電動汽車充電技術與換電技術淺析＊

吳婧，劉霞

（揚州市職業大學，江蘇 揚州 225009）

前言

電動汽車的續航能力一直是制約其發展的重要因素之一，電動汽車的能源供給模式主要以充電和換電為主。近年來政府相關部門和電動汽車企業在加速研發快充、無線充電等新技術來提高電動汽車的充電效率，積極推進快充電樁的建設和普及。與此同時電動汽車換電技術也在穩步發展，以北汽和蔚來為代表的電動車企正在嘗試“電車分離”的模式，不斷探索發展電動汽車換電技術[1]。

1 電動汽車充電技術

目前電動汽車的充電方式主要有常規充電、快速充電和無線充電這三種模式。

常規充電又稱交流慢充，其最大特點就是充電電流較小，一般充電時間達到5至8小時，有的甚至長達十幾小時。常規充電時的功率和電流相對較低，因此常規充電對充電樁等基礎設施要求不高。另外，常規充電可以利用夜間電力低谷時段進行充電，合理使用電網資源，同時能夠提高充電效率并且延長電池的使用壽命。但是由于充電時間過長，難以滿足電動汽車出行的緊急需求，同時需要在電動汽車較為集中的區域建造大型充電停車場，目前已有的充電停車場在數量和選址上都無法滿足日益擴大的電動汽車產業。

快速充電是采用較高功率或者較大電流在短時間內對電動汽車進行充電，一般在快充過程中充電功率在50kW以上。相較于常規充電，快速充電可以在二十分鐘內充電80%以上，盡管如此快充的充電時長仍比傳統汽車的加油時間長10倍以上，而且續航里程僅為200公里左右。即便是充電功率達到120kW的特斯拉超級充電樁也需要30分鐘才能為旗下Model3提供320公里的續航里程，而且在充電過程中隨著電池荷電狀態（SOC）逐步提高，充電功率會逐步下降，無法始終維持120kW的充電狀態。目前在快速充電技術領域中科研人員在研究新一代超快速超快速充電技術，充電功率達到350kW～400kW。但是超快速充電技術仍有許多瓶頸需要攻破，例如電池設計、電池模組、箱體設計、熱管理系統設計、充電方式設計、整車架構和匹配技術以及電網和基礎設施改進等，快速充電的進一步發展還需依賴于技術和電動汽車產業的不斷發展。

圖1 常規充電與快速充電接口

無線充電模式是將發射線圈埋入地下，不占據地上空間且無外露接口，具有運行安全、便捷靈活的特點。無線充電技術主要有電磁感應、磁場共振和微波無線這三種方式。

電磁感應充電方式的工作原理是通過電磁感應產生交變電流來對電動汽車進行充電。電磁感應充電方式對電動汽車位置要求較高，因此如何保證電動汽車橫、縱兩個方向的偏差控制在200mm～300mm范圍內是目前無線充電技術的重難點。相比于電磁感應式，磁場共振在實際應用中可實現中遠距離的傳輸，磁場共振的充電方式對線圈位置精準度要求不是很高，有利于充電的設備的建立，缺點是損失耗能相對較大。微波無線充電技術傳輸距離可達1000mm，這種方式一般用于長距離的定向傳輸，缺點是輸出功率很低，傳輸速度慢，其效率遠低于電磁感應式及磁場共振式的充電效率，所以到目前為止微波充電技術還未在無線充電的領域廣泛使用。

目前看來電動汽車充電技術仍有較多的技術瓶頸：

（1）相較于傳統汽車，電動汽車的充電時長和續航里程是亟待解決的問題，大功率充電無論在電網末端還是在電動汽車端均沒有形成成熟的技術方案。

（2）與傳統汽車在加油站的數量與規模等基礎設施方面的巨大差距是電動汽車必須要克服的瓶頸，需要合理有效地建成充電設施才能克服對電動汽車的里程焦慮。

（3）針對電動汽車的充電技術應當是一個共生生態，常規充電、快速充電和無線充電形成一個能源互聯網。

2 電動汽車換電技術

換電技術主要是通過直接更換電池組來達到為電動汽車充電的目的。換電技術有利于提高電池的充電效率，同時更換下來的蓄電池可以利用低谷時段進行充電，更加合理地配置了電力資源，提高了車輛運行經濟性。同時換電站的電池維護人員可以及時發現電池組中存在的各類問題，提高電池的使用壽命[2]。

純電動車動力布置電池時在不影響駕駛艙和行李艙的前提下需考慮電池組能否快速方便地拆裝以及電池周圍結構強度是否足夠。動力電池的布置關鍵在車身構架的設計，車身結構要滿足多方面的需求：要盡量給電池布置挪讓空間，是否具備足夠的剛度來承受多種載荷等。因而動力電池布置的主要區域主要在前艙、前后地板下方位置[3]。

電動汽車與傳統汽車相比變化最大的就是前艙，取消了原來的動力總成、發電機、空濾、冷卻系統、排氣系統等，增加了電機控制器、高壓配電盒、充電機、DC/DC變化器等。利用前艙布置電池的優勢是車體底盤改變較小，劣勢是前艙空間緊湊[4]。

圖2 前艙電池布置（俯視）

在前地板區域，可以利用中通道鼓包和座椅下方的空間布置內置電池。按這種方式布置電池對地板的成形性和剛度要求較高，或將電池箱體與車體作一體化設計，以提高車體剛度。純電動汽車相較于傳統車對于車身架構的改變主要有以下幾種：車架方向往車外擴展增加電池的空間；加高車架，提高車身縱向剛度和電池的承載能力；前后地板上凸，增加電池安裝空間。對于換電技術而言，底盤換電是較為方便快捷的換電方式，也就是將電池組布置在前地板，通過螺栓可以快速更換與車身相連的電池組。

目前電動汽車的整車設計以及電池包的型號規格和安裝位置都沒有統一的國家標準[5]。各廠商在開發電動汽車時會最大限度增加電池體積從而導致電池組外部形態完全不同，同時電池包的安裝位置和接口標準也不盡相同，這給電動汽車換電模式的推廣帶來了挑戰。目前的換電模式通常只能在同一車型下實現，導致換電站的建設成本過高難以發展推廣[6]。因此需要有統一的國家標準來規范電動汽車的總體設計、電池包規格及安裝位置和電池的插接裝置等，來進一步推進電動汽車換電模式的發展[7]。

圖3 地板電池布置

3 總結

充電和換電都是電動汽車的能源補充方式，各有各的優勢，從當前來看這兩種模式在技術上都有還未突破的瓶頸。電動汽車的發展需要汽車產業引導技術的進步和基礎設施的建設，同時鼓勵企業研發新型充電和換電技術，探索電車分離的模式應用來滿足不同市場的需要。