電動汽車供電技術(shù)研究及發(fā)展淺析

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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，電動汽車在汽車市場上表現(xiàn)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(shù)限制，其主要原因是人們擔(dān)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(shù)做出了細(xì)致地剖析，讓消費(fèi)者對電動汽車更加信任。

關(guān)鍵詞：電動汽車；供電技術(shù)；研究及發(fā)展

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)能減排政策的電動汽車正更多的受到人們的重視。經(jīng)過調(diào)查研究，對電動汽車供電關(guān)鍵技術(shù)做出了解析，并希望給提出電動汽車發(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候，實現(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(dān)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(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(shù)做出了更細(xì)致地剖析，讓消費(fèi)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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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(shù)發(fā)展的主要趨勢。但眾所周知，汽車動力電池技術(shù)不僅是制約電動汽車大規(guī)模發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸，而且是電動汽車產(chǎn)品價格高企的關(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的性能對于電動汽車的利用成本、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)測燃料電池SOC，以調(diào)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(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)和充電器通信，以實現(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。充電站是電動汽車的主要配套服務(wù)設(shè)施，其建立和發(fā)展的水平對電動汽車規(guī)?；?，產(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(zhuǎn)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(diǎn)，成了人們近年來的關(guān)注熱點(diǎn)。電動汽車以電能代替燃油，清潔環(huán)保無排放，是實現(xiàn)清潔替代、緩解能源危機(jī)的重要環(huán)節(jié)。“十四五”時期，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(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，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)行了如下研究項目：①提高汽車燃料電池動態(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(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，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(shù)

當(dāng)前電動汽車普遍使用傳導(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)電動汽車輸送電量。無線充電技術(shù)不需要借助電纜，實現(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上廣受好評，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。也正是因為此，電磁感應(yīng)技術(shù)當(dāng)前在電動汽車領(lǐng)域中的發(fā)展受阻。目前，市場上被認(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)常會受到物理原因的限制。

3電動汽車供電技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1電動汽車供電技術(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(dǎo)充電技術(shù)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(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間，而頻繁地使用快速充電會導(dǎo)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(zhuǎn)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(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)用電動汽車供電技術(shù)的現(xiàn)狀

我國在傳導(dǎo)供電方面有一個相對完整的標(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(hù)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(yùn)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(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)、電池型號來生產(chǎn)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(shù)中存在問題及發(fā)展趨勢

當(dāng)前，電動車供電技術(shù)所面臨的問題主要表現(xiàn)在如下五個方面。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、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、充電裝置沒有主動防護(hù)機(jī)理以及監(jiān)測系統(tǒng)中沒有對應(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)計量并無檢驗規(guī)定。尚無人對收費(fèi)平臺開展過定期標(biāo)定和測試。當(dāng)前，充電站的計費(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。不過因為這個充電機(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，動力電池替換在中國的使用范圍相當(dāng)小，采用動力電池替換的汽車只能是一些特殊的品牌。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的主要因素是當(dāng)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(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)都是在通過眾多實踐證明后，得以有效實施的無線充電技術(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?。目前，已?jīng)有一些企業(yè)成功開發(fā)出了以磁耦合共振技術(shù)為基礎(chǔ)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(shù)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(lǐng)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(jīng)發(fā)展并獲得了有效運(yùn)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(diǎn)發(fā)展

目前，中國車用電源技術(shù)的重大進(jìn)展具體包括。傳導(dǎo)導(dǎo)電和換電是目前應(yīng)用上較為成熟的電動汽車供電技術(shù)，但無線電源還處于過渡測試的階段。目前，國家已傳導(dǎo)導(dǎo)電經(jīng)制定了若干相應(yīng)的法律規(guī)范，來對與該技術(shù)相關(guān)的商業(yè)使用加以合理地規(guī)范。而由于對充電設(shè)施提供資源的商家較多，因此為了能合理設(shè)定充、換電供給的電能點(diǎn)，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(chǔ)設(shè)施的功能。經(jīng)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(jī)可以應(yīng)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(jī)通常比較應(yīng)用于各種更大規(guī)模的充滿現(xiàn)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(diǎn)時所需投入的費(fèi)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(yīng)用在家里的單獨(dú)停車庫中，甚至是在學(xué)校的停車場充值處中。動力電池更換技術(shù)的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了有關(guān)工作的共同進(jìn)展，如租賃動力電池的咨詢服務(wù)、電池的補(bǔ)充咨詢服務(wù)和對動力電池提供維護(hù)、保修，以及各種后期服務(wù)的行業(yè)。此類行業(yè)的存在，促使了市面上出現(xiàn)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(fèi)者帶給更為全面妥善的售后保障咨詢服務(wù)。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(chǎn)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(wǎng)在夜間低谷階段的電費(fèi)相對低廉，因此可以及時對供電實施調(diào)峰，從而均衡了電網(wǎng)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(xiàn)狀的主要因素，是當(dāng)時我國還不能對電池的產(chǎn)品規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)統(tǒng)一，同時還不能完成模塊化的制造工程任務(wù)。另外，各種給電動汽車安裝電池的工作地點(diǎn)也不同。傳導(dǎo)，充電和換電這二類給電動汽車補(bǔ)充能量的方法，均必須汽車停下來后才可以進(jìn)行相應(yīng)的工作，對時間和空間產(chǎn)生了相應(yīng)的擠占和耗費(fèi)。無線電源技術(shù)也很有效地緩解了這方面的問題。因為無線電源技術(shù)的進(jìn)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(guān)技術(shù)人員合理節(jié)省時間。磁耦合共振無線電源技術(shù)，以及微波電源技術(shù)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(shù)。目前，現(xiàn)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(wù)管理系統(tǒng)，并在現(xiàn)實使用中取得了不錯的市場反映，而車輛微波電源科技領(lǐng)域方面也有了一些的突破，特別是在傳輸能量的利用率領(lǐng)域方面。所以，在電動汽車供電領(lǐng)域方面推廣無線充電方式的新科技指日可待。該科技一經(jīng)發(fā)展并獲得了有效運(yùn)用，必然可以提高人民對選購電車的自信。

6結(jié)論

為應(yīng)付霧霾氣候，降低車輛污染物排放量，提高城市交通服務(wù)機(jī)構(gòu)的車輛結(jié)構(gòu)調(diào)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(dāng)前燃料電池技術(shù)沒有獲得突破性發(fā)展之前，電力的供應(yīng)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(shù)不斷發(fā)展，涵蓋了射頻輸電、光輸電、微波傳送和強(qiáng)共振電磁耦合應(yīng)用科技在內(nèi)的現(xiàn)代電力科學(xué)技術(shù)。目前，當(dāng)今世界上使用范圍最廣泛、應(yīng)用頻次最大的電源方法仍然是傳導(dǎo)供電。而充電時間短是相關(guān)技術(shù)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(shù)也必將被淘汰。因此，電動汽車行業(yè)還需要進(jìn)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(jìn)一步發(fā)展，涵蓋了射頻輸電、光輸電、微波傳輸，以及強(qiáng)共振電磁耦合應(yīng)用技術(shù)等新內(nèi)容的電動汽車供電技術(shù)也實現(xiàn)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(yīng)電源技術(shù)的研發(fā)工作。目前，當(dāng)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(dǎo)電源。而充電時間也是有關(guān)工程技術(shù)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(bǔ)充能量的時候，不過電池技術(shù)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(guān)的技術(shù)人員必須要加強(qiáng)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(yán)重，再加上電動汽車在節(jié)能與環(huán)境保護(hù)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(tuán)有限公司技師學(xué)院