电动汽车快速充电技术研究及发展趋势

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当前，珍惜地球上有限的石油资源，保护人类赖以生存的自然环境，减少温室气体排放量，遏制气候变暖已经成为各国面临的共同问题。汽车作为现代社会化大工业的产物，已经成为石油消耗的主体。汽车排放的大量尾气造成严重的空气污染，影响人们的身心健康和社会的可持续发展。要解决能源与环境两大问题，汽车工业必然向着环保、清洁、节能方向发展。以电动汽车为代表的新能源汽车具有零（低）污染物排放、低噪声、能源效率高、维修及运行成本低等特点，代表了世界汽车发展的方向。

1 电动汽车充电设备
电动汽车充电设备一般称为充电机，在电动汽车应用中发挥着重要的作用。对于一辆电动汽车来讲，充电机是不可缺少的子系统之一，蓄电池的电能用完之后，用它给蓄电池再充电，其功能是将电网的电能转化为电动汽车车载蓄电池的电能。

图1 地面充电机布置方案

1.1 性能要求
对充电机的基本性能要求包括以下几项：

（1）经济效益
成本经济、价格低廉的充电机有助于降低整个电动汽车的成本，提高运行效益，有利于促进电动汽车的商业化。

（2）操作方便
当在供电电网、充电机和蓄电池组之间进行插头和插座的插拔操作时，要本着操作简单、易于使用的原则。一般插头较大、较重，需要一定的插拔力度。

（3）高效无污染
效率高是对现代充电机重要的要求之一，它对整个电动汽车的能量效率有巨大的影响。同时还要有效抑制充电机在使用过程中对供电电网和其他用电设备的谐波污染，因此，设计充电机时要保证较高的输入功率因数。

（4）可靠安全
电动汽车充电时，如何保证人身和蓄电池组的安全是至关重要的，充电机必须保证整个充电过程安全可靠。主要有以下几种情况：
①操作者将电动汽车蓄电池组通过充电机与供电电网连接；
②充电过程中，人身与电动汽车车体接触；
③充电过程中，充电机发生故障；
④充电结束后，操作者进行断开操作；
⑤外部环境条件恶劣，如遇雨雪天气等。

1.2 主要分类
根据不同的分类标准，电动汽车充电机可以分为多种类型，如表1所示：

（1）车载充电机
车载充电机，是指安装在电动汽车上的采用地面交流电网和车载电源对电池组进行充电的装置，它将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电动汽车蓄电池充电，因此也可以称为交流充电机。车载充电机一般设计为小充电率，它的充电时间长（一般是5~8h），由于电动汽车车载质量和体积的限制，车载充电机要求尽可能体积小、重量轻（一般小于5kg）。车载充电机对于要充电的蓄电池是有针对性的，蓄电池的充电方式也是预先定义好的。由于充电机和电池管理系统（BMS，负责监控蓄电池的电压、温度和荷电状态）都装在车上，它们相互之间容易利用电动汽车的内部线路网络进行通信。

（2）地面充电机
地面充电机，即非车载充电装置，是指固定在地面上的对交流电进行整流变换，其直流输出端对电池组进行充电的装置，因此也可以称为直流充电机。根据充电场所和充电需求的不同，地面充电机主要应用于家庭、充电站以及各种公共场所。为了可以满足各种电池的各种充电方式，通常地面充电机的功率、体积和重量都比较大，一般设计为大充电率。由于地面充电机和电池管理系统在物理位置上是分开的，它们之间必须通过电线或者无线电进行通信。根据电池管理系统提供的关于电池的类型、电压、温度和荷电状态的信息，地面充电机选择一种合适的充电方式为蓄电池充电，以避免蓄电池的过充和过热。

图1是电动汽车所用的地面充电机的典型布置方式。该充电机由一个能将输入的交流电转换为直流电的整流器和一个能调节直流电功率的功率转换器组成，通过把电线的插头插入电动汽车上配套的插座中，直流电能输入蓄电池对其充电。充电器设置了一个锁止杠杆以利于插入和取出插头，同时杠杆还能提供一个确定已经锁紧的信号，如果没有此信号，充电器就不会给电池充电以确保安全。根据地面充电机和车上电池管理系统相互之间的通信，功率转换器能在线调节直流充电功率，而且地面充电机能显示充电电压、充电电流和充电的电能，甚至所需充电费用等。

3）传导式充电机
传导式充电机，又称接触式充电机，采用插头与插座的金属接触来导电，充分利用了技术成熟、工艺简单和成本低廉的优点。使用者把充电源接头连接到汽车上。这种方式的缺陷是：导体裸露在外面不安全，而且会因多次插拔操作，引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能。

（4）感应式充电机
感应式充电机是采用感应耦合方式充电，即充电源和汽车接受装置之间不采用直接电接触的方式，而是采用由分离的高频变压器组合而成，通过感应耦合，无接触式地传输能量。采用感应耦合方式充电，可以有效解决接触式充电的缺陷。

感应充电机是利用高频变压器原理，如图2所示，高频变压器的一边绕组装在离车的充电器上，另一边绕组嵌在电动汽车上，输入电网交流电经过整流后，通过高频逆变环节，将50~60Hz的市电转换为80~300Hz的高频电，经电缆传输通过感应耦合器后，传送到电动汽车输入端，再经过整流滤波环节，将高频交流电变换为能够为蓄电池充电的直流电。

2 电动汽车充电方式
2.1 常规充电
常规充电就是采用传统的恒流、恒压充电方式对电动汽车进行充电，分为小电流充电和中电流充电两种方式。

（1）小电流充电
小电流充电主要应用于家庭充电场合。电流大小约为15A,典型的充电时间为8~10h（充到95%以上），相应的充电机工作和安装成本相对比较低，有利于提高充电效率和延长电池的使用寿命。这种充电方式对电网没有特殊要求，直接从低压照明电路取电，充电功率小，一般为1~3kW，由220V/16A规格的标准电网电源供电。由于在家中充电通常是晚上或者在用电低谷期，有利于电能的有效利用，因此电力部门一般会采取打折等措施以吸引电动汽车用户在用电低谷期充电。

电动汽车家用充电设备（车载充电机）多采用这种充电方式。车载充电机是纯电动汽车的一种基本的充电设备，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机的插头插到家中的电源插座上即可进行充电，操作简单，实现方便，因此充电过程一般可由客户自己独立完成。

（2）中电流充电
中电流充电主要应用于购物中心、饭店门口、停车场等公共场所的小型充电站，小型充电站是电动汽车的一种重要的充电方式，充电机设置在街边、超市、办公楼、停车场等处。充电电流为30~60A，充电功率一般为5~20kW，采用三相四线制380V供电或者单相220V供电，计费方式是投币或者刷卡，客户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。该方式的充电时间是：补电1~2h，充满5~8h（充到95%以上）在小型（短时）充电站使用中电流充电1h，电动汽车的行驶里程可增加40km。

2.2 快速充电
快速充电不同于常规充电所采用的恒流、恒压充电方式，该充电方式是以150~400A的大电流对蓄电池进行恒流充电，力求在短时间内充入较大的电量，充电时间应该与燃油车的加油时间接近，因此快速充电也可称为迅速充电或者应急充电，主要应用于大型充电站。

快速充电方式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，充电时间一般为10~30min，充电容量可以达到蓄电池容量的80%，充电机功率很大，一般为50~100kW，采用三相四线制380V供电。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使用。这种充电方式对电池的寿命有一定的影响，在短时间内接受大量的电量会导致蓄电池过热。

2.3 更换电池组充电
除了即时给蓄电池充电外，还可以采用更换电池组的方式，即在蓄电池电量耗尽时，用充满电的电池组来更换已经耗尽的电池组。

电动汽车用户把车停在一个服务站指定的区域，然后用更换电池组的机器将已经耗尽的蓄电池取下，更换上已经充满电的电池组。整个电池更换过程一般在10min内，时间很短，对于更换下的蓄电池，可以在服务站充电，也可以集中收集起来以后再充电。蓄电池归服务站（换电站）或电池厂商所有，电动汽车用户不必购买电池，只需通过租赁电池的方式就可完成对电动汽车的充电。

图2 感应充电机的充电原理

这种充电方式虽然可行，但还存在不少问题有待解决：
（1）成本高。这种电池更换系统的成本很高，需要昂贵的机械装置和大量的蓄电池。
（2）占用空间大。由于需要存放大量的未充电和已充电的蓄电池，需要很多的存放空间。
（3）不便管理。由于有未充电电池和已充电电池之分，需要对电池进行分别归类存放，这样就加大了管理难度。

总而言之，要实现电动汽车行业的产业化，就要大规模的建设配套基础设施，通过多种电动汽车充电方式协调配合，来实现电动汽车充电的系统化和一体化。电动汽车各种充电方式的比较如表2所示。

3 电动汽车发展瓶颈及趋势
电动汽车是一个新的行业，虽然已经发展了几十年，但在我国基本上还是一个新生事物。虽然我国有一些企业也在研发、生产和销售电动汽车，但这只是企业的个体行为，在目前情况下，还不具备大批量生产的条件。我国电动客车的相关技术在国际上还是处于比较的位置，但电动轿车与国外比较还存在一定的差距，所以加大对电动汽车相关技术的研究和资金投入，还有相关政策上的资助是在我国大力发展电动汽车的关键所在。目前，我国电动汽车发展存在以下几方面的问题：

（1）制约电动汽车发展的技术瓶颈尚待突破；
（2）电动汽车的价格过高阻碍了电动汽车的普及和产业化；
（3）我国发展电动汽车的配套设施不够完善。

随着技术和实际使用中关键问题的解决，电动汽车的产业化将成为必然。我国能源匮乏，减少对石油的依赖是我国的当务之急，夜间电力资源的过剩与浪费是我国乃至全世界大中城市的共同问题，电动汽车可以利用夜间充电，是平衡夜间低谷用电的有效途径，对有效利用电力具有重要意义。因此发展电动汽车对我国能源结构调整和提高能源系统运行效率具有重要的战略意义。电动汽车是我国民族汽车工业振兴的希望所在。在传统的汽车产业上，我国落后发达国家20多年，但在电动汽车领域我国与国外的差距较小，有些领域还走在了世界前沿。因此，发展电动汽车将有可能使我国在汽车领域跨越式发展并赶超汽车发达国家，从而促进整个民族汽车工业的振兴。

4 结束语
现在，零排放电动汽车的技术已经逐渐成熟，无论从环保角度还是从能源角度来看，未来的电动汽车都需要有一个大的发展，其开发关系到众多工业的兴衰，可能成为未来新的经济增长点。根据我国国情，我国大部分城市普遍存在着十分严重的交通问题和汽车尾气排放污染问题，因此发展中小型电动汽车的市场更独特、应用前景更广阔。