浅析电动汽车供电技术的研究及发展

盛毛毛

摘要：随着能源问题越来越严重，节能减排成为各国发展的重要工作。在这样的环境下，电动汽车在汽车市场上表现出巨大的发展潜力，一方面有助于节约能源，另一方面降低了对自然环境的污染。所以，更多的人开始使用电动汽车来取代传统轿车。但是纯电动汽车的发展仍然受到一定技术限制，其主要原因是人们担心纯电动汽车在行驶的中途没电。文章中对电动汽车的供电技术做出了细致地剖析，让消费者对电动汽车更加信任。

Abstract： With the increasingly serious energy problem， energy conservation and emission reduction has become an important work for the development of all countries. In such an environment， electric vehicles show great development potential in the automobile market. On the one hand， it helps to save energy， on the other hand， it reduces the pollution to the natural environment. Therefore， more people began to use electric cars to replace traditional cars. However， the development of pure electric vehicles is still subject to certain technical restrictions. The main reason is that people are worried that pure electric vehicles have no power in the middle of driving. This paper makes a detailed analysis of the power supply technology of electric vehicles to make consumers trust electric vehicles more.

关键词：电动汽车;供电技术;研究及发展

Key words： electric vehicle;power supply technology;research and development

中图分类号：U472.43                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0190-03

0  引言

在汽车资源严重短缺、能源消耗巨大而且环境污染严峻的今天，响应政府节能减排政策的电动汽车正更多的受到人们的重视。经过调查研究，对电动汽车供电关键技术做出了解析，并希望给提出电动汽车发展策略的有关人士带来相应的理论依据。在资源越来越短缺的时候，实现节能减排是保障我国各产业可继续健康发展的必要措施。电动汽车成为新能源汽车不但有利于节省电能，同时也有利于降低对周围环境的空气污染。所以，更多的人开始使用电动轿车来取代传统轿车。不过仍存在部分人抗拒选购纯电动汽车，其主要原因是担忧纯电动汽车在行驶途中没供电。电车拥有着清洁、高效和可继续经济发展的优点，是中国当前正在大力发展的新型战略产品。而电动汽车充电站供电系统则为电车行驶增加了电力供给，是电车的关键基本保障体系。充电站的供电系统方法主要包括交流供电系统和直流母线供电系统二类方法。直流母线连接供电的充电站中，充满机取消了单纯的整流设备，而是垂直接到三相交流电或经过整流后再引用的直流母线连接上。对于改善电车供应系统的运营经济性、减少设备投入，有着很大的使用价值和良好的使用发展前景。所以有必要深入研究直流供电系统的基本构造，为建立投入现实使用的电动汽车充电站直流系统打下了基石。文章也对电动汽车的供电技术做出了更细致地剖析，让消费者们对电动轿车更加信任。

1  电动汽車电池管理系统研究现状及发展趋势

能源危机与污染问题是当今世界各国共同存在的二大问题。电动汽车由于拥有节能环保的优势，已成为未来汽车技术发展的主要趋势。但众所周知，汽车动力电池技术不仅是制约电动汽车大规模发展的主要技术瓶颈，而且是电动汽车产品价格高企的关键因素，其生产成本约占汽车整机成本的百分之三十至百分之五十。所以，电力BMS的性能对于电动汽车的利用成本、节能与安全都有着十分关键的重要性。BMS监视燃料电池压力、充放电电流和电池组的工作环境温度，并预测燃料电池SOC，以调节电池充放电平衡，对燃料电池组实施热管理，并能与车内的监控系统和充电器通信，以实现协调控制和优化充电。从而使电池达到良好工作状态，并发挥电池的最大功效，从而延长了电池的使用寿命。作为电动汽车最重要的部分之一，BMS近年来进行了较大的提升，但在采集数据的安全性、SOC计算准确度、均衡技术以及安全管理机制等方面还需更加完善。充电站是电动汽车的主要配套服务设施，其建立和发展的水平对电动汽车规模化，产业化的发展进程至关重要。但不同于其他散乱布设的充电设备，充电桩的建设运营更受限于使用者充电行为习惯等各种因素，所以，高功率的快速充电方式也比较适宜于这种集中式充电场所。相对于交流电源方式的充电站，直流式快速充电站由于拥有能量转换等级较低，方便将光伏与储能的直流型分布式电源连接等优点，成了人们近年来的关注热点。

电动汽车以电能代替燃油，清洁环保无排放，是实现清洁替代、缓解能源危机的重要环节。

“十四五”时期，我国政府制定了电动车等重要研发专项，并积极推动BMS研究与工程应用，已获得了许多研究成果与技术重大突破，与国外的技术水平基本相近。而目前，部分院校正凭借自己的技术优势，与部分主要车辆生产商与汽车力量电池提供商，共同进行了如下研究项目：①提高汽车燃料电池动态基本参数收集的稳定能力与准确度;②汽车力量燃料电池SOC测量;③力量燃料电池模型研究;④汽车动力电池组的平衡管理研究;⑤通过can与充电模块通讯，以实现协调控制和优化充电;⑥汽车力量燃料电池包装桶的空气与机械结构设计，和合理的空气散热管理;⑦动力电池故障分析和在线报警，以及BMS的自检和管理。

2  电动汽车的供电技术

当前电动汽车普遍使用传导充电、无线充电或者换电的技术。传导式充电技术是指应用电流传输原理，并利用电缆为基础电动汽车输送电量。无线充电技术不需要借助电缆，实现了非接触。换电顾名思义，用满电的电池更换电能耗尽的旧电池。相比于其他两种技术，无线充电技术以其非接触的特性在市场上广受好评，因此，本文将主要介绍无线充电技术。当前，无线充电技术主要有两个发展方向，其一，利用传统电磁感应原理;其二，利用各种创新技术，例如射频输电、光输电、微波传播和强共振电磁耦合应用技术，等等。电磁感应技术的缺点，就是在使用期间对其他车辆的电子设备形成影响，进而影响其他车辆的性能。也正是因为此，电磁感应技术当前在电动汽车领域中的发展受阻。

目前，市场上被认可度更高的技术是微波传输技术和强耦合磁共振技术。其他技术都或多或少受到影响，比如，射频技术在充电方面存在不足，光输电经常会受到物理原因的限制。

3  电动汽车供电技术的应用现状

3.1 电动汽车供电技术在国外的应用现状

国际上传导充电还没有形成比较统一的标准，因此，各个国家的电动汽车在出口方面受到一定限制，国际电动汽车市场尚未发展起来。尽管传统传导充电技术操作简单，发展比较成熟，但是如何解决充电问题还有待进一步探讨。传统传导式充电技术，一般需要等待很漫长的时间，而频繁地使用快速充电会导致电池寿命减少。因为电池存在损耗，有寿命周期，超出使用寿命的电池必须立即加以替换。美国的Better Place公司最先研发出了电池的自动转换控制系统，系统自动检测电池的电量，并自动更换，不需要人为操作。所更换下的电池会被输送到储存库中，等待充电。当前，很多国家都正在大力建设换电站，例如，美国、欧洲、澳大利亚以及我国，都已经建成了大量换电站。

3.2 国内应用电动汽车供电技术的现状

我国在传导供电方面有一个相对完整的标准，许多地方都做出了一些创新。九端子交流无线充电接头的控制引导电路的功能相比较于原来的控制引导电路，对车辆的操控更为精确、全方位，且可以比较全方位地维护电动车辆。目前的九端子直流充电接口可以在对接地端子实施维护时先将其余端子完成接通之后再切断。另外，九端子直流充电系统还能够通过合理运用的充电操作逻辑更加精确地操作电动汽车，车主使用插拔接口时，接口还能够自动地把所有负载都断开，进而使得操作更加安全。当前，我国目前在电池更换项目也有一定创新性的研究成果。经过部署后，我国当前已设置了多个换电站、电池充电点。换电站和电池充电站的建设使得电动汽车行业有了一定的标准，生产厂家必须按照固定的充电标准、电池型号来生产电池，这也推动了电动汽车“裸车”市场的发展。

4  電动汽车供电技术中存在问题及发展趋势

当前，电动车供电技术所面临的问题主要表现在如下五个方面。其一，供电设施如何提供安全保护。当前，充电装置故障管理与保护不健全。其二，产品设计、生产和装配等环节均有所不足，主要体现在为主控制模块死机、BMS系统缺乏主控模组的特殊防护机理、充电装置没有主动防护机理以及监测系统中没有对应的判断告警机理。其三，电池和充电器的品质问题。因此，如果BMS系统发布了充值暂停的命令，则充电机无法及时停止，从而导致过充。其四，充电桩材质、密封工艺也达不到标准规定，导致充枪拉弧、起火，乃至自爆。其五，收费计量并无检验规定。尚无人对收费平台开展过定期标定和测试。当前，充电站的计费管理不规范，公共充电站、充电桩还有部分私人充电桩，都没有实施标准的收费管理。

当前，传导导电和换电的技术已发展得比较完善，但无线电源技术还处在研究与发展初级的阶段。国家关于传导导电技术制定了许多规范，对传导导电技术也做出了规范。但由于制造充电装置的公司相对零散，所以接下来还需要进一步做好规划，将充电设备、换电供给电能点的布局设计得更加合理。根据调查研究，外形为柜式的柱状，并且同时提供了常规充电与快速充电功能，充电机应用范围也比较广阔。不过因为这个充电机的建设与投资成本都相当大，所以现在在中国有些比较大的充电场所有这样的充电机。墙体式充电插座的应用范围较为广泛，而且这种充电点的建造投资成本也相对小，不过有电功率限制，因此较为适宜于在家中独立停车库和学校等小区域应用。电池更换技术的发展产生了许多相关职业与岗位，例如，电池的租赁服务，以及维护、保养服务等等。

当前，动力电池替换在中国的使用范围相当小，采用动力电池替换的汽车只能是一些特殊的品牌。产生这个现象的主要因素是当前国家在车辆中动力电池的制造方面，还不能形成统一的规格规范。再加上电动汽车所安装电池的地点不同，汽车更换电池比较麻烦，所以，当前的中国在电池更换方面尚不能规划模块化的工程任务。无线供电技术有效地解决了电池更换存在的一些问题，无接触的充电方式使用起来更加方便，帮助相关人士合理节省时间。磁耦合共振无线电源技术和微波电源技术都是在通过众多实践证明后，得以有效实施的无线充电技术。因此，在未来，无线充电以及一些其他创新型的充电技术有比较大的发展潜力。