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电动汽车充电技术与基础设施发展现状

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:1967年,J.A.MAS在研究中意识到气体析出现象的重要性,并开始将这种现象应用于充电电压的控制。当蓄电池的荷电状态达到一定值后,暂停充电的时间相应增加。在2014年举办的Formula E比赛中,高通公司展示了电动汽车无线充电系统Halo,其基本原理就是通过磁共振传播效应对汽车的电池组进行无线充电。图1-1 车用无线充电系统Halo在2016年3月广州国际新能源汽车充电桩博览会上,中惠创智首次实车展示了新能源汽车无线充电桩。

电动汽车充电技术与基础设施发展现状

1887年,Peukert通过两种不同放电速率的实验,对电池在不同速率下放电时的放电容量进行了预测,但是并没有研究其在充电时的容量问题。1935年,Woodbrode发现了温度高低对充电特性的影响,并注意到电池在充电时所要求的指数特性。1967年,J.A.MAS在研究中意识到气体析出现象的重要性,并开始将这种现象应用于充电电压的控制。随后,人们对充电问题日益重视起来,研究出了多种充电方法,各种充电装置也相继问世。

蓄电池最早采用的是恒流充电和恒压充电两种方法。这两种方法的优点是控制电路简单,实现起来比较容易。但缺点是充电时间较长,充电方法单一,控制不当会对蓄电池本身造成伤害,甚至影响蓄电池的使用寿命。分段式充电法在恒流法和恒压法的基础上进行了改进,可分为二段式充电法和三段式充电法。三段式充电法在开始阶段采用恒流充电;当电池电压达到设定值之后转为第二阶段,即恒压充电阶段;当充电电流减小到设定的电流值之后转为第三阶段,即涓流充电。分段式充电法的优点是技术实现简单,基本能满足电池的充电要求,成本低。缺点是不能区别电池的放电深度而进行精准充电;对充电比例的控制较弱;对电池电解液的保持欠佳,易造成失水,从而影响电池寿命。

针对上述传统充电方法充电缓慢、安全性能不好等缺点,国内外陆续提出了一些新型的快速充电方法,如分级定电流充电法、脉冲式方法和变电流间歇充电法等。这些充电法的充电原理大多是在传统方法的基础上加以改进,以便使其充电曲线能够更好地接近J.A.MAS提出的铅蓄电池最佳充电曲线。

近几年,厦门大学的陈体衔教授提出了间歇充电法,其特点是将恒流充电阶段改为限电压变电流间歇充电。充电前期的恒电流充电阶段采用最佳充电电流,获得绝大部分充电电量;充电后期采用定电压充电获得过充电量,将电池恢复至完全充电态。陈教授所提出的充电方法在充电前期尽可能多地充入电量,但所采用的变电流方法实质上就是多阶段恒流递减充电,因此还没有达到真正意义上的最佳电流充电。

C.C.Chan和K.C.Chu提出了一种脉冲充电方法,其实现方式是在充电过程中,充电装置和蓄电池被周期性地断开并自动测量蓄电池的开路电压,在一定的参考温度下,若蓄电池的开路电压超过一定值,停止充电,直至蓄电池的开路电压低于某一值时,再进行充电。当蓄电池的荷电状态很低时,由于蓄电池的开路电压低于某个值或迅速下降到某个值,充电装置持续对蓄电池进行充电。当蓄电池的荷电状态达到一定值后,暂停充电的时间相应增加。充电装置记录蓄电池开路电压下降到某个值的时间,当充电装置检测到相邻两个周期的时间相等时,自动切换到小电流充电方式直至完全充电。后来,他们又提出了一种自动充电方法:开始以较大的电流充电,直至蓄电池的单格电压达到2.39V,这时荷电状态为70%~80%;然后以较低的电流充电,直至单格蓄电池端电压达到2.43V(析气电压);接着周期性地断开充电装置和蓄电池(使蓄电池开路),直至蓄电池的开路电压下降到2.29V/单格;重复上述过程,直至相邻两次时间相等。

有学者提出了按照马斯定律(Mas’s Law)对蓄电池快速充电的思想,即恒流充电一段时间后,用大电流极化放电,以提高蓄电池的充电电流接受率,然后继续恒流充电……不断重复上述过程,直至充电结束。

铅蓄电池是一个非线性系统,其离散性大,难以建立精确的数学模型。国内外的学者对铅蓄电池建立了多种模型,但均难以实现模型复杂度和计算效率的平衡。因此,近年来,国内外有人提出了模糊控制等智能控制蓄电池充电的思想。

无线充电是一种利用无线电波或电磁场传递能量以达到充电目的的方法。不同于传统的有线充电方式,无线充电不仅节省了电源电线装置等费用,也避免了由于电源电线反复插拔而产生的消耗与触电风险,从而使电能传输更加灵活、安全。无线充电系统的能量传输具有灵活性高、安全性高和可靠性强等特点,且不受环境因素的影响,能满足多种不同条件下电动汽车的充电要求,方便在不同领域中广泛应用。早在20世纪末,无线充电方式就已经得到各汽车厂商的青睐,与之相关的技术开发在世界主要发达国家都已大范围开展,无线能量传播的技术水平也得到很大改善。

按工作原理可以将无线充电技术分成三类:一是利用电磁感应原理进行短程大功率传输的感应无线充电技术;二是基于非辐射交变磁场的耦合(即磁场谐振原理)实现电能的无线中程传输技术,即WiTricity技术;三是通过将电能转化为微波或激光形式发射给远端的接收天线,进行处理后实现电能的远程传输。(www.xing528.com)

在2014年举办的Formula E比赛中,高通公司展示了电动汽车无线充电系统Halo,其基本原理就是通过磁共振传播效应对汽车的电池组进行无线充电。这个充电过程无须使用电缆便可进行,在车辆电量不足时,驾驶者只需要将汽车驾驶至Halo充电系统的充电板处即可进行充电。该无线充电系统不仅能够达到90%以上的充电效率,而且还可以根据用户车辆的实际需要来变换充电功率,进一步提高充电速度。图1-1所示为车用无线充电系统Halo,该系统可以满足SUV规格电动汽车的无线充电需求。据该公司负责人讲,高通公司采用的无线充电技术是由奥克兰大学科研团队开发的,只需利用一个厚度约为28mm的芯片就能够以3.3kW的功率对电动汽车进行充电。

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图1-1 车用无线充电系统Halo

在2016年3月广州国际新能源汽车充电桩博览会上,中惠创智(Zonecharge)首次实车展示了新能源汽车无线充电桩。这套基于磁耦合谐振技术的6.6kW无线充电桩,传输距离达到20cm,传输效率最高达90%。同时展示的另一套30kW的无线充电产品,传输距离最大可达60cm,而且具有一定的水平和垂直自由度,主要应用在大巴车和城市公交上。同年,中惠创智团队基于磁耦合谐振无线充电技术,针对商用化新能源汽车无线充电终端项目,在国内首次推出了车用双模(有线+无线)充电桩,其充电原理如图1-2所示。

成立于2014年6月的中兴新能源(ZTEV)研发出具有完全自主知识产权的电动汽车3~60kW大功率无线充电系列产品,并推出“智慧无线充电”,重点应用在城市公交大巴上。目前,ZTEV在全国30多个城市(包括成都、襄阳、张家口大理丽江贵阳、长春、惠东等地)开通了无线充电公交线路。除公交大巴外,ZTEV也积极投入到乘用车无线充电系统的开发,分别于2015年7月及2016年12月完成了乘用车分体式及一体式无线充电系统设计,同国内大部分OEM厂家都展开了交流合作。

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图1-2 车用双模(有线+无线)充电桩充电原理

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