电动汽车续能策略研究＊

2018-11-29金会义

科技与创新 2018年23期

金会义

电动汽车续能策略研究＊

金会义

（天津农学院基础科学学院，天津 300384）

电动汽车是最有前景的新能源汽车种类之一。分析了电动汽车目前使用的续能策略——充电策略之困境，充电时间长是制约其发展的最大障碍。发展快充方式、优化充电网点在一定程度上缓解了情况，但不能彻底解决。提出的换电策略与充电策略相比，具有更大的优势，尤其可以缩短电动汽车的续能时间，为电动汽车全面替代燃油汽车提供可能。该策略面临的技术、建设等问题容易解决，在技术、政策、经济上是可行的。建议进行深入策略讨论、技术研究，从而有效推进电动汽车的发展。

电动汽车；续能策略；充电策略；换电策略

1 概述

面对能源危机及环保压力，燃油汽车禁售已提上日程。荷兰、挪威最早将于2025年禁售燃油车，德国、瑞士、比利时和英国、法国也将于2030年和2040年禁售，我国也颁布了关于燃油车禁售时间，预计将于2035年禁售燃油汽车。新能源汽车即将大规模登上历史舞台，其中电动汽车是目前生产、发展最快的一种。

2 续能策略背景

发展电动汽车技术门槛相对较低。自燃油汽车禁售时间划定，全球各地电动汽车生产企业纷纷成立，老牌车企也迅速转身，这与成熟的电动和蓄电技术密切相关。1821年，法拉第就发明了人类历史上的第一台电动机，经过200多年的发展，电动机技术已经相当成熟。蓄电技术的出现可以追溯至18世纪，19世纪末已经出现了成熟的铅酸电池，之后铅酸电池的结构便没有变化。因此，电动汽车基本技术已经成熟，但为什么在汽车出现的100多年里，电动汽车完败于燃油汽车呢？这是由于电动汽车受续航、续能短板所限，续航里程短、续能时间长，这是长久以来电动汽车无法逾越的鸿沟。为了增加续航里程，研究人员在电力优化、减重、减小风阻等方面做出了突出成绩。另外，电池技术也得到了长足的发展，对锂硫电池[1-3]、锂离子电池[4]、锂-空气电池[5]、铝-石墨烯电池[6]等已进行了深入研究。燃油汽车燃油耗尽前到加油站加油是其续能方式，而电动汽车在电能耗尽前需要为蓄电池充电是电动汽车续能方式。但是蓄电池充电有一个问题需要解决，即充电时间要远远长于加油时间，尤其为了增加续航里程而在不断增加电池容量，使得这个问题更加突出。为此，研究人员已经开发出了快速充电技术，但即使不提这种技术对电池造成的损害和危险，快速充电所谓的快速仍然无法满足实用化的要求。为了解决这一问题，本文提出了电动汽车新的续能策略。

3 充电策略

所谓“充电策略”，就是以电能为能量形式的机动车在电能即将耗尽时，整车置于充电站用导线引入方式为蓄电池补充能量的策略。以往虽然没有提出过此概念，但是该策略是目前全世界所有电动汽车续能的唯一方式。该策略是车企将蓄电池作为车辆零部件的一个自然而然的选择，是燃油汽车续能思路的延续。该策略是否是电动汽车的最佳续能方式呢？是否还有其他续能策略呢？

3.1 充电策略存在的问题

充电速度慢、充电时间长是电动汽车最大的难题，而这是由科学规律所决定，从目前的科学和技术手段看还无法有效解决。表1列出了市售部分电动汽车的充电时间及续航里程。从表1中可以看出，所有车型快充时间不会低于0.5 h，如果考虑到操作时间以及充电、付费的排队时间等，充电一次的时间就会更长。然而，快速充电仅仅能将电池电量补充至其容量的80%，另外，考虑到各种行驶路况，快充一次的行驶里程将会远远低于表中的续航里程。充电速度慢导致充电时间长，充电时间长是目前制约电动汽车大规模推广、完全替代燃油汽车的最大难题。

3.2 充电策略的发展

对蓄电池的充电是电池反应的逆向反应，在电池的正负极分别发生氧化和还原反应，不过与放电时氧化还原反应互换了电极。在两个电极间填充电解质，中间还要有隔膜，这是蓄电池基本的结构，电解质的作用是充放电时在两个电极间传输导电离子，隔膜是为了隔离两极并使电池内的电子不能自由穿过，让导电离子自由通过，而电解质和隔膜都有一定的电阻。当电池充放电时，电流通过电解质和隔膜，由于电阻存在会产生一定的热量，电流越大热量越多，当热量不能及时传导至周围环境时，电池温度升高就会破裂、着火甚至爆炸。这就是为什么在电动汽车发展的初期，经常发生电池着火的原因，这也是限制充电电流的原因。

表1 部分电动汽车充电时间及续航里程

车企车型快充时间②/h慢充时间/h续航里程③/km 广汽新能源传祺GE3 5300.58530 比亚迪元EV3600.5—360 东风日产轩逸·纯电0.88389 吉利新能源帝豪EV4500.59450 NIO蔚来ES80.810500 北汽新能源EU5 R5000.56570 荣威ERX5 EV4000.77425

注：①数据均来自官网；②电池电量从30%充到80%所用的时间；③60 km/h为匀速续航里程。

电解质和隔膜材料的发展提高了充放电电流，为电动汽车提供了基本合格的电池，研究人员又在电池周围增加了散热装置，优化电池箱[7]，终于使蓄电池应用于电动汽车成为了现实。为了缩短充电时间，电池的耐受电流被充分应用，充电方式由恒压慢充发展为恒电流快充，但当电池电量达到80%后，出于安全的考虑，就不能再用恒流方式充电，所以快速充电技术仍未能提供一个完美的解决方案。

充电慢导致充电难，为了解决充电难的问题，研究人员提出了多种解决办法，其中，多数属于充电网点的建设。葛笑寒[8]研究设计了可充电桩网络，提出了基于通信的网络化设计，对充电管理系统、电量计量系统、电费交易结算系统等进行了设计，实现了充电机、电池管理系统与用户，甚至城市枢纽之间的通信，实时监测相关参数；李敏[9]对电动汽车充电站的布局规划进行了分析，建立了充电站布局模型；包蕴[10]等考虑充电站建设成本、运营成本以及用户充电成本建立了最小化选址模型；郭杉[11]等为了精确配置某一区域内的电动汽车充电设施，提出一种充电负荷模型，研究快充及慢充桩的精确配置；为了使充电更加方便，李洪峰[12]等探讨建立了小区电动车充电服务平台；王毅[13]等研究了住宅区电动汽车充电负荷随机接入控制策略，以期降低系统和用户的成本；刘广杰[14]等介绍了无线充电的工作技术原理，分析了实际应用中存在的问题；赵文瑄[15]等建立了基于无线充电方式下电动汽车与风电的多目标优化调度模型，优化了控制各时段电动汽车的充电功率。

4 换电策略

虽然研究人员对电动汽车充电进行了大量研究，但是充电慢和充电难的问题仍没有效解决。蒋强[16]等在讨论充电模式中曾提出过更换电池的充电模式，更换下来的电池组可以在用电低谷充电，更换电池如果使用机械装置更换，则所用时间将与燃油车加油时间大致相当。本文在此基础上提出解决电动汽车续能问题的换电策略。

4.1 换电策略概述

所谓“换电策略”，就是以电能为能量形式的机动车在电能即将耗尽时，在充电站直接更换充满电量的蓄电池策略。该策略中将蓄电池与电动汽车所有权进行分离，蓄电池与电能绑定由售电企业负责，蓄电池的充电、安全检查由售电企业操作。如果采用自动化装置更换电池，将大大减少电动汽车续能时间，彻底解决电动汽车全面替代燃油汽车的障碍。

4.2 换电策略优势

换电策略对比充电策略具有以下6个方面的优势。

4.2.1 有利于缩短续能时间

换电策略仅包括更换电池，电池设计为了方便更换，采用自动化更换装置，续能时间就会完全媲美燃油汽车加油时间，这是换电策略决定性的优势。

4.2.2 有利于降低环境风险

个人充电桩以及便携式充电虽然比充电站充电电流小，但相对于家庭常规用电负荷较大，小区和住宅电路大多没有这方面的设计冗余，因此，存在过载及电路老化的安全隐患。换电策略将不再进行小区及家庭续能，降低了环境风险。

4.2.3 有利于提高用户人身安全性

不同于手机充电，汽车充电属于高电压操作，并不能保证每一名用户能够时时刻刻安全操作，因此，存在人身安全隐患。将专业的事交给专业的人做，消除了用户的人身危险。

4.2.4 有利于提高汽车安全性

蓄电池是电动汽车最大安全隐患之一，内置电池只有在汽车保养时才检查电池工况，换电策略在每一次更换电池时，售电企业都要检查电池情况，避免了由于电池问题埋下的汽车安全隐患。

4.2.5 有利于提高电网效率

电网用电存在高峰和峰谷，峰谷富裕的电量浪费较大，售电企业可以将更换的蓄电池放在峰谷时间充电，提高电网效率。另外，与充电站相比，换电站建设更加方便，网点分布广泛，可以缩短电能的输送距离，降低能耗。

4.2.6 有利于降低续能站成本

充电策略中充电站占地较大，因为充电时间长，汽车需要长时间停泊；而换电站仅需要汽车短暂停泊，不需要建设大面积的停车场，续能站建设成本降低。

4.3 换电策略面临的问题及解决方法

换电策略虽然具有较大优势，但是推广起来还面临一些问题需要解决。

4.3.1 汽车技术问题

续能方式由充电变为换电需要在汽车结构方面进行较大调整。充电策略下电池组不易拆卸，换电策略下电池组要容易拆装，还需要电池与汽车的接口简单。要想解决这些问题，需要国家制订电池接口标准、汽车用电标准、电池盒标准，为了拆卸方便，电池位置也需要统一。

4.3.2 换电站技术问题

换电站需要具备两部分功能，即充电和换电。充电技术没有问题，换电需要设计专门拆装电池的设备，拆装的电池需要安全输送，因此也需要设计专门的输送设备。当然，换电还需要培训专门的操作人员。另外，为了定量电能，需要专门的设备来检测电池电量。

4.3.3 蓄电池的使用及检查

充电策略下的电动汽车，不同车型的蓄电池存在差异，而差异的蓄电池无法互换使用，因此，蓄电池需要统一规格，需要制订蓄电池的国家标准。为了打消用户对所换电池质量问题的疑虑，需要明确售电企业对电池所负的责任，电池的淘汰也由售电企业负责。

4.3.4 已售汽车换电

已售汽车将会成为续能策略改变的较大阻力，可以考虑多方负担的升级改造或逐步淘汰的解决办法。

4.4 换电策略的可行性

4.4.1 技术可行性

在以上面临问题的分析中可以看出，续能方式的改变不需要技术的根本变革，仅仅需要统一汽车设计方面的某些规格参数，因此，在技术上是完全可行的。

4.4.2 政策可行性

续能困扰是电动汽车发展的最大阻力，换电策略将有效消除这个阻力，与国家大力推广电动汽车的政策相向而行。国家对电动汽车的政策扶持，随着这种改变需要转变成对售电企业的扶持，因为未来电动汽车发展的阻力将转换到售电企业，转换到承载着电能的蓄电池上。

4.4.3 经济可行性

换电策略下，制订的电动汽车的多项标准将有效降低汽车企业的研发和生产成本，而这些成本正好可以填补躺在售电企业库房中待换的蓄电池上，但填补的过程需要杠杆调节。

5 推广建议

能源更替已迫在眉睫，电动汽车的发展需要阔步前进。换电策略的实施将会加快电动汽车发展的步伐，将会使我国获得电动汽车发展方向的话语权。为了使电动汽车发展驶入快车道，建议政策、规划、技术领域对该策略进行深入广泛讨论，建议大学、科研机构、企业在该策略实施的技术支撑上进行深入研究，共同推动我国以及世界电动汽车的发展。