電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)能策略研究＊

金會(huì)義

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電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)能策略研究＊

金會(huì)義

（天津農(nóng)學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，天津 300384）

電動(dòng)汽車(chē)是最有前景的新能源汽車(chē)種類之一。分析了電動(dòng)汽車(chē)目前使用的續(xù)能策略——充電策略之困境，充電時(shí)間長(zhǎng)是制約其發(fā)展的最大障礙。發(fā)展快充方式、優(yōu)化充電網(wǎng)點(diǎn)在一定程度上緩解了情況，但不能徹底解決。提出的換電策略與充電策略相比，具有更大的優(yōu)勢(shì)，尤其可以縮短電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)能時(shí)間，為電動(dòng)汽車(chē)全面替代燃油汽車(chē)提供可能。該策略面臨的技術(shù)、建設(shè)等問(wèn)題容易解決，在技術(shù)、政策、經(jīng)濟(jì)上是可行的。建議進(jìn)行深入策略討論、技術(shù)研究，從而有效推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

電動(dòng)汽車(chē)；續(xù)能策略；充電策略；換電策略

1 概述

面對(duì)能源危機(jī)及環(huán)保壓力，燃油汽車(chē)禁售已提上日程。荷蘭、挪威最早將于2025年禁售燃油車(chē)，德國(guó)、瑞士、比利時(shí)和英國(guó)、法國(guó)也將于2030年和2040年禁售，我國(guó)也頒布了關(guān)于燃油車(chē)禁售時(shí)間，預(yù)計(jì)將于2035年禁售燃油汽車(chē)。新能源汽車(chē)即將大規(guī)模登上歷史舞臺(tái)，其中電動(dòng)汽車(chē)是目前生產(chǎn)、發(fā)展最快的一種。

2 續(xù)能策略背景

發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低。自燃油汽車(chē)禁售時(shí)間劃定，全球各地電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)紛紛成立，老牌車(chē)企也迅速轉(zhuǎn)身，這與成熟的電動(dòng)和蓄電技術(shù)密切相關(guān)。1821年，法拉第就發(fā)明了人類歷史上的第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)200多年的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。蓄電技術(shù)的出現(xiàn)可以追溯至18世紀(jì)，19世紀(jì)末已經(jīng)出現(xiàn)了成熟的鉛酸電池，之后鉛酸電池的結(jié)構(gòu)便沒(méi)有變化。因此，電動(dòng)汽車(chē)基本技術(shù)已經(jīng)成熟，但為什么在汽車(chē)出現(xiàn)的100多年里，電動(dòng)汽車(chē)完敗于燃油汽車(chē)呢？這是由于電動(dòng)汽車(chē)受續(xù)航、續(xù)能短板所限，續(xù)航里程短、續(xù)能時(shí)間長(zhǎng)，這是長(zhǎng)久以來(lái)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法逾越的鴻溝。為了增加續(xù)航里程，研究人員在電力優(yōu)化、減重、減小風(fēng)阻等方面做出了突出成績(jī)。另外，電池技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)鋰硫電池[1-3]、鋰離子電池[4]、鋰-空氣電池[5]、鋁-石墨烯電池[6]等已進(jìn)行了深入研究。燃油汽車(chē)燃油耗盡前到加油站加油是其續(xù)能方式，而電動(dòng)汽車(chē)在電能耗盡前需要為蓄電池充電是電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)能方式。但是蓄電池充電有一個(gè)問(wèn)題需要解決，即充電時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于加油時(shí)間，尤其為了增加續(xù)航里程而在不斷增加電池容量，使得這個(gè)問(wèn)題更加突出。為此，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了快速充電技術(shù)，但即使不提這種技術(shù)對(duì)電池造成的損害和危險(xiǎn)，快速充電所謂的快速仍然無(wú)法滿足實(shí)用化的要求。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了電動(dòng)汽車(chē)新的續(xù)能策略。

3 充電策略

所謂“充電策略”，就是以電能為能量形式的機(jī)動(dòng)車(chē)在電能即將耗盡時(shí)，整車(chē)置于充電站用導(dǎo)線引入方式為蓄電池補(bǔ)充能量的策略。以往雖然沒(méi)有提出過(guò)此概念，但是該策略是目前全世界所有電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)能的唯一方式。該策略是車(chē)企將蓄電池作為車(chē)輛零部件的一個(gè)自然而然的選擇，是燃油汽車(chē)?yán)m(xù)能思路的延續(xù)。該策略是否是電動(dòng)汽車(chē)的最佳續(xù)能方式呢？是否還有其他續(xù)能策略呢？

3.1 充電策略存在的問(wèn)題

充電速度慢、充電時(shí)間長(zhǎng)是電動(dòng)汽車(chē)最大的難題，而這是由科學(xué)規(guī)律所決定，從目前的科學(xué)和技術(shù)手段看還無(wú)法有效解決。表1列出了市售部分電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間及續(xù)航里程。從表1中可以看出，所有車(chē)型快充時(shí)間不會(huì)低于0.5 h，如果考慮到操作時(shí)間以及充電、付費(fèi)的排隊(duì)時(shí)間等，充電一次的時(shí)間就會(huì)更長(zhǎng)。然而，快速充電僅僅能將電池電量補(bǔ)充至其容量的80%，另外，考慮到各種行駛路況，快充一次的行駛里程將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表中的續(xù)航里程。充電速度慢導(dǎo)致充電時(shí)間長(zhǎng)，充電時(shí)間長(zhǎng)是目前制約電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模推廣、完全替代燃油汽車(chē)的最大難題。

3.2 充電策略的發(fā)展

對(duì)蓄電池的充電是電池反應(yīng)的逆向反應(yīng)，在電池的正負(fù)極分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，不過(guò)與放電時(shí)氧化還原反應(yīng)互換了電極。在兩個(gè)電極間填充電解質(zhì)，中間還要有隔膜，這是蓄電池基本的結(jié)構(gòu)，電解質(zhì)的作用是充放電時(shí)在兩個(gè)電極間傳輸導(dǎo)電離子，隔膜是為了隔離兩極并使電池內(nèi)的電子不能自由穿過(guò)，讓導(dǎo)電離子自由通過(guò)，而電解質(zhì)和隔膜都有一定的電阻。當(dāng)電池充放電時(shí)，電流通過(guò)電解質(zhì)和隔膜，由于電阻存在會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，電流越大熱量越多，當(dāng)熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)至周?chē)h(huán)境時(shí)，電池溫度升高就會(huì)破裂、著火甚至爆炸。這就是為什么在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的初期，經(jīng)常發(fā)生電池著火的原因，這也是限制充電電流的原因。

表1 部分電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間及續(xù)航里程

車(chē)企車(chē)型快充時(shí)間②/h慢充時(shí)間/h續(xù)航里程③/km 廣汽新能源傳祺GE3 5300.58530 比亞迪元EV3600.5—360 東風(fēng)日產(chǎn)軒逸·純電0.88389 吉利新能源帝豪EV4500.59450 NIO蔚來(lái)ES80.810500 北汽新能源EU5 R5000.56570 榮威ERX5 EV4000.77425

注：①數(shù)據(jù)均來(lái)自官網(wǎng)；②電池電量從30%充到80%所用的時(shí)間；③60 km/h為勻速續(xù)航里程。

電解質(zhì)和隔膜材料的發(fā)展提高了充放電電流，為電動(dòng)汽車(chē)提供了基本合格的電池，研究人員又在電池周?chē)黾恿松嵫b置，優(yōu)化電池箱[7]，終于使蓄電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)成為了現(xiàn)實(shí)。為了縮短充電時(shí)間，電池的耐受電流被充分應(yīng)用，充電方式由恒壓慢充發(fā)展為恒電流快充，但當(dāng)電池電量達(dá)到80%后，出于安全的考慮，就不能再用恒流方式充電，所以快速充電技術(shù)仍未能提供一個(gè)完美的解決方案。

充電慢導(dǎo)致充電難，為了解決充電難的問(wèn)題，研究人員提出了多種解決辦法，其中，多數(shù)屬于充電網(wǎng)點(diǎn)的建設(shè)。葛笑寒[8]研究設(shè)計(jì)了可充電樁網(wǎng)絡(luò)，提出了基于通信的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，對(duì)充電管理系統(tǒng)、電量計(jì)量系統(tǒng)、電費(fèi)交易結(jié)算系統(tǒng)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了充電機(jī)、電池管理系統(tǒng)與用戶，甚至城市樞紐之間的通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)；李敏[9]對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站的布局規(guī)劃進(jìn)行了分析，建立了充電站布局模型；包蘊(yùn)[10]等考慮充電站建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本以及用戶充電成本建立了最小化選址模型；郭杉[11]等為了精確配置某一區(qū)域內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施，提出一種充電負(fù)荷模型，研究快充及慢充樁的精確配置；為了使充電更加方便，李洪峰[12]等探討建立了小區(qū)電動(dòng)車(chē)充電服務(wù)平臺(tái)；王毅[13]等研究了住宅區(qū)電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷隨機(jī)接入控制策略，以期降低系統(tǒng)和用戶的成本；劉廣杰[14]等介紹了無(wú)線充電的工作技術(shù)原理，分析了實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題；趙文瑄[15]等建立了基于無(wú)線充電方式下電動(dòng)汽車(chē)與風(fēng)電的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，優(yōu)化了控制各時(shí)段電動(dòng)汽車(chē)的充電功率。

4 換電策略

雖然研究人員對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電進(jìn)行了大量研究，但是充電慢和充電難的問(wèn)題仍沒(méi)有效解決。蔣強(qiáng)[16]等在討論充電模式中曾提出過(guò)更換電池的充電模式，更換下來(lái)的電池組可以在用電低谷充電，更換電池如果使用機(jī)械裝置更換，則所用時(shí)間將與燃油車(chē)加油時(shí)間大致相當(dāng)。本文在此基礎(chǔ)上提出解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)能問(wèn)題的換電策略。

4.1 換電策略概述

所謂“換電策略”，就是以電能為能量形式的機(jī)動(dòng)車(chē)在電能即將耗盡時(shí)，在充電站直接更換充滿電量的蓄電池策略。該策略中將蓄電池與電動(dòng)汽車(chē)所有權(quán)進(jìn)行分離，蓄電池與電能綁定由售電企業(yè)負(fù)責(zé)，蓄電池的充電、安全檢查由售電企業(yè)操作。如果采用自動(dòng)化裝置更換電池，將大大減少電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)能時(shí)間，徹底解決電動(dòng)汽車(chē)全面替代燃油汽車(chē)的障礙。

4.2 換電策略優(yōu)勢(shì)

換電策略對(duì)比充電策略具有以下6個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

4.2.1 有利于縮短續(xù)能時(shí)間

換電策略僅包括更換電池，電池設(shè)計(jì)為了方便更換，采用自動(dòng)化更換裝置，續(xù)能時(shí)間就會(huì)完全媲美燃油汽車(chē)加油時(shí)間，這是換電策略決定性的優(yōu)勢(shì)。

4.2.2 有利于降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

個(gè)人充電樁以及便攜式充電雖然比充電站充電電流小，但相對(duì)于家庭常規(guī)用電負(fù)荷較大，小區(qū)和住宅電路大多沒(méi)有這方面的設(shè)計(jì)冗余，因此，存在過(guò)載及電路老化的安全隱患。換電策略將不再進(jìn)行小區(qū)及家庭續(xù)能，降低了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.3 有利于提高用戶人身安全性

不同于手機(jī)充電，汽車(chē)充電屬于高電壓操作，并不能保證每一名用戶能夠時(shí)時(shí)刻刻安全操作，因此，存在人身安全隱患。將專業(yè)的事交給專業(yè)的人做，消除了用戶的人身危險(xiǎn)。

4.2.4 有利于提高汽車(chē)安全性

蓄電池是電動(dòng)汽車(chē)最大安全隱患之一，內(nèi)置電池只有在汽車(chē)保養(yǎng)時(shí)才檢查電池工況，換電策略在每一次更換電池時(shí)，售電企業(yè)都要檢查電池情況，避免了由于電池問(wèn)題埋下的汽車(chē)安全隱患。

4.2.5 有利于提高電網(wǎng)效率

電網(wǎng)用電存在高峰和峰谷，峰谷富裕的電量浪費(fèi)較大，售電企業(yè)可以將更換的蓄電池放在峰谷時(shí)間充電，提高電網(wǎng)效率。另外，與充電站相比，換電站建設(shè)更加方便，網(wǎng)點(diǎn)分布廣泛，可以縮短電能的輸送距離，降低能耗。

4.2.6 有利于降低續(xù)能站成本

充電策略中充電站占地較大，因?yàn)槌潆姇r(shí)間長(zhǎng)，汽車(chē)需要長(zhǎng)時(shí)間停泊；而換電站僅需要汽車(chē)短暫停泊，不需要建設(shè)大面積的停車(chē)場(chǎng)，續(xù)能站建設(shè)成本降低。

4.3 換電策略面臨的問(wèn)題及解決方法

換電策略雖然具有較大優(yōu)勢(shì)，但是推廣起來(lái)還面臨一些問(wèn)題需要解決。

4.3.1 汽車(chē)技術(shù)問(wèn)題

續(xù)能方式由充電變?yōu)閾Q電需要在汽車(chē)結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行較大調(diào)整。充電策略下電池組不易拆卸，換電策略下電池組要容易拆裝，還需要電池與汽車(chē)的接口簡(jiǎn)單。要想解決這些問(wèn)題，需要國(guó)家制訂電池接口標(biāo)準(zhǔn)、汽車(chē)用電標(biāo)準(zhǔn)、電池盒標(biāo)準(zhǔn)，為了拆卸方便，電池位置也需要統(tǒng)一。

4.3.2 換電站技術(shù)問(wèn)題

換電站需要具備兩部分功能，即充電和換電。充電技術(shù)沒(méi)有問(wèn)題，換電需要設(shè)計(jì)專門(mén)拆裝電池的設(shè)備，拆裝的電池需要安全輸送，因此也需要設(shè)計(jì)專門(mén)的輸送設(shè)備。當(dāng)然，換電還需要培訓(xùn)專門(mén)的操作人員。另外，為了定量電能，需要專門(mén)的設(shè)備來(lái)檢測(cè)電池電量。

4.3.3 蓄電池的使用及檢查

充電策略下的電動(dòng)汽車(chē)，不同車(chē)型的蓄電池存在差異，而差異的蓄電池?zé)o法互換使用，因此，蓄電池需要統(tǒng)一規(guī)格，需要制訂蓄電池的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。為了打消用戶對(duì)所換電池質(zhì)量問(wèn)題的疑慮，需要明確售電企業(yè)對(duì)電池所負(fù)的責(zé)任，電池的淘汰也由售電企業(yè)負(fù)責(zé)。

4.3.4 已售汽車(chē)換電

已售汽車(chē)將會(huì)成為續(xù)能策略改變的較大阻力，可以考慮多方負(fù)擔(dān)的升級(jí)改造或逐步淘汰的解決辦法。

4.4 換電策略的可行性

4.4.1 技術(shù)可行性

在以上面臨問(wèn)題的分析中可以看出，續(xù)能方式的改變不需要技術(shù)的根本變革，僅僅需要統(tǒng)一汽車(chē)設(shè)計(jì)方面的某些規(guī)格參數(shù)，因此，在技術(shù)上是完全可行的。

4.4.2 政策可行性

續(xù)能困擾是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的最大阻力，換電策略將有效消除這個(gè)阻力，與國(guó)家大力推廣電動(dòng)汽車(chē)的政策相向而行。國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的政策扶持，隨著這種改變需要轉(zhuǎn)變成對(duì)售電企業(yè)的扶持，因?yàn)槲磥?lái)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的阻力將轉(zhuǎn)換到售電企業(yè)，轉(zhuǎn)換到承載著電能的蓄電池上。

4.4.3 經(jīng)濟(jì)可行性

換電策略下，制訂的電動(dòng)汽車(chē)的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將有效降低汽車(chē)企業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)成本，而這些成本正好可以填補(bǔ)躺在售電企業(yè)庫(kù)房中待換的蓄電池上，但填補(bǔ)的過(guò)程需要杠桿調(diào)節(jié)。

5 推廣建議

能源更替已迫在眉睫，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展需要闊步前進(jìn)。換電策略的實(shí)施將會(huì)加快電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的步伐，將會(huì)使我國(guó)獲得電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展方向的話語(yǔ)權(quán)。為了使電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展駛?cè)肟燔?chē)道，建議政策、規(guī)劃、技術(shù)領(lǐng)域?qū)υ摬呗赃M(jìn)行深入廣泛討論，建議大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)在該策略實(shí)施的技術(shù)支撐上進(jìn)行深入研究，共同推動(dòng)我國(guó)以及世界電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

換電策略是對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)能方式的徹底變革，對(duì)比充電策略具有巨大優(yōu)勢(shì)，將有效改變充電慢、充電難的難題，該策略面臨的問(wèn)題是可以解決的，在技術(shù)、政策、經(jīng)濟(jì)上具有很大的可行性，將有效推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

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2095－6835（2018）23－0044－03

U469.72+2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.044

金會(huì)義（1979—），男，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染治理。

天津農(nóng)學(xué)院科學(xué)研究發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2016NZD06）

〔編輯：張思楠〕