電動汽車供電技術的研究及發展

摘要：在目前能源短缺、環境污染嚴重、節能減排的巨大壓力下，先進的電動汽車技術成為人們關注的熱點。本文立足于中國實際，參考國外先進成果，對電動汽車供電技術進行了分析與研究，可為電動汽車發展戰略與政策的制定提供參考。

關鍵詞：電動汽車；傳導充電；電池更換；無線供電

中圖分類號：U464.9+3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）06-0004-05

Investigation and Development of EV Power Transfer System

GU Ye1，SHE Jian-qiang2，WANG Hua-wu1

（1. Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China；

2.Dongfeng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430056，China ）

Abstract：Under the background of energy scarcity，severe environment pollution and potential irreversible hazard from global climate change，advanced electric vehicles have become hotspot.Based on Chinese actual conditions，and according to the development of world advanced technolog，the paper analyzed the technical realization of EV power transfer system.The results can provide a reference for the development strategy and policy-making on electric vehicles.

Key words：electric vehicle；conductive charge；battery exchange；wireless charge

根據國內某機構對影響消費者購買純電動轎車心理因素進行調查，在消費者不購買電動轎車的七大理由中，提及率排在前三位的都與電有關，分別是：擔心行駛到野外沒有充電站；充電時間太長和滿充后的續駛里程不足，特別是高達七成的消費者擔心充一次電只能走100公里左右，半路沒電就很麻煩。由此可見無論是電能的供給還是存儲都影響著消費者的信心。在當前電池技術尚不發達，能量密度無法成倍提升的情況下，電能的供給對電動汽車事業發展顯得尤為重要［1-2］。

本文從技術角度對電動汽車三種供電方式的工作原理進行闡述，分析了目前國內外的應用現狀和研究成果，指出現有技術存在的問題及發展方向，從而探討出一條適合電動汽車可持續發展的供電技術路線。

1電動汽車供電技術介紹

電動汽車供電技術按實現方式分為三類：傳導充電、換電和無線充電。

傳導充電基于電傳導原理，將電動汽車與充電設施通過電纜連接進行充電；換電即用充滿電的新電池成組替換已經耗盡能量的舊電池組；無線充電技術在電動汽車與充電設備之間不存在電纜連接，是一種非接觸式供電方式。

傳導充電和換電的技術原理比較簡單，在此不再贅述。

下面對無線充電從技術原理角度進行闡述：

當今世界上無線供電技術分為兩大陣營，第一個陣營使用的是傳統的電磁感應技術，另一陣營又分為強共振磁耦合技術、微波傳輸、光輸電和射頻輸電。電磁感應技術由于其特定的工作原理可能在充電過程中對車輛上的電子設備產生干擾，從而影響整車可靠性，不適合在電動車領域使用；光輸電會因為物理干擾導致電力中斷；射頻技術傳輸電能功率有限，因此可能為電動汽車供電的是強耦合磁共振技術和微波傳輸技術。

強共振磁耦合技術是由麻省理工大學教授馬林·索爾賈?？税l明的，2007年6月，物理學家馬林·索爾賈希克和他的研究團隊利用該技術進行了一項公開演示：給一個直徑60厘米的線圈通電，點亮了連接在2米之外的另一個線圈上的60瓦燈泡，見圖1。這種無線供電技術引起了人們的極大關注，與電磁感應技術相比，這項技術是安全的，正如聲音共振能震碎窗戶上的玻璃而不會振裂房間里別人的耳膜一樣，人是很安全的。磁體面前，人如同空氣。人不會干擾磁體，磁體也不會對人有太大干擾。

微波傳輸技術最早可追溯到1967年的美國，當時美國空軍同雷神公司進行了一項試驗：通過微波向模擬直升飛機提供電力。這一試驗連續進行了10個小時，成功地使直升飛機維持在18米高度。這是世界上第一次進行的電力微波傳輸試驗。

如前所述，馬林·索爾賈希克的研究點燃了人們對磁耦合共振無線供電技術的熱情，HaloIPT公司就是其中一家致力于將此技術在汽車領域商業化的技術開發公司，該公司由新西蘭UniServices，Trans Tasman Commercialisation Fund（TTCF）和設計咨詢機構Arup于2010年創建，公司首席執行官Anthony Thomson博士［3］。該公司在2010年中國深圳舉辦的EVS25上展示其電動車無線充電系統（見圖2），通過一個安置于雪鐵龍電動汽車車身下側的電能接收墊，無線充電系統就可以對電池進行無線充電。該公司表示，感應式電能傳輸技術將于2012年實現商業規模應用。

對于微波供電技術，在汽車領域也有企業對此技術產生濃厚興趣，他們將研究重點放在提高傳輸功率和效率上，例如，京都大學和UD Trucks（原日產柴油卡車）對接受微波供電的天線形狀進行了改進（見圖3），由此，得到了收發天線之間的傳輸效率可提高至83.7％的模擬結果。據介紹，實際試制天線之后，傳輸效率創下了76.0％的紀錄。

2 應用現狀

2．1 國外應用現狀

對于傳導充電，尚未形成統一的國際標準，歐洲、日本、北美都有自己的標準在本地區內執行，詳細情況見表1［4-6］。

盡管傳導充電操作簡便易行，但是充電方式存在固有缺陷：常規充電等待時間長，快速充電對電池壽命有影響，因此電池更換也是各國電動汽車供電的應用方向之一。美國Better Place公司開發出世界上第一套電池自動更換系統，整個工作主要由安裝在自動軌道上的兩個電池升降自控設備完成：首先，一個升降設備負責將汽車底部耗盡的電池移除；然后，另一個放置充滿電的電池的電池升降設備就將滿電電池插入汽車；最后，自動軌道系統將這塊從汽車中移除的空電池送回電池存儲庫中進行再充電，以備下次其他電動車使用。Better Place已經在以色列特拉維夫、丹麥哥本哈根以及加拿大多倫多開放了包括換電站在內的體驗中心，至2011年末，Better Place 的電池換電站將遍布全球四大洲，這其中包括美國、歐洲、澳大利亞及中國［7］。

2．2 國內應用現狀

我國在傳導供電領域已經建立了一套標準體系，詳細情況如表2［8-15］。

將以上標準與國際標準進行比較，中國的七端子交流充電接口（見圖7）的控制導引電路的功能是一個創新點，比SAE J1722和IEC62196中的控制導引電路實現的控制和保護功能更加全面；中國的九端子直流充電接口（見圖8）保護接地端子相對與其他端子首先完成連接并最后完成斷開，并且電動汽車與充電設備在充電邏輯上加以控制，保證了在插拔充電接口時自動切斷負載，以保證人身安全。

在電池更換領域，已經進入試點階段，2010年下半年，普天海油新能源動力有限公司公開基于換電的電動汽車商業模式，即搭建一個推動中國電動轎車可持續發展的商業化平臺，向下只需電池廠按照標準動力電池箱的技術參數要求進行批量生產，即可獲得大量采購訂單；向上只要整車企業提供可以搭載動力電池快換系統的車輛，即可擁有“裸車銷售”的市場競爭力。2011年年初，國家電網總經理劉振亞在“國家電網2011年度會議”上表示，國家電網汽車充電站確定以換電為主，插充電為補充的運營模式。作為國家電網試點，杭州市于2011年1月開始投入換電式純電動出租車營運，首批30輛。與此同時，電池更換涉及到的電池統一標準、電池安全技術標準和電池管理制度的制訂也在探討當中。

3 存在問題及發展趨勢

就技術成熟度而言，目前比較成熟的電動汽車供電技術為傳導充電和換電，無線供電次之。

對于傳導充電，我國已經制訂出臺了一系列標準，充電設備供應商資源比較充足，只需要在城市規劃建設中作到合理布局就可以滿足使用需要：能夠兼顧常規充電和快速充電需要的柜式/柱形充電機適用范圍廣，但初期投資較大，可用于各類充電站；常規充電使用的墻體充電插座投資費用不高，但是提供的電功率有限，適合用于家庭獨立停車庫和小區停車位充電使用。

電池更換模式催生出電池租賃業務，電池的充電、維修、保養、更換和回收服務都由專業的電池租賃公司提供，有利于電池性能的保持和廢舊電池的回收，同時可以消除快速充電對電池的劣化損害；另外，回收的電池可以利用電網夜間低谷時期的便宜電價，集中到晚上充電，從而對電網起到調峰作用，有利于電網用電電力平衡，可謂一舉兩得。盡管存在上述優點，電池更換目前在我國還不可能大規模地應用推廣，只能針對特定車輛或特定品牌車輛使用，主要原因在于電池標準化、模塊化任務尚未完成，電池安裝位置不統一限制了自動更換設備的使用。

前兩種方式都需要汽車停車進行，造成時間和空間的占用，無線供電技術的發展使不停車充電成為可能。磁耦合共振無線供電技術和微波供電技術都經過了實驗室驗證，國際上也有不少公司和技術人員正在致力于這些技術在汽車供電上的應用開發，并且已有公司開發出基于磁耦合共振技術的汽車無線充電系統，微波供電技術也在電能傳輸效率的提高方面取得可喜進展，可以預見，電動汽車無線充電的規?；瘧脩摓槠诓贿h了。一旦不停車充電大規模應用成為現實，必將激發人們對電動汽車的熱情，消除使用電動車的顧慮，將心動轉變為行動。

4 結論

安全、可靠、高效的供電技術是電動汽車可持續發展的基礎，就現階段而言，傳導供電是世界上應用最廣泛的供電方式；在電池技術未取得突破性進展前，用充滿電電池替換下車上空電池的換電模式也是一種解決方案，因為不受充電時間限制，可以最佳方式對電池充電，有利于電池性能的保持，但是換下的電池需要空間存放，是用空間換取時間，一旦電池技術的發展解除了充電時間上的限制，換電模式必將遭到淘汰。

無論是傳導充電還是換電都需要停車進行，而無線供電技術使不停車充電成為可能，磁耦合共振和微波供電為無線供電的實現提供了技術上的支持，通過全球科技人員的不斷努力，不帶充電電纜的電動汽車將奔馳在世界各地的公路上。

參考文獻：

［1］ 中國汽車工程學會等.中國純電動汽車發展配套措施研究［R］.2009.10.

［2］ 夏德建.電動汽車研究綜述［J］.能源技術經濟，2010（7）：49-55.

［3］ HaloIPT，Inc. http：//www.haloipt.com.

［4］ IEC 61851 Electric vehicle conductive charging system［S］.

［5］ IEC 62196 Plugs，socket-outlets，vehicle couplers and vehicule inlets［S］.

［6］ SAEJ1772 SAE Electric Vehicle Conductive Charge Coupler［S］.

［7］ Better Place，Inc. http：//www.betterplace.com.

［8］ QC/T 841-2010 電動汽車傳導式充電接口［S］.

［9］ QC/T 842-2010 電動汽車電池管理系統與非車載充電機之間的通信協議［S］.

［10］ GB/T 18487-2001 電動車輛傳導充電系統［S］.

［11］ GB/T 20234-2006 電動汽車傳導充電用插頭、插座、車輛耦合器和車輛插孔通用要求［S］.