我国电动汽车充电技术发展趋势探析

曾庆捷

（山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250002）

0 引言

汽车工业的发展方便了人类生活，其尾气排放对环境造成的影响也越来越被人们所重视，清洁替代是能源利用发展的方向。由于电动汽车的污染物排放和噪声低，且能源利用率较高，因此我国支持和鼓励电动汽车的发展。随着电动汽车的发展及其应用量的增加，出现了车与充电桩不匹配、充电排队时间长、充电桩利用率不高、充电运营商盈利难、重复建设等一系列问题[1]。在国家政策支持下，电动汽车关键技术取得了重大突破，但要推动电动汽车普及，除突破其本体技术并统一标准外，高效的汽车充电网络建设是主动、积极、系统地推动电动汽车发展的关键[2]。本文结合我国现有电动汽车充电技术，探索电动汽车未来充电技术发展的趋势。

1 常用电动汽车充电技术及存在的问题

电动汽车常用的充电技术有感应式无线充电技术、传导式充电桩技术、换电技术等。

1.1 感应式无线充电技术

感应式无线充电是利用交变电磁场的电磁感应来实现能量的无线传输[3]。如图1 所示，通过发射线圈与接收线圈间的交变磁场实现电能的传输，再经逆变器和控制单元完成对电动车充电。其特点是不需充电线，硬件方面的标准较易统一。由于电力传输与距离的平方成反比关系，故随着距离的增加电力传输效率迅速下降。无线充电技术还需要解决的瓶颈是电磁相容问题，虽然采用封闭的智慧车库是解决电磁相容问题较好的途径，但高昂的成本可能会限制其应用。另外，采用该充电方式，发射线圈与接收线圈都要精准定位，它们错开几毫米都会影响感应的发生。

图1 无线充电示意图

1.2 传导式充电技术

传导式充电技术通过电缆将充电设施与电动汽车相连，利用电传导实现为电动汽车充电[4]。传导式充电一般由充电模块、计量模块、控制与缴费模块构成，如图2 所示。采用该技术进行电动汽车充电需要解决的问题如下：充电接口、充电参数、收费计量等标准统一，充电桩或充电站合理分布，充电安全等。

图2 传导式充电示意图

1.3 换电技术

换电技术即把车上“无”电的电池换下来去充电，充好电的电池换到车上。换电技术可以节约充电时间，但须有专门提供换电服务的充电站或充电厂，且需要解决车载电池标准统一、换电服务成本核算、换电后系统风险检验等问题。

2 国外电动车及其充电技术概况

19 世纪中期国外出现了纯电动汽车，20 世纪初由于充电的不便性及燃油汽车批量生产技术的提高，纯电动汽车便退出了市场。20 世纪60 年代，由于环境问题和石油危机的出现，纯电动汽车又被重新重视。由于电池技术和续航里程等问题，20 世纪90 年代国外汽车商开发了混合动力电动汽车。

在西方国家由于政府对燃油车的限制以及越来越严格的燃油排放标准，其汽车企业投入巨大资金用于电动汽车及相关充电技术的研究。欧美和日本等国家在商场、停车场、居民区、政府大楼等区域建设各自的电动汽车充电设施，主要以充电桩为主。在美国，市民可用手机下载App 来寻找附近空闲的充电桩，通过购买充电桩，秒变“桩东”；在英国，国家加速国内的充电桩布局并发展电动车无线充电技术；在德国，政府和车企共同投资扩建充电基础设施，其中1/3 为高压充电桩，要求0.5 h 内必须让电动车充满80%的电来缩短充电时间，且使用具有欧洲标准的连接器；在日本，充电桩形成了每隔30 km 的覆盖量，本土大车企与日本政策投资银行共同成立了“日本充电服务”公司，主动担当起充电桩的安装成本和8 年的免费保修任务。

3 我国电动汽车充电技术发展趋势

电动汽车充电技术的发展要充分考虑安全和便捷，使电动汽车的车主享受到技术发展带来的实惠。

3.1 谐振无线充电

依据电磁谐振原理[5]，在发送端和接收端频率相同的谐振线圈可实现能量从发射线圈到接收线圈的传输。谐振的两个线圈耦合是松散的，只要调整到同一频率，即可通过共振传输能量。谐振无线充电的充电距离比感应式远，在电动汽车和一些工业领域具有较大的应用潜力。

3.2 大功率充电桩

电动汽车获得了较快发展，已在公交、出租、物流和共享汽车等领域开始应用并呈增长趋势，但公共充电桩少、动力电池续航里程低、充电时间长仍是电动汽车发展的制约因素。提高续航里程就要增加动力电池的容量，并提高动力电池的电压；缩短充电时间可在动力电池允许的条件下将充电电压升到1 000 V，且把充电电流升到350 A。为此，需建设大功率充电桩，将电动汽车直流充电系统额定值提高至1 000 V/350 A[6-7]。开发大功率充电桩的途径：一是开发大功率充电模块。单个充电模块容量越大，则构成一台大功率充电桩所需并联的充电模块越少，模块间的均流和控制越稳定可靠。二是加大电缆截面，提高载流能力。三是进一步优化热管理技术，以提高充电桩的可用性。

3.3 配合新能源发电

新能源发电有环保优势，也具有随机、波动和不可控等特点。如果能将充电设施与新能源发电集成接入电力系统，既能减小新能源接入对电力系统的不良影响，又能削弱充电设施给电力系统带来的压力[8]。同时，电动汽车可作为一种灵活负荷和储能设施，可以为新能源大规模进入能源系统起并网消纳作用，也可以向一些商业区域、微电网、小微电网输电，参与平衡局部的电网。

3.4 集中和分散布置充电桩

目前国内动力电池以三元锂和磷酸铁锂为主，其每次使用放电的深度越小，电池的寿命越长，最佳的充电电量在20%～90%区间。动力电池充电过程是一个电化学过程，过充或过放均会导致整个电池失效。在充电站或充电桩布置方面应参照加油站模式，首先建设集中式充电站，其次在对市场充分调研的基础上建设分散式充电桩，方便电动汽车用户能在最佳充电区间完成充电，以确保动力电池的使用寿命。

3.5 充电的广泛性和智能化

随着电动汽车行业标准的制定和推行，动力电池系统和电压等级也将逐步规范。同时公共充电装置也将规范与电动汽车的充电接口和接口协议等。作为电动汽车运行的能量补给，充电系统应具备充电的广泛性，能够实现多类型动力电池的充电控制算法，与不同类型动力电池系统实现充电特性匹配，完成充电服务。未来的充电服务将是智能的，作为电能从电网传输到电动汽车的“中转站”[9]，智能充电网能够监测动力电池的放电状态，实现无损充电，避免动力电池的过放或过充；优化智能充电技术，对动力电池故障自动诊断和维护；对电量智能化管理，实现即插即充、无感支付等。

3.6 规范统一交易结算模式

能耗是电动汽车的重要指标，一方面是电动汽车驱动系统的能耗指标，另一方面是电动汽车从电网获取电能的利用率。前者取决于电动汽车本身特性，后者与充电装置的电能转换效率有关。因此，采用高效充电装置，对降低电动汽车能耗具有重要意义[10]。低能耗意味着低的使用成本，用能结算模式统一也是未来发展的方向。无论是充电模式还是换电模式，应通过系统集成构建充电桩或动力电池与用户之间规范化、可信赖的充电交易模式，减少不同厂家充换电产品差异性，提高充换电系统稳定性，建立统一规范的交易结算模式，提高电动汽车充换电操作的便利性与交易的安全性。

4 结束语

电动汽车未来发展要解决续航里程、运行成本、充电时间、电力供应、电池废料处理等5 个问题，而电动汽车充电技术与其中4 个有关。随着5G 通信技术的推广应用，在电动汽车与智能电网双重推动下，有关充换电装置的配电容量、服务能力、投资和运营等将获得新突破，与之配套的建设也将紧跟其后，相应的标准也将日趋完善。