纯电动汽车动力电池及其充电技术初探

侯庆红，陈金华，高青，付贻伟

（1.北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176；2.北京电子科技职业学院机械工程学院，北京 100176）

纯电动汽车动力电池及其充电技术初探

侯庆红1，陈金华1，高青2，付贻伟1

（1.北京电子科技职业学院汽车工程学院，北京 100176；2.北京电子科技职业学院机械工程学院，北京 100176）

随着人们对生存环境的关注度的增加，汽车尾气排放的污染越来越受到大家的重视，新能源车尤其是纯电动汽车的发展势必会很好地解决这一问题，但是由于纯电动汽车的一些问题瓶颈还没有被打破，例如快速充电的问题，使得它的发展并不能有一个飞跃，文章试图对此问题作一个初步的分析与探讨，希望能够抛砖引玉，进而解决这个由来已久的问题。

电动汽车；快速充电；动力电池

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)01-07-03

引言

汽车产业是我国国民经济的主要支柱型产业，对我国经济的发展起着非常重要的作用。但是，随着我国经济的快速发展，汽车保有量的不断增加，能源和环境污染的问题凸现了出来。为了解决这些问题，新能源车出现在人们的视野当中。尤其电动汽车，以其零排放和低噪音的优点成为新能源车发展的重要趋势。但是，由于电动汽车的开发还存在着诸如：动力电池的成本，电池的充电速度等尚待解决的问题，使电动汽车还不能完全替代燃油汽车成为汽车行业的主流，在这里我们先来分析一下构成这些问题的原因，并进一步探讨一下解决的办法，希望能够对电动汽车的发展有所帮助。

1、对于电池的要求

纯电动汽车是由二次能源电池作为动力源，由电动机来驱动车轮完成行驶的车辆。其驱动过程如图1所示。它省去了发动机、油箱、变速器等多个系统，降低了生产成本，最重要的是减少了环境污染。

作为纯电动汽车的关键技术就是“三电”，即电池系统、电动机、电气控制系统。就目前来讲，电动机与电气控制这两大主要环节已可以满足作为汽车这一交通工具的各项要求，唯独需要突破的就是“电池”这一关键环节。

图1 纯电动汽车的基本驱动过程

首先，我们来看看汽车对于动力电池的要求有哪些。动力蓄电池一般是指具有较高的容量及输出功率，用于车辆等大型设备的驱动电源。用于衡量动力电池的指标有：比能量、比功率、能量密度、功率密度及快速充电性能等等[1]。比能量又称为质量比能量，单位为瓦时/千克，它标志着一次充电能行驶的里程，即每千克电池能提供的能量，这个值我们当然希望它越大越好。比功率又称质量比功率，单位瓦/千克，即每千克质量的电池能提供多大马力，它的大小标志着车辆的起动加速性能，最高车速，爬坡性能。能量密度又称体积比能量，单位瓦时/升，即每升容积的电池能提供多少能量，它决定着蓄电池所占车内空间的大小。功率密度称为体积比功率，单位瓦/升，代表单位体积的电池提供的马力大小，也标志着电池所占空间的大小。快速充电性能分别用充满电池的50%、80%、100%所用的时间表示。除此之外，车用动力电池还必须满足：高安全性能，相对稳定寿命长，免维护，价格成本低等要求。

目前，应用于汽车的动力电池有：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、超级电容器等。比较几种电池的性能，各具优缺点，铅酸电池技术成熟，可靠性强，成本低，但寿命短，自放电率高；锂离子电池有着较好的性能指标，但价格成本很高。这些电池各具特点共同占有动力电池的市场，在此我们不做过多的方析，重点探讨一下阻碍纯电动汽车大幅度发展的快速充电问题。

2、充电方式

当前电动汽车动力电池的充电方法有以下几种：恒流充电、恒压充电、阶段充电、脉冲充电、和智能充电[2]。这几种充电方式各具利弊，这里就不一一赘述了，其中的智能充电是可以对电池的充电状态进行实时地跟踪监测，并根据监测到的电流电压情况调整充电电流及电压，达到最佳的充电效果。

表1 几种充电模式的比较

尽管充电的效果良好，但是充电的速度还是不能像给汽车加油一样迅速，从而制约了电动汽车的大规模发展。目前的纯电动汽车的充电方式分为三种：普通充电、快速充电和更换电池如表1所示。

普通充电：一般采用220V或380V的交流电作为充电电源，充电时间要持续8个小时以上。由于充电时间比较长，主要在晚间进行，利用用电波谷，既有效地避开来用电高峰，而且价格便宜。既节省了充电成本，也不影响车辆白天的运行。虽然充电设备的安装成本较低，但是一次充电的用时较长，而且长时间占用充电设备，使得充电站建设用地土地资源紧张，充电的便捷性受到影响。只适用于家庭及有固定车位的停车场安装。如图2所示。

图2 普通充电模式

快速充电：多为直流充电，是将380V的三相交流电[5]先变换为大电流的直流电，再对车辆进行充电，用时10-30分钟左右，可以在十几分钟内充满电池的70%-80%，它的充电功率较大，需要几十千瓦到上百千瓦，虽然充电迅速，但是会对电池的使用寿命造成一定的影响，还会引起公共电网的电压波动，而且对于充电的可靠性和安全性都要求较高。这种充电模式比较适合安装在加油站、服务区及专用充电站内,建立所谓的公共超级充电桩[3]。

图3 快速充电方式

更换电池：这种方法是将成组的电池进行快速更换，用已经充满电的电池换下电动汽车上需要充电的动力电池，并将换下的电池放到电池更换站的充电架上自行充电，以备它车使用。看起来这种方法似乎更直接可行，首先这种方法比较迅速，仅相当于燃油车的加油时间，其次，在更换的过程中可以及时发现单个电池的问题，及时维修并可以延长电池的使用寿命。但是，这种模式对于电池的标准化要求较高，充电站的建设成本也比较高，电池的流通管理成本也高，适用于公共交通车辆，出租车辆及大型的集团企业应用。

除此之外，还有一种充电方式是便携流动式充电车，这种充电车作为移动的充电站[5]来给在行驶过程中电能消耗殆尽的电动汽车提供应急救援。

图4 换电池充电方式

由此我们看出充电设施的建设是纯电动汽车成规模化发展的至关重要的因素，正因如此，世界各国都在利用各种方法推动充电产业的发展。以美国为例，奥巴马总统就曾明确表示过要投入4亿美元支持充电站的建设；英国为了改善城市环境，在伦敦免费为公众提供充电站；我国到2020年建设充电站的总投入将达到320亿元。尽管投入这么多，最终在不同充电模式的配比上还是要有一个科学的认证的。

3、结论

基于纯电动汽车充电模式的现状，我们可以提出以下设想：

目前的充电模式可以采用几种模式并用的方式，即几种模式根据不同的条件和场合进行选择和补充。

①在土地资源充足的地方建立普通充电装置，如家庭单位有固定车位的地方，高速服务区内也可以适当建设；

②快速充电作为应急充电方式，提供给有时间需求的车辆，也可以建在大型停车场，及高速服务区；

③对于比较迅捷的更换电池模式，可以在条件允许的场合适当发展，解决办法是类似于租车一样，进行电池的租用，异地更换也就不成问题了；

④还可以把光伏技术应用于汽车表面，做到在车辆行驶的过程中随用随充，这岂不是更加快捷便利。

总之，随着高新科技的不断发展，纯电动汽车的快速充电问题终将会得到很好的解决，那时候天更蓝，水更清，我们的生存环境也会越来越美好。

[1] 马银山.电动汽车充电技术及运营知识问答[J].2012(1):79-81.

[2] 许晓慧,徐石明. 电动汽车及充换电技术[M].北京：中国电力出版社，2012. 11.

[3] 谢靖飞,谢泽川, 郭一祺等.特斯拉电源管理系统和快速充电技术的研究综述[J]东莞理工学院学报,2016,23(3),83-89.

[4] 孟伟,张露.浅谈电动汽车充电技术[J].汽车电器15(6), 1-4.

[5] 王刚,周荣,乔维高.电动汽车充电技术研究[J]. 农业装备与车辆工程.2008(6),7-9.

Preliminary study on power battery and charging technology of pure electric vehicle

Hou Qinghong1, Chen Jinhua1, Gao Ging2, Fu Yiwei1
（1.Bejing Polytechnic Automobile Engineering School, Beijing 100176; 2.College of Mechanical Engineering, Bejing Polytechnic, Beijing 100176）

A With the increasing attention to the living environment of the people, the pollution of vehicle exhaust emissions are getting more attention, especially the development of new energy vehicles, pure electric vehicles will be a good solution to this problem, but due to the bottleneck problems of pure electric vehicles has not been broken, such as the problem of fast charging, the it does not have a leap of development, this paper attempts to make a preliminary analysis and Discussion on this issue, hoping to attract, and then solve the long-standing problems.

electric vehicle; Fast charge; Power battery

U469.7

A

A1671-7988 (2017)01-07-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.01.004

侯庆红（1969-），女，讲师，就职于北京电子科技职业学院汽车工程学院。主要研究方向为电力电子及电气传动。