电动汽车供电技术的研究及发展

摘要：在目前能源短缺、环境污染严重、节能减排的巨大压力下，先进的电动汽车技术成为人们关注的热点。本文立足于中国实际，参考国外先进成果，对电动汽车供电技术进行了分析与研究，可为电动汽车发展战略与政策的制定提供参考。

关键词：电动汽车；传导充电；电池更换；无线供电

中图分类号：U464.9+3 文献标志码：A 文章编号：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

根据国内某机构对影响消费者购买纯电动轿车心理因素进行调查，在消费者不购买电动轿车的七大理由中，提及率排在前三位的都与电有关，分别是：担心行驶到野外没有充电站；充电时间太长和满充后的续驶里程不足，特别是高达七成的消费者担心充一次电只能走100公里左右，半路没电就很麻烦。由此可见无论是电能的供给还是存储都影响着消费者的信心。在当前电池技术尚不发达，能量密度无法成倍提升的情况下，电能的供给对电动汽车事业发展显得尤为重要［1-2］。

本文从技术角度对电动汽车三种供电方式的工作原理进行阐述，分析了目前国内外的应用现状和研究成果，指出现有技术存在的问题及发展方向，从而探讨出一条适合电动汽车可持续发展的供电技术路线。

1电动汽车供电技术介绍

电动汽车供电技术按实现方式分为三类：传导充电、换电和无线充电。

传导充电基于电传导原理，将电动汽车与充电设施通过电缆连接进行充电；换电即用充满电的新电池成组替换已经耗尽能量的旧电池组；无线充电技术在电动汽车与充电设备之间不存在电缆连接，是一种非接触式供电方式。

传导充电和换电的技术原理比较简单，在此不再赘述。

下面对无线充电从技术原理角度进行阐述：

当今世界上无线供电技术分为两大阵营，第一个阵营使用的是传统的电磁感应技术，另一阵营又分为强共振磁耦合技术、微波传输、光输电和射频输电。电磁感应技术由于其特定的工作原理可能在充电过程中对车辆上的电子设备产生干扰，从而影响整车可靠性，不适合在电动车领域使用；光输电会因为物理干扰导致电力中断；射频技术传输电能功率有限，因此可能为电动汽车供电的是强耦合磁共振技术和微波传输技术。

强共振磁耦合技术是由麻省理工大学教授马林・索尔贾希克发明的，2007年6月，物理学家马林・索尔贾希克和他的研究团队利用该技术进行了一项公开演示：给一个直径60厘米的线圈通电，点亮了连接在2米之外的另一个线圈上的60瓦灯泡，见图1。这种无线供电技术引起了人们的极大关注，与电磁感应技术相比，这项技术是安全的，正如声音共振能震碎窗户上的玻璃而不会振裂房间里别人的耳膜一样，人是很安全的。磁体面前，人如同空气。人不会干扰磁体，磁体也不会对人有太大干扰。

微波传输技术最早可追溯到1967年的美国，当时美国空军同雷神公司进行了一项试验：通过微波向模拟直升飞机提供电力。这一试验连续进行了10个小时，成功地使直升飞机维持在18米高度。这是世界上第一次进行的电力微波传输试验。

如前所述，马林・索尔贾希克的研究点燃了人们对磁耦合共振无线供电技术的热情，HaloIPT公司就是其中一家致力于将此技术在汽车领域商业化的技术开发公司，该公司由新西兰UniServices，Trans Tasman Commercialisation Fund（TTCF）和设计咨询机构Arup于2010年创建，公司首席执行官Anthony Thomson博士［3］。该公司在2010年中国深圳举办的EVS25上展示其电动车无线充电系统（见图2），通过一个安置于雪铁龙电动汽车车身下侧的电能接收垫，无线充电系统就可以对电池进行无线充电。该公司表示，感应式电能传输技术将于2012年实现商业规模应用。

对于微波供电技术，在汽车领域也有企业对此技术产生浓厚兴趣，他们将研究重点放在提高传输功率和效率上，例如，京都大学和UD Trucks（原日产柴油卡车）对接受微波供电的天线形状进行了改进（见图3），由此，得到了收发天线之间的传输效率可提高至83.7％的模拟结果。据介绍，实际试制天线之后，传输效率创下了76.0％的纪录。

2 应用现状

2．1 国外应用现状

对于传导充电，尚未形成统一的国际标准，欧洲、日本、北美都有自己的标准在本地区内执行，详细情况见表1［4-6］。

尽管传导充电操作简便易行，但是充电方式存在固有缺陷：常规充电等待时间长，快速充电对电池寿命有影响，因此电池更换也是各国电动汽车供电的应用方向之一。美国Better Place公司开发出世界上第一套电池自动更换系统，整个工作主要由安装在自动轨道上的两个电池升降自控设备完成：首先，一个升降设备负责将汽车底部耗尽的电池移除；然后，另一个放置充满电的电池的电池升降设备就将满电电池插入汽车；最后，自动轨道系统将这块从汽车中移除的空电池送回电池存储库中进行再充电，以备下次其他电动车使用。Better Place已经在以色列特拉维夫、丹麦哥本哈根以及加拿大多伦多开放了包括换电站在内的体验中心，至2011年末，Better Place 的电池换电站将遍布全球四大洲，这其中包括美国、欧洲、澳大利亚及中国［7］。

2．2 国内应用现状

我国在传导供电领域已经建立了一套标准体系，详细情况如表2［8-15］。

将以上标准与国际标准进行比较，中国的七端子交流充电接口（见图7）的控制导引电路的功能是一个创新点，比SAE J1722和IEC62196中的控制导引电路实现的控制和保护功能更加全面；中国的九端子直流充电接口（见图8）保护接地端子相对与其他端子首先完成连接并最后完成断开，并且电动汽车与充电设备在充电逻辑上加以控制，保证了在插拔充电接口时自动切断负载，以保证人身安全。

在电池更换领域，已经进入试点阶段，2010年下半年，普天海油新能源动力有限公司公开基于换电的电动汽车商业模式，即搭建一个推动中国电动轿车可持续发展的商业化平台，向下只需电池厂按照标准动力电池箱的技术参数要求进行批量生产，即可获得大量采购订单；向上只要整车企业提供可以搭载动力电池快换系统的车辆，即可拥有“裸车销售”的市场竞争力。2011年年初，国家电网总经理刘振亚在“国家电网2011年度会议”上表示，国家电网汽车充电站确定以换电为主，插充电为补充的运营模式。作为国家电网试点，杭州市于2011年1月开始投入换电式纯电动出租车营运，首批30辆。与此同时，电池更换涉及到的电池统一标准、电池安全技术标准和电池管理制度的制订也在探讨当中。

3 存在问题及发展趋势

就技术成熟度而言，目前比较成熟的电动汽车供电技术为传导充电和换电，无线供电次之。

对于传导充电，我国已经制订出台了一系列标准，充电设备供应商资源比较充足，只需要在城市规划建设中作到合理布局就可以满足使用需要：能够兼顾常规充电和快速充电需要的柜式/柱形充电机适用范围广，但初期投资较大，可用于各类充电站；常规充电使用的墙体充电插座投资费用不高，但是提供的电功率有限，适合用于家庭独立停车库和小区停车位充电使用。

电池更换模式催生出电池租赁业务，电池的充电、维修、保养、更换和回收服务都由专业的电池租赁公司提供，有利于电池性能的保持和废旧电池的回收，同时可以消除快速充电对电池的劣化损害；另外，回收的电池可以利用电网夜间低谷时期的便宜电价，集中到晚上充电，从而对电网起到调峰作用，有利于电网用电电力平衡，可谓一举两得。尽管存在上述优点，电池更换目前在我国还不可能大规模地应用推广，只能针对特定车辆或特定品牌车辆使用，主要原因在于电池标准化、模块化任务尚未完成，电池安装位置不统一限制了自动更换设备的使用。

前两种方式都需要汽车停车进行，造成时间和空间的占用，无线供电技术的发展使不停车充电成为可能。磁耦合共振无线供电技术和微波供电技术都经过了实验室验证，国际上也有不少公司和技术人员正在致力于这些技术在汽车供电上的应用开发，并且已有公司开发出基于磁耦合共振技术的汽车无线充电系统，微波供电技术也在电能传输效率的提高方面取得可喜进展，可以预见，电动汽车无线充电的规模化应用应该为期不远了。一旦不停车充电大规模应用成为现实，必将激发人们对电动汽车的热情，消除使用电动车的顾虑，将心动转变为行动。

4 结论

安全、可靠、高效的供电技术是电动汽车可持续发展的基础，就现阶段而言，传导供电是世界上应用最广泛的供电方式；在电池技术未取得突破性进展前，用充满电电池替换下车上空电池的换电模式也是一种解决方案，因为不受充电时间限制，可以最佳方式对电池充电，有利于电池性能的保持，但是换下的电池需要空间存放，是用空间换取时间，一旦电池技术的发展解除了充电时间上的限制，换电模式必将遭到淘汰。

无论是传导充电还是换电都需要停车进行，而无线供电技术使不停车充电成为可能，磁耦合共振和微波供电为无线供电的实现提供了技术上的支持，通过全球科技人员的不断努力，不带充电电缆的电动汽车将奔驰在世界各地的公路上。

参考文献：

［1］ 中国汽车工程学会等.中国纯电动汽车发展配套措施研究［R］.2009.10.

［2］ 夏德建.电动汽车研究综述［J］.能源技术经济，2010（7）：49-55.

［3］ HaloIPT，Inc. http：//www.省略.

［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.省略.

［8］ QC/T 841-2010 电动汽车传导式充电接口［S］.

［9］ QC/T 842-2010 电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议［S］.

［10］ GB/T 18487-2001 电动车辆传导充电系统［S］.

［11］ GB/T 20234-2006 电动汽车传导充电用插头、插座、车辆耦合器和车辆插孔通用要求［S］.