電動汽車供電技術研究及發(fā)展淺析

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摘要：隨著能源問題越來越嚴重，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，電動汽車在汽車市場上表現出巨大的發(fā)展?jié)摿?，一方面有助于?jié)約能源，另一方面降低了對自然環(huán)境的污染。所以，更多的人開始使用電動汽車來取代傳統(tǒng)轎車。但是純電動汽車的發(fā)展仍然受到一定技術限制，其主要原因是人們擔心純電動汽車在行駛的中途沒電。文章中對電動汽車的供電技術做出了細致地剖析，讓消費者對電動汽車更加信任。

關鍵詞：電動汽車；供電技術；研究及發(fā)展

0引言

在汽車資源嚴重短缺、能源消耗巨大而且環(huán)境污染嚴峻的今天，響應政府節(jié)能減排政策的電動汽車正更多的受到人們的重視。經過調查研究，對電動汽車供電關鍵技術做出了解析，并希望給提出電動汽車發(fā)展策略的有關人士帶來相應的理論依據。在資源越來越短缺的時候，實現節(jié)能減排是保障我國各產業(yè)可繼續(xù)健康發(fā)展的必要措施。電動汽車成為新能源汽車不但有利于節(jié)省電能，同時也有利于降低對周圍環(huán)境的空氣污染。所以，更多的人開始使用電動轎車來取代傳統(tǒng)轎車。不過仍存在部分人抗拒選購純電動汽車，其主要原因是擔憂純電動汽車在行駛途中沒供電。電車擁有著清潔、高效和可繼續(xù)經濟發(fā)展的優(yōu)點，是中國當前正在大力發(fā)展的新型戰(zhàn)略產品。而電動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，充滿機取消了單純的整流設備，而是垂直接到三相交流電或經過整流后再引用的直流母線連接上。對于改善電車供應系統(tǒng)的運營經濟性、減少設備投入，有著很大的使用價值和良好的使用發(fā)展前景。所以有必要深入研究直流供電系統(tǒng)的基本構造，為建立投入現實使用的電動汽車充電站直流系統(tǒng)打下了基石。文章也對電動汽車的供電技術做出了更細致地剖析，讓消費者們對電動轎車更加信任。

1電動汽車電池管理系統(tǒng)研究現狀及發(fā)展趨勢

能源危機與污染問題是當今世界各國共同存在的二大問題。電動汽車由于擁有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，已成為未來汽車技術發(fā)展的主要趨勢。但眾所周知，汽車動力電池技術不僅是制約電動汽車大規(guī)模發(fā)展的主要技術瓶頸，而且是電動汽車產品價格高企的關鍵因素，其生產成本約占汽車整機成本的百分之三十至百分之五十。所以，電力BMS的性能對于電動汽車的利用成本、節(jié)能與安全都有著十分關鍵的重要性。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，并預測燃料電池SOC，以調節(jié)電池充放電平衡，對燃料電池組實施熱管理，并能與車內的監(jiān)控系統(tǒng)和充電器通信，以實現協調控制和優(yōu)化充電。從而使電池達到良好工作狀態(tài)，并發(fā)揮電池的最大功效，從而延長了電池的使用壽命。作為電動汽車最重要的部分之一，BMS近年來進行了較大的提升，但在采集數據的安全性、SOC計算準確度、均衡技術以及安全管理機制等方面還需更加完善。充電站是電動汽車的主要配套服務設施，其建立和發(fā)展的水平對電動汽車規(guī)?；a業(yè)化的發(fā)展進程至關重要。但不同于其他散亂布設的充電設備，充電樁的建設運營更受限于使用者充電行為習慣等各種因素，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所。相對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換等級較低，方便將光伏與儲能的直流型分布式電源連接等優(yōu)點，成了人們近年來的關注熱點。電動汽車以電能代替燃油，清潔環(huán)保無排放，是實現清潔替代、緩解能源危機的重要環(huán)節(jié)?！笆奈濉睍r期，我國政府制定了電動車等重要研發(fā)專項，并積極推動BMS研究與工程應用，已獲得了許多研究成果與技術重大突破，與國外的技術水平基本相近。而目前，部分院校正憑借自己的技術優(yōu)勢，與部分主要車輛生產商與汽車力量電池提供商，共同進行了如下研究項目：①提高汽車燃料電池動態(tài)基本參數收集的穩(wěn)定能力與準確度；②汽車力量燃料電池SOC測量；③力量燃料電池模型研究；④汽車動力電池組的平衡管理研究；⑤通過can與充電模塊通訊，以實現協調控制和優(yōu)化充電；⑥汽車力量燃料電池包裝桶的空氣與機械結構設計，和合理的空氣散熱管理；⑦動力電池故障分析和在線報警，以及BMS的自檢和管理。

2電動汽車的供電技術

當前電動汽車普遍使用傳導充電、無線充電或者換電的技術。傳導式充電技術是指應用電流傳輸原理，并利用電纜為基礎電動汽車輸送電量。無線充電技術不需要借助電纜，實現了非接觸。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，無線充電技術以其非接觸的特性在市場上廣受好評，因此，本文將主要介紹無線充電技術。當前，無線充電技術主要有兩個發(fā)展方向，其一，利用傳統(tǒng)電磁感應原理；其二，利用各種創(chuàng)新技術，例如射頻輸電、光輸電、微波傳播和強共振電磁耦合應用技術，等等。電磁感應技術的缺點，就是在使用期間對其他車輛的電子設備形成影響，進而影響其他車輛的性能。也正是因為此，電磁感應技術當前在電動汽車領域中的發(fā)展受阻。目前，市場上被認可度更高的技術是微波傳輸技術和強耦合磁共振技術。其他技術都或多或少受到影響，比如，射頻技術在充電方面存在不足，光輸電經常會受到物理原因的限制。

3電動汽車供電技術的應用現狀

3.1電動汽車供電技術在國外的應用現狀

國際上傳導充電還沒有形成比較統(tǒng)一的標準，因此，各個國家的電動汽車在出口方面受到一定限制，國際電動汽車市場尚未發(fā)展起來。盡管傳統(tǒng)傳導充電技術操作簡單，發(fā)展比較成熟，但是如何解決充電問題還有待進一步探討。傳統(tǒng)傳導式充電技術，一般需要等待很漫長的時間，而頻繁地使用快速充電會導致電池壽命減少。因為電池存在損耗，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BetterPlace公司最先研發(fā)出了電池的自動轉換控制系統(tǒng)，系統(tǒng)自動檢測電池的電量，并自動更換，不需要人為操作。所更換下的電池會被輸送到儲存庫中，等待充電。當前，很多國家都正在大力建設換電站，例如，美國、歐洲、澳大利亞以及我國，都已經建成了大量換電站。

3.2國內應用電動汽車供電技術的現狀

我國在傳導供電方面有一個相對完整的標準，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電路的功能相比較于原來的控制引導電路，對車輛的操控更為精確、全方位，且可以比較全方位地維護電動車輛。目前的九端子直流充電接口可以在對接地端子實施維護時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)還能夠通過合理運用的充電操作邏輯更加精確地操作電動汽車，車主使用插拔接口時，接口還能夠自動地把所有負載都斷開，進而使得操作更加安全。當前，我國目前在電池更換項目也有一定創(chuàng)新性的研究成果。經過部署后，我國當前已設置了多個換電站、電池充電點。換電站和電池充電站的建設使得電動汽車行業(yè)有了一定的標準，生產廠家必須按照固定的充電標準、電池型號來生產電池，這也推動了電動汽車“裸車”市場的發(fā)展。

4電動汽車供電技術中存在問題及發(fā)展趨勢

當前，電動車供電技術所面臨的問題主要表現在如下五個方面。其一，供電設施如何提供安全保護。當前，充電裝置故障管理與保護不健全。其二，產品設計、生產和裝配等環(huán)節(jié)均有所不足，主要體現在為主控制模塊死機、BMS系統(tǒng)缺乏主控模組的特殊防護機理、充電裝置沒有主動防護機理以及監(jiān)測系統(tǒng)中沒有對應的判斷告警機理。其三，電池和充電器的品質問題。因此，如果BMS系統(tǒng)發(fā)布了充值暫停的命令，則充電機無法及時停止，從而導致過充。其四，充電樁材質、密封工藝也達不到標準規(guī)定，導致充槍拉弧、起火，乃至自爆。其五，收費計量并無檢驗規(guī)定。尚無人對收費平臺開展過定期標定和測試。當前，充電站的計費管理不規(guī)范，公共充電站、充電樁還有部分私人充電樁，都沒有實施標準的收費管理。當前，傳導導電和換電的技術已發(fā)展得比較完善，但無線電源技術還處在研究與發(fā)展初級的階段。國家關于傳導導電技術制定了許多規(guī)范，對傳導導電技術也做出了規(guī)范。但由于制造充電裝置的公司相對零散，所以接下來還需要進一步做好規(guī)劃，將充電設備、換電供給電能點的布局設計得更加合理。根據調查研究，外形為柜式的柱狀，并且同時提供了常規(guī)充電與快速充電功能，充電機應用范圍也比較廣闊。不過因為這個充電機的建設與投資成本都相當大，所以現在在中國有些比較大的充電場所有這樣的充電機。墻體式充電插座的應用范圍較為廣泛，而且這種充電點的建造投資成本也相對小，不過有電功率限制，因此較為適宜于在家中獨立停車庫和學校等小區(qū)域應用。電池更換技術的發(fā)展產生了許多相關職業(yè)與崗位，例如，電池的租賃服務，以及維護、保養(yǎng)服務等等。當前，動力電池替換在中國的使用范圍相當小，采用動力電池替換的汽車只能是一些特殊的品牌。產生這個現象的主要因素是當前國家在車輛中動力電池的制造方面，還不能形成統(tǒng)一的規(guī)格規(guī)范。再加上電動汽車所安裝電池的地點不同，汽車更換電池比較麻煩，所以，當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。無線供電技術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，幫助相關人士合理節(jié)省時間。磁耦合共振無線電源技術和微波電源技術都是在通過眾多實踐證明后，得以有效實施的無線充電技術。因此，在未來，無線充電以及一些其他創(chuàng)新型的充電技術有比較大的發(fā)展?jié)摿?。目前，已經有一些企業(yè)成功開發(fā)出了以磁耦合共振技術為基礎的車輛無線充電管理系統(tǒng)，取得了良好的市場反饋，同時微波的電源工藝技術上也有了一些突破，尤其是大大地提高了能量傳遞效率。所以，在電動汽車供電領域方面推廣無線充電系統(tǒng)的新科技指日可待。該科技一經發(fā)展并獲得了有效運用，必然可以提高人民對選購電車的自信。

5我國汽車電源科技的重點發(fā)展

目前，中國車用電源技術的重大進展具體包括。傳導導電和換電是目前應用上較為成熟的電動汽車供電技術，但無線電源還處于過渡測試的階段。目前，國家已傳導導電經制定了若干相應的法律規(guī)范，來對與該技術相關的商業(yè)使用加以合理地規(guī)范。而由于對充電設施提供資源的商家較多，因此為了能合理設定充、換電供給的電能點，就必須對城市作出更加詳盡地規(guī)范，以合理利用充電基礎設施的功能。經過研究后表明，能夠同時用于常規(guī)容量與高速容量且外形通常為柜式或柱狀圖型的充電機可以應用的范圍比較廣泛，不過由于必須在工程初期投資較多的資金投入，所以這類充電機通常比較應用于各種更大規(guī)模的充滿現場中。墻面充值插口是目前比較常見的一個汽車充值方法，而且在建立墻面充值插口充值點時所需投入的費用也不高，不過由于該科技給電車帶來的電功率仍有局限性，所以目前這種科技僅應用在家里的單獨停車庫中，甚至是在學校的停車場充值處中。動力電池更換技術的廣泛應用也促進了有關工作的共同進展，如租賃動力電池的咨詢服務、電池的補充咨詢服務和對動力電池提供維護、保修，以及各種后期服務的行業(yè)。此類行業(yè)的存在，促使了市面上出現電池租賃企業(yè)。這一類企業(yè)往往需要熟練處理各種問題，將為消費者帶給更為全面妥善的售后保障咨詢服務。發(fā)展此類行業(yè)既有效提高電池性能和對廢舊電池的再利用效果，而且還可能讓高速充電所對舊動力電池產生巨大的影響損傷也有效得到減少。另外，電池租賃企業(yè)也能夠在晚上對已回收的電池實施充電，由于國家電網在夜間低谷階段的電費相對低廉，因此可以及時對供電實施調峰，從而均衡了電網的用電水壓。電池替換確實有許多好處，不過目前電池替換在中國還是不能獲得更加普遍的使用，通過電池替換的車輛只能是一些特殊的品牌。形成這種現狀的主要因素，是當時我國還不能對電池的產品規(guī)格和標準實現統(tǒng)一，同時還不能完成模塊化的制造工程任務。另外，各種給電動汽車安裝電池的工作地點也不同。傳導，充電和換電這二類給電動汽車補充能量的方法，均必須汽車停下來后才可以進行相應的工作，對時間和空間產生了相應的擠占和耗費。無線電源技術也很有效地緩解了這方面的問題。因為無線電源技術的進展，能夠使汽車不停對車充電變成了充電的首選方法，從而有助于相關技術人員合理節(jié)省時間。磁耦合共振無線電源技術，以及微波電源技術都是在通過眾多實踐證明后，得以有效實施的無線充電技術。目前，現已有部分企業(yè)成功開發(fā)出了以磁耦合共振科技為基石的車輛無線充電服務管理系統(tǒng)，并在現實使用中取得了不錯的市場反映，而車輛微波電源科技領域方面也有了一些的突破，特別是在傳輸能量的利用率領域方面。所以，在電動汽車供電領域方面推廣無線充電方式的新科技指日可待。該科技一經發(fā)展并獲得了有效運用，必然可以提高人民對選購電車的自信。

6結論

為應付霧霾氣候，降低車輛污染物排放量，提高城市交通服務機構的車輛結構調整，全國各大城市都在大力推廣電動客車用于城市公共交通。在當前燃料電池技術沒有獲得突破性發(fā)展之前，電力的供應對于電力客車顯然尤為重要。隨著電動汽車的發(fā)展和普及，一些創(chuàng)新的充電技術不斷發(fā)展，涵蓋了射頻輸電、光輸電、微波傳送和強共振電磁耦合應用科技在內的現代電力科學技術。目前，當今世界上使用范圍最廣泛、應用頻次最大的電源方法仍然是傳導供電。而充電時間短是相關技術人員必須著重解決的問題，而電池科技如果能夠突破充電時間短這一問題，換電術也必將被淘汰。因此，電動汽車行業(yè)還需要進一步研發(fā)，盡快開發(fā)出無線充電或快速充電的方式。近年來，伴隨電動車輛的進一步發(fā)展，涵蓋了射頻輸電、光輸電、微波傳輸，以及強共振電磁耦合應用技術等新內容的電動汽車供電技術也實現了較大的提升。為合理發(fā)展電力車輛，政府首先要注重對相應電源技術的研發(fā)工作。目前，當今世界上使用范圍最廣泛、利用頻率最大的電源方法，仍然是傳導電源。而充電時間也是有關工程技術人員必須著重解決的問題，人們目前也只能通過換電的方法來減少補充能量的時候，不過電池技術如果能沖破充電時間的極限，換電科技也將會被逐步淘汰。因此有關的技術人員必須要加強研究力量，早日開發(fā)出通過無線充電快速充電的新方式。燃料短缺和污染問題日益嚴重，再加上電動汽車在節(jié)能與環(huán)境保護方面的重大優(yōu)勢，因此電動汽車勢必成為汽車行業(yè)優(yōu)先發(fā)展的方向。

作者:盛毛毛 單位:晉能控股煤業(yè)集團有限公司技師學院