电动汽车充电技术与换电技术浅析＊

吴婧，刘霞

（扬州市职业大学，江苏 扬州 225009）

前言

电动汽车的续航能力一直是制约其发展的重要因素之一，电动汽车的能源供给模式主要以充电和换电为主。近年来政府相关部门和电动汽车企业在加速研发快充、无线充电等新技术来提高电动汽车的充电效率，积极推进快充电桩的建设和普及。与此同时电动汽车换电技术也在稳步发展，以北汽和蔚来为代表的电动车企正在尝试“电车分离”的模式，不断探索发展电动汽车换电技术[1]。

1 电动汽车充电技术

目前电动汽车的充电方式主要有常规充电、快速充电和无线充电这三种模式。

常规充电又称交流慢充，其最大特点就是充电电流较小，一般充电时间达到5至8小时，有的甚至长达十几小时。常规充电时的功率和电流相对较低，因此常规充电对充电桩等基础设施要求不高。另外，常规充电可以利用夜间电力低谷时段进行充电，合理使用电网资源，同时能够提高充电效率并且延长电池的使用寿命。但是由于充电时间过长，难以满足电动汽车出行的紧急需求，同时需要在电动汽车较为集中的区域建造大型充电停车场，目前已有的充电停车场在数量和选址上都无法满足日益扩大的电动汽车产业。

快速充电是采用较高功率或者较大电流在短时间内对电动汽车进行充电，一般在快充过程中充电功率在50kW以上。相较于常规充电，快速充电可以在二十分钟内充电80%以上，尽管如此快充的充电时长仍比传统汽车的加油时间长10倍以上，而且续航里程仅为200公里左右。即便是充电功率达到120kW的特斯拉超级充电桩也需要30分钟才能为旗下Model3提供320公里的续航里程，而且在充电过程中随着电池荷电状态（SOC）逐步提高，充电功率会逐步下降，无法始终维持120kW的充电状态。目前在快速充电技术领域中科研人员在研究新一代超快速超快速充电技术，充电功率达到350kW～400kW。但是超快速充电技术仍有许多瓶颈需要攻破，例如电池设计、电池模组、箱体设计、热管理系统设计、充电方式设计、整车架构和匹配技术以及电网和基础设施改进等，快速充电的进一步发展还需依赖于技术和电动汽车产业的不断发展。

图1 常规充电与快速充电接口

无线充电模式是将发射线圈埋入地下，不占据地上空间且无外露接口，具有运行安全、便捷灵活的特点。无线充电技术主要有电磁感应、磁场共振和微波无线这三种方式。

电磁感应充电方式的工作原理是通过电磁感应产生交变电流来对电动汽车进行充电。电磁感应充电方式对电动汽车位置要求较高，因此如何保证电动汽车横、纵两个方向的偏差控制在200mm～300mm范围内是目前无线充电技术的重难点。相比于电磁感应式，磁场共振在实际应用中可实现中远距离的传输，磁场共振的充电方式对线圈位置精准度要求不是很高，有利于充电的设备的建立，缺点是损失耗能相对较大。微波无线充电技术传输距离可达1000mm，这种方式一般用于长距离的定向传输，缺点是输出功率很低，传输速度慢，其效率远低于电磁感应式及磁场共振式的充电效率，所以到目前为止微波充电技术还未在无线充电的领域广泛使用。

目前看来电动汽车充电技术仍有较多的技术瓶颈：

（1）相较于传统汽车，电动汽车的充电时长和续航里程是亟待解决的问题，大功率充电无论在电网末端还是在电动汽车端均没有形成成熟的技术方案。

（2）与传统汽车在加油站的数量与规模等基础设施方面的巨大差距是电动汽车必须要克服的瓶颈，需要合理有效地建成充电设施才能克服对电动汽车的里程焦虑。

（3）针对电动汽车的充电技术应当是一个共生生态，常规充电、快速充电和无线充电形成一个能源互联网。

2 电动汽车换电技术

换电技术主要是通过直接更换电池组来达到为电动汽车充电的目的。换电技术有利于提高电池的充电效率，同时更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，更加合理地配置了电力资源，提高了车辆运行经济性。同时换电站的电池维护人员可以及时发现电池组中存在的各类问题，提高电池的使用寿命[2]。

纯电动车动力布置电池时在不影响驾驶舱和行李舱的前提下需考虑电池组能否快速方便地拆装以及电池周围结构强度是否足够。动力电池的布置关键在车身构架的设计，车身结构要满足多方面的需求：要尽量给电池布置挪让空间，是否具备足够的刚度来承受多种载荷等。因而动力电池布置的主要区域主要在前舱、前后地板下方位置[3]。

电动汽车与传统汽车相比变化最大的就是前舱，取消了原来的动力总成、发电机、空滤、冷却系统、排气系统等，增加了电机控制器、高压配电盒、充电机、DC/DC变化器等。利用前舱布置电池的优势是车体底盘改变较小，劣势是前舱空间紧凑[4]。

图2 前舱电池布置（俯视）

在前地板区域，可以利用中通道鼓包和座椅下方的空间布置内置电池。按这种方式布置电池对地板的成形性和刚度要求较高，或将电池箱体与车体作一体化设计，以提高车体刚度。纯电动汽车相较于传统车对于车身架构的改变主要有以下几种：车架方向往车外扩展增加电池的空间；加高车架，提高车身纵向刚度和电池的承载能力；前后地板上凸，增加电池安装空间。对于换电技术而言，底盘换电是较为方便快捷的换电方式，也就是将电池组布置在前地板，通过螺栓可以快速更换与车身相连的电池组。

目前电动汽车的整车设计以及电池包的型号规格和安装位置都没有统一的国家标准[5]。各厂商在开发电动汽车时会最大限度增加电池体积从而导致电池组外部形态完全不同，同时电池包的安装位置和接口标准也不尽相同，这给电动汽车换电模式的推广带来了挑战。目前的换电模式通常只能在同一车型下实现，导致换电站的建设成本过高难以发展推广[6]。因此需要有统一的国家标准来规范电动汽车的总体设计、电池包规格及安装位置和电池的插接装置等，来进一步推进电动汽车换电模式的发展[7]。

图3 地板电池布置

3 总结

充电和换电都是电动汽车的能源补充方式，各有各的优势，从当前来看这两种模式在技术上都有还未突破的瓶颈。电动汽车的发展需要汽车产业引导技术的进步和基础设施的建设，同时鼓励企业研发新型充电和换电技术，探索电车分离的模式应用来满足不同市场的需要。