汽车配电网智能化的充电技术随着配电网智能化水平的提高和需求侧管理技术的进步,未来电动汽车的车载电池可能作为智能电网中的移动储能单元。车电互联(V2G)就是指电动车辆作为移动储能单元接入电网,在受控状态下实现与电网之间的信息与能量双向互动,电动汽车充放电站建设是智能电网用电环节的重要内容。汽车平均每天仅行驶1h,95%的时间处于停驶状态;接入电网的电动汽车数量足够多时,作为可移动的分布式储能装置可以有效地用于削峰填谷、平衡负荷等。特别是在将来可能形成的可再生能源发电比例较高的微电网系统中,通过电动汽车的合理充放电,可以有效平衡可再生能源波动性,帮助电网有效接纳可再生能源发电。目前电动汽车充放电技术主要有单向无序的VOG模式,单向有序的TC和V1G模式,双向有序的V2G模式。VOG是指把电动汽车作为普通用电设备,采用成熟的单向变流技术,可以随时接入电网立即充电的模式。VOG是目前电动汽车最常见的充电方式,例如高尔夫车、机场摆渡车等专用电动车,以及国内外新建的一些公共充电设施,又如北京奥运会电动汽车充电站都采用这种充电方式。目前VOG存在的最大问题,是电动汽车充电作为大功率的、用电负荷无约束的使用,也就是说VOG充电的运行增加了电网调峰的难度。TC模式即时间控制模式,是一种单相有序电能供给的充电模式。采用这种模式电动汽车在给定的时段充电,通过控制开始充电时间,实现错峰充电,避免在电网负荷高峰时段充电,与此同时用户还可以享受到谷电的优惠。但是由于种种原因,目前的时间控制模式还不能完全根据电网峰谷状态灵活地控制充电过程。这种模式的充电还是采用单向变流技术,不需要与电网进行实时通信,目前技术装备已经成熟,已进入示范运行阶段。V1G也是一种单相有序电能供给的充电模式。采用这种模式,电动汽车与电网进行实时通信,充电受电网控制,可在电网允许时刻进行充电,通过优化充电安排提高电网效率。电动汽车采用单向技术充电只能从电网中得到电能不能将多余的电能反馈到电网中。采用双向有序的电能转换的充电模式V2G,电动汽车车载电池可以作为一种移动储能单元与电网进行双向电能转换。家用汽车大部分时间处于停止状态,如果接入电网的电动汽车数量足够多时,就可以作为可移动的分布式储能装置用于削峰填谷、平衡负荷等,提高电网运行的效率,同时给电动汽车用户带来直接的经济效益。上海市电力公司目前已建成了漕溪电动汽车充放电站与世博国家电网馆充放电站两座具有V2G功能的电动汽车充放电示范站。两站各具有一台30kW的直流V2G充放电机,既可以作为常规充电机实现即时充电、预约充电等,还可以根据后台管理系统接受电网的调度指令,动态调整工作状态与功率,实现电动汽车与电网的双向能量互动。5.电动汽车充电技术的发展趋势近年来，电动车在新能源汽车中的地位日益稳固，发展态势迅猛，到2015年我国纯电动车保有量将实现百万辆级。但与此同时，电动车大规模推广的问题也随之而来。电池是电动车产业面临的重大问题。研究人员正在寻找一种容量更大、重量更轻、体积更小、循环寿命更长的电池。锂离子动力电池、磷酸铁锂电池、高铁电池等新型电池都进入了他们的视野。改良充电技术则是另一条有效的研究思路。目前，电动车在专用充电站通过两种方式进行充电。然而，研究表明，这两种充电方式都有着致命的弱点。据悉不久前，英国HaloIPT公司在伦敦利用其最新研发的感应式电能传输技术成功实现为电动车无线充电。在展示过程中，该公司将电能接收垫安装于雪铁龙电动车车身下侧，这样电池就可以通过无线充电系统进行无线充电。磁耦合谐振式无线输电技术是一项刚刚兴起的技术，将有助于解决这些问题。无线充电技术则是未来电动车发展的关键。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。充电智能化的应用技术发展主要体现在以下方面：优化的、智能充电技术和充电机、充电站;电池电量的计算、指导和智能化管理;电池故障的自动诊断和维护技术等。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。对于充电站，从电能转换效率和建造成本上考虑，应优先选择具有电能转换效率高，建造成本低等诸多优点的充电装置。本着子系统小型化和多功能化的要求，以及电池可靠性和稳定性要求的提高，充电系统将和电动汽车能量管理系统集成为一个整体，集成传输晶体管、电流检测和反向放电保护等功能，无需