1、电动汽车充电技术探讨电动汽车充电技术探讨武汉电动汽车示范运营有限公司 赵红荣 熊建斌摘要：电动汽车充电分为常规充电模式、快速充电模式和更换电池组三种模式,在不同的运行模式下选着相应的充电模式。充电机对蓄电池充电应具有充电快速化、充电通用化、充电智能化、电能转换高效化、充电集成化等要求。关键词：电动汽车充电;充电模式;充电技术；绿色充电站引言：目前我国电动汽车研究已取得阶段性成果,电动汽车是一种非常理想的中速和短途的日常公共交通工具，电动汽车的应用有效地解决了能源和环境两大难题,因此，在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。根据欧美和日本等先进国家的经验,在进行电动汽车的开发和制造的同时，
2、必须研究开发电动汽车与之相适应的公共充电站和进行电动汽车示范工程建设，为电动汽车的推广使用积累经验。为了作好这项工作，就必须进行电动汽车充电机（站)及其充电管理系统的研究与开发。 随着电动汽车研究的深入,对于电动汽车用电池充电机(站）有了一定的需求，在电动汽车大范围推广应用后，存在着对电池包中电池模块充电的技术要求,因为很大程度上影响电动汽车的运行质量是电池使用寿命过低、电池容量充不足等诸多问题造成，而这些问题与使用中电池安装配置和充电方法的选择即电池组与充电机的匹配、电池包中电池模块间性能一致性差异太大、运行和充电过程中电池的管理都有密切关系，故电动汽车蓄电池充电机（站）就必须达到一定的标准
3、、规模和技术管理，而且同时还要考虑到充电机(站)对电网的影响,所以研究大规模电动汽车充电技术就具有极其重要意义。本文着重探讨电动汽车充电方式的选择。一、电动车的充电模式的比较不同种类的动力电池具有不同的充电属性，充电方式必须与电池的充放电曲线进行匹配,最佳充电属性在01C0C之间变化。电池系统额定电压相同的情况下,最高充电电压由于电池种类、结构形式上的区别也体现出一定的差别。对于不同种类的电池,充电方式及电控制和管理策略也不同,因此应根据电池的特性来确定不同的充电方法。由于电动汽车动力电池组的技术和使用特性的不同,电动汽车的充电模式存在一定的差别。通常有常规充电、快速充电和更换电池组三种充电模
4、式。（1)常规充电模式常规充电是指采用小电流（0.1C3C)在较长的时间内对蓄电池进行慢速充电,这种充电又叫普通充电。常规蓄电池均采用小电流的恒压恒流三段式充电，一般充电时间为012小时,最长可达5小时。常规充电的优点:1)充电器和安装成本较低,便于实现车载;）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；3）充电设施体积小可携带,便于车辆在停车场以外的地方充电。常规充电的缺点:充电时间过长，难以满足车辆紧急运行的需求。常规充电的适用性：1）设计电动汽车的续驶里程尽可能大，能满足车辆运营一天的需要，仅仅利用晚间停运时间充电;2）由于常规充电以常规的电流为蓄电池充电，因
5、此在家里、停车场和公共汽车站都可以进行充电;3）常规充电站的规模一般较大,以便能够同时为多辆电动汽车进行充电。(2)快速充电模式常规充电的充电方法一般时间较长，给实际车辆使用带来许多不便。快速充电模式的出现，为电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称应急充电，是指以较大的电流（一般用1 CC）在min至h的短时间内,为电动汽车进行充电的一种模式。快速充电的优点：1）充电时间短,场地周换快;2）充电站场不需要大面积的停车场。快速充电的缺点:1）充电效率较低,安装成本和工作成本较高；2）充电电流大,对充电的技术和方法要求高,对电池的寿命有负面影响；3）充电电流大易造成电池异常,存在安全隐患。快
6、速充电的适用性：1）电动车的续驶里程适中,在车辆运行的间隙进行快速补充， 满足车辆安全运营需要;2）大电流快充使充电时间大为缩短，为后续的均衡充留出足够的时间；3）由于相应的大电流需求会对公用电网产生有害的影响，因而快速充电模式只适用于专用的充电站。(3）更换电池组即电池组快速更换系统。通过直接更换电动汽车的电池组来达到充电的目的。由于电池组重量较大，更换电池的专业化要求较强,需配备专业人员并借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。更换电池的优点:1）提高了车辆的使用效率,方便用户的使用；2）更换下来的蓄电池可以在低谷时段进行充电，降低了充电成本，提高了车辆运行的经济性;3）解决了充电时
7、间长、蓄存电荷量少、电池质量差、续驶里程短等难题；4）便于电池组的维护、管理,提高了电池的使用寿命；5）有利于废旧电池的回收和再利用。更换电池的缺点:对于电池与电动汽车的标准化、电动汽车的设计改进、充电站的建设和管理以及电池的流通管理等有严格的要求。更换电池的适用性:1）车辆电池组设计标准化,易更换；2）车辆运营中需要及时的更换电池,充电站可以对电池和车辆实现专业化、快速化的分离；由于电池组快速更换专业化要求高，因而电池组快速更换模式只适用于标准的充电站。二、充电模式的选择很显然,以上三种充电模式有各自的特点和适用范围。我们根据常规纯电动汽车的运营特点以及使用的常规电池(铅酸）的特性,我们通常
8、采取两种充电模式:即常规充电和补充充电。必要时可采取更换电池充电(锂离子、镍氢电池等）。(1）常规充电在夜间对电动汽车进行集中充电,充电时间为8-10小时。经过常规充电的纯电动车辆电池电量基本能满足一天的运行要求。充电站一般建立在专用场地区域内,一方面，便于管理的规范化，有利于充电站的安全;另一方面，运营线路的始发站和终点站建在人员比较密集的区域，可利用早上和晚上上下班的高峰时间，有利于提高高峰时间的载客率。（2）补充充电利用电动汽车在起点站、终点站和途中重要的人流集散地待客的时间进行短时间充电。由于大电流快速充电方式对铅酸电池的寿命有很大影响，因此补充充电采用的仍然的常规充电,只是充电时间是
9、利用待客的间隙而已。充电机一般摆放在重要运营站点的停车场，补充充电时只要把充电机插头插到电动汽车电池组上即可，当客人基本坐满后，不管电池是否充满，直接拔掉充电插头即可正常运营。（)更换电池电池单体在制造过程中存在的原材料、生产工艺、装配、加液等工序存在一定的差异，使得电池模块内部的不一致性,对电池组的充电效率、性能和寿命有很大的影响,特别是铅酸电池;这些将造成在该批电池模块的性能上存在允许范围内或范围外的误差，而这种差异在电池组内串联工作时会变得更加明显;而且经过较长时间使用后,这种差异会越来越明显。因此,在电池使用前一定要进行配组，电池使用一段时间后，性能处于优劣两极的电池模块或电池单体会出
10、现在没达到循环寿命时而早期衰减或失效，造成电池组不能正常工作,从而影响电动车辆的运行，故加强电池在生产过程中的各工序管理，提高电池一致性的产品质量将其性能差异控制在允许的公差范围之内,更应该在使用过程中注意使用条件的不一致性,充放电的维护管理和保养方法等尽量减少造成性能一致性差异加大的条件，要注意放电时不能过放,对差异大的电池组进行更换电池,保证性能好的电池不会被性能差的电池拖垮。对于使用具有一定智能化功能的充电机对电池组进行充电,有利于修复维护电池组。此外,当电池组出现故障或需要补足电能时，也可采用更换电池的模式。三、不同充放电对蓄电池续驶里程和寿命的影响电动车中最脆弱的地方是电池,一组铅酸
11、电池的正常使用寿命为1年半左右，如果能把它的使用寿命延长30以上,按每组电池价格6000元计算，如果对电池使用维护适当，每组电池可节省费用1500元；一组锂离子电池的正常使用寿命为5年左右,如果能把它的使用寿命延长30%以上,按每组电池价格600元计算,如果对电池使用维护适当,每组电池可节省费用650元,体现出了电池维护的经济效益。蓄电池最忌过充过放、大电流放电，过充是充电问题,过放大电流放电是行驶中要注意的问题： 1、过充：理论上，充电电压一直是我们讨论的核心,也许理论上能定下来，但实际生产中，因为制造工艺、仪表误差，总不是那么的让人满意，怎么避免这个问题？我们研发出的绿色充电设备就能很好的
12、解决此问题。该设备在充电的同时可对电池进行实时监测,在使电池充满的基础上充分保证了电池不会过充电。充电问题还表现在蓄电池的放电程度上。电动车使用的蓄电池严禁经常处于深放电状态,经常处于该状态直接导致电动车行驶里程的减少和蓄电池寿命的缩短。蓄电池正确的充电法应是浅充浅放（不超过0%为好)，中途进行短时间的补充充电，2个月左右进行一次深放深充(放电约85%左右)，进行均衡大电流充电激活, 可有效延长蓄电池的使用寿命。2、大电流放电:在车辆的使用过程中大电流放电的罪魁祸首是急加速启动！电机在速度带负荷启动时电流是最大的，经测试满载时电动车启动电流超过运行电流的35倍,可以想象这对电池的损害是显而易见
13、的。这么大的电流，不仅对电池是极大的损害,对控制器也是极大的考验，可以说是摧残。 同时,上坡也是大电流放电的主要原因,特别是较长的大坡度更要注意，应尽量避免在大坡度上急加速启动。 、续驶里程:只要的影响因素是电池的容量，但在电池容量一定的条件下，与电动车的使用关系极密切,因为纯电动汽车其运行的能量全部来源于车载动力电池,最理想的行驶是匀速,少加速。对于电动车的驾驶,需进行专门的培训，驾驶员上岗不仅需要相关的驾驶证件,还要经过电动车辆使用的培训,只有通过培训考核取得培训部门颁发的上岗证后方可上岗运营。驾驶电动车时，时刻注意前方情况行人车辆和路况，行人车辆多、路况不好、十字路口、拐弯等,要提放电门
14、溜行,刹一次车，至少减少3m以上的动能。四、充电时间的选择不同运行模式的电动汽车对电池的充电时间有不同的要求,而充电时间的不同需要不同的充电方式来满足。此外，不同电池都有其最佳的充电电压、电流和充电时间。电池在常规充电方式下需要较长的充电时间，一般需要-1小时，甚至更长一些。由于二次电池无记忆效应,车载电池能量的补充主要依赖于电网来完成的，即通过采用电网的电能给蓄电池进行充电，这样充电质量的好、坏直接影响到车载动力电池在运行条件下的能量供给、贮存和电池的使用寿命等方面，最终影响到电动汽车的使用成本。因此在实际使用中可以采用快速充电方式缩短充电时间,或者采用常规充电方式进行短时间补充充电。电动汽
15、车的充电技术是维持电动汽车运行的一项必备的手段,其对车辆的全使用寿命的影响重大。前面介绍了专门区域在日常使用过程中的充电方式,这些充电方式、充电时间各有差异，主要表现在:常规充电主要在晚间进行。电动车辆在当天运营完毕以后,在专门区域的充电站进行长时间的晚间充电，一般充电至第二天运营开始。晚间充电主要优点在于很好的利用了电网低谷，平衡了该区域日间和夜间的用电。另外，充电站建立在人员密集区域内,使纯电动车辆运行到载客始发站距离较短,节省了动力电池的消耗,提高了电池的利用率。补充充电一般在白天运营过程中进行间断性电池快速充电。对于纯电动车辆,晚间充电的电池电量基本能满足一天的运营要求,但当运营任务过
16、重,或负荷运营时间过长时,电动车辆就必须充分利用停车待客时间进行电量补充。补充充电采用直插直充的快速充电方式,由于二次电池的无记忆特性，对电池的寿命无明显影响，更重要的是对白天的运营也无影响。五、充电场地的布置电动观光车根据其运行的地点和欢迎不同，其充电模式和充电场站的建设也有区别。在专门区域内的充电站有两种场地安排：(1）集中式充电站在指定区域内安排专门场地,设置2-个充电位,以便夜间对电动汽车进行集中常规充电。为了安全起见，集中式充电站一般建有防雨屋棚并用栅栏隔离。如下图所示： 图 集中式绿色充电站（2)分散式充电站在人员密集专门区场地有限的条件下,或当小区规模较大时，可在小区的适当地方设
17、置少量的充电机，主要用于补充充电。为了安全起见,其充电机装在铁箱子里面。如下图所示:图 大型小区内的分散式充电六、蓄电池对充电技术的要求纯电动汽车的充电站建设,其建设方式和建设要求需根据实际情况而确定。但随着纯电动汽车的逐步推广和产业化以及电动汽车技术的日益发展,纯电动汽车对充电技术要求表现出了一致的趋势，要求充电站尽可能向以下目标靠近:()充电快速化相比发展前景良好的镍氢和理离子动力蓄电池而言，传统铅酸类蓄电池以其技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好和无记忆效应等优点,但同样存在着比能量低、一次充电续驶里程短的问题。因此,在目前动力电池不能直接提供更多续驶里程的情况下，如果能够实
18、现电池充电快速化，从某种意义上也就解决了电动汽车续驶里程短这个致命弱点。(）充电通用化在多种类型蓄电池、多种电压等级共存的市场背景下,用于公共场所的充电装置必须具有适应多种类型蓄电池系统和适应各种电压等级的能力,即充电系统需要具有充电广泛性,具备多种类型蓄电池的充电控制算法，可与各类纯电动汽车上的不同蓄电池系统实现充电特性匹配,能够针对不同的电池进行充电。因此，在纯电动汽车商业化的早期,就应该制定相关政策措施，规范公共场所用充电装置与电动汽车的充电接口、充电规范和接口协议等。（3)充电智能化制约纯电动汽车发展及普及的最关键问题之一是储能电池的性能和应用水平。优化电池智能化充电方法的目标是要实现
19、电池的无损充电,监控电池的放电状态,避兔过放电现象，从而达到延长电池的使用寿命和节能的目的。充电智能化的应用技术发展主要体现在以下方面：1）优化的、智能充电技术和充电机、充电站；2）电池电量的计算、指导和智能化管理;3）电池故障的自动诊断和维护技术等。(4)电能转换高效化纯电动汽车的能耗指标与其运行能源费紧密相关。降低电动汽车的运行能耗,提高其经济性,是推动电动汽车产业化的关键因素之一。对于充电站,从电能转换效率和建造成本上考虑，应优先选择具有电能转换效率高,建造成本低等诸多优点的充电装置,如集中隔离型充电装置等。（5）充电集成化本着子系统小型化和多功能化的要求，以及电池可靠性和稳定性要求的提
20、高,充电系统将和电动汽车能量管理系统集成为一个整体，集成传输晶体管、电流检测和反向放电保护等功能，无需外部组件即可实现体积更小、集成化更高的充电解决方案,从而为电动汽车其余部件节约出布置空间，大大降低系统成本，并可优化充电效果,延长电池寿命。七、充电机的种类及特点充电机的分类主要如下：（1)依据电流的不同可分为直流充电机和交流充电机。（）依据功率大小的不同可分为大功率充电机和小功率充电机。(3)依据充电频率的不同可分为工频充电机和高频充电机。（)此外，还有负脉冲充电机、三段式充电机、变压器充电机和开关电源式充电机等等。如今，电动汽车充电使用的最广泛的是工频充电机和高频充电机。工频充电机的特点是
21、:体积大、重量大、耗电高,但是性能可靠、价格便宜。高频充电机的特点是:体积小、重量小、充电时间短、大电流放电性能好、效率高、具备智能活化功能,有利于电池活化物质的充分溶解、渗透和扩散，电化学反应和浓度极化充分彻底,基本完全激活和发挥了电池能量,并延长了其使用寿命，是传统可控硅充电机无法做到的。高频充电机真正体现了安全、快速、高效、性价比高的充电技术特点。 另外,随着科技的进步,以及人们对充电机技术的不断深入研究,许多新型的充电机应运而生，如:大功率智能高频充电机、可控硅整流充电机等。它们在原有充电机的基础之上,取长补短,无论在充电效率、充电时间方面还是在充电安全保护、充电自动化管理方面都取得了
22、长足进展，代表了未来充电机发展的趋势和方向。八、谐波污染与谐波治理随着电池汽车的快速发展,电动车辆的能源供给安全问题也提到议事日程，国家电网非常关注充电设备、设施的非线性设施大量使用时,对供电质量是否会造成的危害,主要是谐波污染和功率因数。（1)谐波污染充电机（站)在大量充电过程中会对电网产生谐波影响。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或安全事故;谐波可引起电网系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波量放大，造成电容器设备烧毁;谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。谐波对非电网系统如通信设备、电子设备等
23、公共设施也会产生严重干扰。因此，必须对充电过程中的谐波影响进行监测,确定适当的充电机台数,使谐波影响控制在规定范围内,以及采取适当的谐波抑制措施是非常必要的。（2）谐波治理谐波问题是关系到供电系统供电质量的一个重要问题,为减少供电系统的谐波问题,应从管理上和技术措施上采取相应对策。(1）贯彻执行有关谐波的国家标准，加强谐波管理（2）增加换流装置的相数()增装动态无功补偿装置,提高供电系统承受谐波的能力(4）加装滤波装置(包括无源滤波和有源滤波装置）减少谐波对供电系统的影响,最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防止谐波电流的产生，从而降低谐波电流的危害。防止谐波电流危害,一种方法
24、是被动地防御,即在已产生谐波的情况下,采用传统的无源滤波方法（由一组无源元件：电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置)减轻谐波对电气设备的危害。另一种方法是主动地预防谐波电流的产生，即有源滤波方法。其原理是利用可关断电力电子器件，产生与负荷电流中的谐波分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波。九、绿色充电机的技术性能要求充电机作为电动汽车能源供给系统中的关键设备，是联结能源“供”、“需”双方的纽带。其技术性能参数的确定既受制于电动汽车运营模式、电池充电模式、集中充电规模的要求，又受制于充电过程中它对电网安全性和稳定性的影响程度。其最佳技术性能参数应该既满足电动汽车高效率、低成本运营的要求,又满
25、足国家电网系统的安全性和稳定性的要求。此外，充电电池的实际性能呈非线性、随机性和动态性特征,与电池的实际使用模式(充放电模式)及工况环境有直接关系。这决定了充电机技术参数的确定需要在电动汽车的实际运营过程中进行跟踪监测和检验。所谓绿色充电机，是指在充电过程中可以有效抑制谐波且功数因数较高的充电机，保证电池组充电时不会给电网电能质量产生不良的影响的充电设备，同时按有关充电站建设国家标准的要求，充电设备无电网污染、电磁兼容能满足国家标准。1.功率因数功率因数简单的讲就是充电机有功功率和总功率的比值，即充电机的工作效率。那提高充电机的功率因数对我们用户又有什么好处呢？好处如下:1)通过改善功率因数，
26、减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。2）藉由良好功率因数值的确保，从而减少了供电系统中的电压损失,可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。 ）可以增加系统的裕度,挖掘出发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低,那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。举例而言，将100KW变压器之功率因数从提高到0.9时：补偿前：1000.=800KW补偿后:00.8=80KW同样一台100KW的变压器,功率因数改变后,它就可以多承担K的负载。4)减少了用户的电费支出，通过上述各元件损失
27、的减少及功率因数的提高节省了本不必浪费的电能。 目前在我国,功率因素如果低于0.8将受到处罚。因为功率因数是供电局非常在意的一个系数,用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的电力资源。正所谓金钱是自己的，但资源是国家的。可见绿色充电机的出现绝非偶然，而是顺应了时代的潮流，节省了资源,有利于环保，符合国家走可持续发展道路的思想。2.绿色充电设备绿色充电机主要由PC、DCC两大功能电路组成,在硬件电路、整体结构、散热模式上均采用了新的设计方式，具有效率高、体积小、重量轻等特点。由于使用了多项新技术实现超低能耗,在可靠性方面也有较大提高，是一款高效节能的绿色电源。目前，我公司研制建成
28、的绿色集中式充电站的功率因数能达到092,较常规电动车充电机节省耗电30%以上,并且设备在电路中引入谐振钳位吸收电路,利用漏电感和2个钳位二极管在压制震荡尖峰的同时将谐振能量返回母线，较有效的抑制谐波。图 绿色集中式充电站 图 绿色集中式充电站控制界面十、绿色充电机的市场准入机制现在生产动力电池充电机的生产厂家较多,各企业所生产的充电机技术、性能都有较大的差异,为了能够规范整个充电站充电机的使用市场，很有必要确定相关的充电机市场的准入机制,通过市场竞争进一步提高充电机的性能和降低成本。首先，在技术上，必须能够满足现有三种电池中(铅酸电池、镍氢电池和锂电池）任一种的充电要求,并且尽量采用充电机充电技术、生产技术先进的生产厂家的产品。对于充电机生产技术不成熟或者充电机产品不合格的单位,禁止其进入充电机市场。其次，充电机必须尽量的环保。充电机在充电过程中会产生谐波污染,因此，在满足使用要求的前提下应该尽量考虑绿色充电机。最后，应当由相关单位专门负责颁发充电机的市场准入。只有这样才可以真正规范充电机市场,为纯电动汽车充电站的建设打下良好基础。
