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第一节
电动汽车充换电模式

电动汽车电能供给方式主要分为整车充电和电池更换两种模式,即充电模式和换电模式。

一、电动汽车充电模式

整车充电是指采用交流充电桩、车载充电机、非车载充电机等充电设备直接对电动汽车车载动力电池进行充电。充电模式分为传导式和感应式两种。目前广泛应用的是传导式充电方式,感应式尚在研发阶段,无大规模应用。

(一)传导式

传导式充电也称为接触式充电,采用插头与插座的金属接触来导电,具有技术成熟、工艺简单和成本低廉的优点。这种方式的缺点是导体裸露在外面不安全,而且会因多次插拔操作,引起机械磨损,导致接触松动,不能有效传输电能。

1.充电电源

对于传导式充电,目前国内常采用的充电电源主要有以下几种:相控电源、线性电源、开关电源。

(1)相控电源。相控电源是较传统的电源,以晶闸管作为功率开关器件,它将交流电经过整流滤波后输出直流,通过改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压。以晶闸管为开关器件的相控电源优点是价格便宜,耐流、耐压能力强,能实现大功率。相控电源所使用的变压器是工频电源变压器,它的体积庞大,由此造成相控电源本身的体积庞大、效率低下,并且该类电源动态响应差、功率因数低、谐波污染严重。目前相控电源已经有逐步被淘汰的趋势。

(2)线性电源。线性电源是另一种常见的电源,它是通过串联调整管可以连续控制的线性稳压电源。线性电源的功率调整管总是工作在放大区,流过的电流是连续的,由于调整管上损耗功率较大,需要采用大功率调整管并需要装配体积很大的散热器。

随着电力电子技术和自动控制技术的发展,尤其是大功率高压场效应管等新型高频开关器的出现,使得开关的速率大大提高,关断时间加快,存储时间缩短,从而提高了开关频率,减小了功率变换器中的变压器体积和质量,以及减小了电感、电容等无源器件的容量,大大提高了功率密度,具有高效化、小型化的特点。

(3)开关电源。开关电源具有体积小、动态响应快、效率高等特点,近年来得到广泛研究与关注,特别在通信、电力等领域中得到了较普遍的应用。

2.充电技术

根据充电时间的长短可分为交流慢充和直流快充两种。

(1)交流慢充。交流慢充是指采用小电流(通常在0.1~0.3C)在较长的时间内对蓄电池进行慢速充电,这种充电又称为普通充电。常规蓄电池均采用小电流的恒压恒流三段式充电,一般充电时间可长达5~10h。交流慢充的优点:充电装置和安装成本较低;充电功率小;可充分利用电力低谷时段进行充电,降低充电成本,保证充电时段电压相对稳定。交流慢充的缺点:充电时间过长,难以满足车辆紧急运行的需求。目前,交流慢充主要用于行驶距离短,休息时间长的公务车和私家车。

(2)直流快充。直流快充又称为应急充电,是指以较大的电流(一般用1~5C)在12min~1h的短时间内,为电动汽车进行充电的一种方式。直流快充的优点:充电时间短,便利性好。直流快充的缺点:充电效率较低,充电装置安装成本和工作成本较高;充电电流大,对充电的技术和方法要求高,对电池的寿命有极大影响;充电电流大显著降低电池寿命,并存在安全隐患。快速充电系统需要在专用的电动汽车充电站进行,主要用于行驶距离长、休息时间短的公交车和出租车。

(二)感应式

感应式充电即非接触式充电,充电装置和汽车接收装置之间不采用直接电接触的方式,而是采用由分离的高频变压器组合而成,通过感应耦合,无接触式地传输能量。采用感应耦合方式充电,可以避免接触式充电的缺陷。非接触充电装置的类型主要分为电磁感应方式、磁共振方式和微波方式三种。

1.电磁感应方式

电磁感应通过送电绕组和接收绕组之间传输电力,是最接近实用化的一种充电方式。当送电绕组中有交变电流通过时,发送(一次)、接收(二次)两绕组之间产生交替变化的磁束,由此在二次绕组产生随磁束变化的感应电动势,通过接收绕组端子对外输出交变电流。

感应充电机是利用高频变压器原理,如图2—1所示,高频变压器的一边绕组装在充电机上,另一边绕组嵌在电动汽车上,输入电网交流电经过整流后,通过高频逆变环节,将50~60Hz的市电转换为80~300Hz的高频电,经电缆传输通过感应耦合器后,传送到电动汽车输入端,再经过整流滤波环节,将高频交流电变换为能够为蓄电池充电的直流电。

图2—1 感应充电机原理

目前存在的问题是:送电距离比较短(约100mm),并且送电与接收两部分出现较大偏差时,则电力传输效率就会明显下降;功率大小与线圈尺寸直接相关,需要大功率传送电力时,需在基础设施建设和电力设备方面加大投入。

2.磁共振方式

磁共振传送方式由美国麻省理工学院于2007年研制成功,自问世以来,一直备受世界各国的普遍关注。它主要由电源、电力输出、电力接收、整流器等主要部分组成,原理与电磁感应方式基本相同。电源传送部分有电流通过时,所产生的交变磁束使接收部分产生电动势,为电池充电时输出电流。

与电磁感应充电方式不同之处在于,磁共振方式加装了一个高频驱动电源,采用兼备线圈和电容器的LC共振电路,而并非由简单线圈构成送电和接收两个单元。共振频率的数值,会随送电与接收单元之间距离的变化而改变。当传送距离发生改变时,传输效率也会像电磁感应一样迅速降低。为此,可通过控制电路调整共振频率,使两个单元的电路发生共振,即“共鸣”。所以,这种磁共振状态也称为“磁共鸣”。

在控制回路的作用下改变传送与接收的频率,可将电力传送距离增大至数米左右,同时将两单元电路的电阻降至最小以提高传送效率。当然,传输效率还与发送与接收电单元的直径相关,传送面积越大,传输效率也越高。目前的传输距离可达400mm左右,传输效率可达95%。

3.微波方式

使用2.45GHz的电波发生装置传送电力,发送装置与微波炉使用的“磁控管”基本相同。传送的微波也是交流电波,可用天线在不同方向接收,用整流电路转换成直流电为汽车电池充电。为防止充电时微波外漏,充电部分装有金属屏蔽装置。使用中,送电与接收之间的有效屏蔽可防止微波外漏。

目前存在的主要问题是:磁控管产生微波时的效率过低,造成许多电力转变为热能被白白消耗。

二、电动汽车换电模式

电池更换是指用充满电的动力电池组更换车上需要充电的动力电池组,实现电动汽车能源的快速补给。电池更换模式一般采用集中更换、统一配送的运作方式。即在市中心建立电池更换站,满足大量电动汽车更换电池的需求,但本身不设置充电设备,而是将已放电电池集中,运送至郊区220kV变电站站内或者附近的电池充电站进行充电,充电完成后再从充电站统一配送至各电池更换站。

(一)电池更换方式

换电模式需要将电池从车辆上卸下,然后安装充满电的电池,这个过程称为电池更换。目前,电池更换的方式有三种,分别为底盘更换、后备箱更换和两侧更换。

1.底盘更换方式

电池箱安放在车辆底盘上,与乘员仓有效隔离,没有占用后备箱储藏功能,整车重量均匀分布,前后轴负荷比例合理,可更好地满足车辆运行的技术性能指标,车辆行驶的安全性和舒适性。但底盘更换方式中电池箱的标准化难度较高,同时整车技术(或改造)难度较大。

2.后备箱更换方式

电池箱安放在车辆后备箱,占用了后备箱,牺牲了整车储藏功能,也无法有效隔离乘员仓。另外,电池箱的重量使整车重心后移,车辆运行的技术性能有所下降。相比于底盘更换方式,后备箱更换方式容易实现,整车不需要太大的改造。

3.两侧更换方式

商用车的电池箱一般位于车辆的两侧,更换设备也是从车辆两侧对电池进行更换。由于商用车电池箱质量大,每辆车电池箱数量为8~12节,人工更换效率低,所以商用车电池箱的更换一般采用自动化更换设备来实现。

为了提高商用车电池的更换效率,缩短电池的更换时间,产生了不同模式的商用车电池更换方法。

(1)一步式方案。更换设备将电池从电池架取下后旋转180°安装在车上。更换过程中将车上电池取下,然后再放置到电池架上,两个动作由同一套装置完成。一步式方案下的换装设备操作简单,可靠性好,换电站整体占地面积小。但该种更换模式下,电池充电环境开放,温度控制效果不理想。

(2)两步式方案。更换设备只负责车辆电池的取放,堆垛机只负责电池架上电池的取放,各负其责,整个电池更换动作分解为两步,因此系统较一步式复杂,换电站整站占地面积大。

(二)电池充电方式

为卸载的、已放电电池进行充电时,电池被放在充电架上与充电机连接自动完成充电控制。充电方式有两种,分别是单箱充电和整组充电方式。

单箱充电方式有利于提高电池组的均衡性,延长电池组的使用寿命;但充电机的数量多,充电机与充电架的连线多,监控网络复杂,设备成本较高。

整组充电方式所需充电机的数量较少,监控网络简单,设备成本较低;但是相对单箱充电方式而言,整组充电方式不利于保持电池组的均衡性以及延长电池的使用寿命。

(三)换电模式的特点

相对整车充电方式而言,采用电池更换充电方式可以较大地提高车辆的利用率;电池更换方式可以利用低谷时段给蓄电池充电,同时又能在很短的时间内完成电动汽车电能补给过程,整个电池更换过程可以在10min内完成,与现有的燃油车加油时间大致相当;电池更换模式还可以及时发现电池组中电池单体的问题,对于电池的维护工作将具有积极意义;电池组放电深度的降低也有利于提高电池组的寿命。

但换电模式对车辆及电池更换设备的要求更高,需要配套专用电池模块、充电架和装卸工具,建立电池调度系统对所有的电池进行数量、质量和状态的监控管理,完成电池快换、充电、配组、储存以及电池容量测试、均衡等维护功能。为满足电池快换要求,需要分区域建设电池更换站。显然,采用电池更换充电方式的充电系统更为复杂,设备和管理成本较高,但能及时给用户提供电能补给服务。

三、电能补给方式选择

不同的电能补给方式各有自身的特点和适用范围,在实际应用中,需要根据车辆的种类、数量和运行特点,电池的性能和数量,系统运行和管理成本等众多因素进行选择,可以将多种电能补给方式有机结合,有利于实现电动汽车的最优运营。 zTVWdiH84VMaT0sqLIMV9Lhw80T4GnJWNsQ9h8RtGe67B3gjoCLmvst1xs4Zd8My

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