电动汽车充电方式主要有常规充电方式、快速充电方式、电池更换方式、无线充电方式和移动式充电方式等。 1.常规充电方式常规充电方式采用恒压、恒流的传统充电方式对电动汽车进行充电,相应的充电机的工作和安装成本相对比较低。电动汽车家用充电设施(车载充电机)和小型充电站多采用这种充电方式。车载充电机是电动汽车的一种最基本的充电设备,如图2-42所示。充电机作为标准配置固定在车上或放在后备厢里。由于只需将车载充电机的插头插到停车场或家中的电源插座上即可进行充电,因此充电过程一般由客户自己独立完成。直接从低压照明电路取电,充电功率较小,由220V/16A规格的标准电网电源供电。典型的充电时间为8~10h(SOC值达到
95%以上)。这种充电方式对电网没有特殊要求,只要能够满足照明要求的供电质量就能够使用。由于在家中充电通常是晚上或者是在电低谷期,有利于电能的有效利用。
小型充电站是电动汽车的一种最重要的充电方式,如图2-43所示,充电桩设置在街边、超市、办公楼、停车场等处。采用常规充电电流充电。电动汽车驾驶员只需将车停靠在充电站指定的位置上,接上电线即可开始充电。计费方式是投币或刷卡,充电功率一般在5~10kW,采用三相四线制380V供电或单相220V供电。其典型的充电时间是,补电1~2h,充满5~8h(SOC值达到95%以上)。
常规充电方式主要优点是,充电技术成熟,技术门槛低,使用方便,容易推广普及;充电设施配置简单,占地较小,投资少;电池充电过程缓和,电池能够深度充满;充电时电池发热温和,不易发生高温短路或爆炸危险,安全性较高接口和相关标准较低;充电功率相对低,对配电网要求降低,基础设施配套需求小;一般选择夜间充电,可避开傍晚用电高峰期,节能效果较好,常规充电方式主要缺点是,充电时间长,续驶里程有限,使用受到限制;用于有慢速充电需求的停车场所,如住宅小区停车场、社会公共停车场等。
2.快速充电方式快速充电方式以150~400A的高充电电流在短时间内为蓄电池充电,与常规充电方式相比安装成本相对较高。快速充电也可称为迅速充电或应急充电,其目的是在短时间内给电动汽车充满电。大型充电站(机)多采用这种充电方式大型充电站(机)的快速充电方式如图2-44所示,它主要针对长距离旅行或需要进行快速补充电能的情况进行充电,充电机功率很大,一般都大于30kW,采用三相四线制380V供电。其典型的充电时间是10~30min。这种充电方式对电池寿命有一定的影响,特别是普通蓄电池不能进行快速充电,因为在短时间内接受大量的电量会导致蓄电池过热。快速充电站的关键是非车载快速充电组件,它能够输出35kW甚至更高的功率。由于功率和电流的额定值都很高,因此这种充电方式对电网有较高的要求,一般应靠近10kV变电站附近或在监测站和服务中心中使用。
快速充电方式主要优点是,技术较为成熟,接口标准要求较低;充电速度快,增加电动汽车长途续航能力,是一种有效的补充方案。
快速充电方式主要缺点是,充电功率较大,接口和用电安全提高,电池散热成为重要因素;电池不能深度充电,一般为电池容量的80%左右,容易损害电池寿命,需要承担更多的电池折旧成本;短时用电消耗大,对配电网要求较高,基础设施配套需求巨大。
3.电池更换方式采用更换电池的方式迅速补充车辆电能,电池更换可在10min以内完成,
理论上无限提升了车辆续驶里如图2-45所示为利用换电机器人为电动汽车更换电池。
电池更换方式主要优点是,电池更换客户感受接近传统的加油站加油;用户只需购买裸车,电池采用租赁的方式,大幅降低了车辆价格;采用适合的充电方式保证电池的健康以及电池效能的发挥,电池集中管理便于集中回收和维护,减小环境污染;选择夜间用电低谷时段慢速充电,降低服务机构运行成本,对电网起到错峰填谷作用。
电池更换方式主要缺点是,基础设施建设成本较高,占用场地大,电网配套要求高;需解决电动汽车更换电池方便的问题,如电池设计安装位置、电池拆卸难易程度等;需要电动汽车行业众多标准的严格统一,包括电池本身外形和各项参数的标准化,电池和电动汽车接口的标准化,电池和外置充电设备接口的标准化等;电池更换容易导致电池接口接触不良等问题,对电池及车辆接口的安全可靠要求提高;电池租赁带来的资产管理、物流配送、计价收费等一系列问题,运作复杂性和成本提高。
4.无线充电方式电动汽车无线充电方式是利用无线电能传输技术对蓄电池进行充电的种新型充电方式,主要有电磁感应充电方式、磁共振充电方式和微波充电方式。
(1)电磁感应充电方式电磁感应充电方式是通过送电线圈和接收线圈之间传输电力,这是最接近实用化的一种充电方式。当送电线圈中有交变电流通过时,发送(初级)、接收(次级)两线圈之间产生交替变化的磁场,由此在次级线圈产生随磁场变化的感应电动势,通过接收线圈端对外输出交变电流。
该充电方式存在的问题是,送电距离比较短(约100mm),并且送电与受电两
部分出现较大偏差时,电力传输效率就会明显下降;有异物进入时,会出现局部发热的情况;电磁波及高频方面的防护问题也不易解决;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)磁共振充电方式磁共振充电方式主要由电源、电力输出、电力接收整流器等组成,基本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势,为电池充电时输出电流。与电磁感应充电方式的不同之处在于,磁共振充电方式加装了两个高频驱动电源,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。因此,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”,也称这种磁共振状态为“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。传输效率还与发送和接收电单元的直径相关,传送面积越大,传输效率越高。目前的传输距离可达400mm左右,传输效率可达95%。目前磁共振充电方式技术上的难点是小型高效率化比较难。现在的技术能力大约是直径0.5m的线圈,能在1m左右的距离提供60W的电力。
(3)微波充电方式微波充电方式使用2.45GHz的电波发生装置传送电力。
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电动汽车蓄电池充电,并且可以实现一点对多点的远距离传送。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,送电与受电之间的有效屏蔽可防止微波外漏。该充电方式目前存在的主要的问题是磁控管产生微波时的效率过低,造成许多电力变为热能被白白消耗。
相对于电动汽车的有线充电而言,无线充电具有使用方便、安全、可靠,没有电火花和触电的危险,无积尘和接触损耗,无机械磨损,没有相应的维护问题,可以适应雨、雪等恶劣的天气和环境等优点。无线充电技术用于电动汽车充电可以降低人力成本,节省空间,不影响交通视线等。如果可以实现电动汽车的动态无线充电,则可以大幅减少电动汽车配备的动力电池容量,从而减轻整车重量,降低电动汽车的运行成本。
有了无线充电技术,公路上行驶的电动汽车或双能源汽车可通过安装在电线杆或其他高层建筑上的发射器快速补充电能。电费将从电动汽车上安装的预付卡中扣除。
电动汽车无线充电示意图如图2-46所示。
5.移动式充电方对电动汽车蓄电池而言,最理想的情况是电动汽车在路上行驶时充电,即所谓的移动式充电,如图2-47所示。这样,电动汽车用户就没有必要去寻找充电站、停放车辆并花费时间去充电。移动式充电系统埋设在一段路面之下,即充电区,不需要额外的空间。
接触式和感应式的移动式充电系统都可实施。接触式的移动式充电系统需要在车体的底部装一个接触拱,通过与嵌在路面上的充电元件相接触,接触拱便可获得瞬时高电流。当电动汽车行驶通过移动式充电区时,其充电过程为脉冲充电。对于感应式的移动式充电系统,车载式接触拱由感应线圈所取代,嵌在路面上的充电元件由可产生强磁场的高电流绕组所取代。很明显,由于机械损耗和接触拱的安装位置等因素的影响,接触式的移动式充电对人们的吸引力不大。
目前的研究主要集中在感应充电方式,因为它不需要机械接触,也不会产生大的位置误差。当然,这种充电方式的投资巨大,现在仍处于实验阶段总之,方便、高效的充电方式,是大量推广使用电动汽车的基础。
