电动汽车充电机理及不同难点分析

2018-05-30

电动汽车动力源于电池,目前使用的电池都是二次电池,即可充电池。充电电池的寿命指标是充电次数。通俗理解,充电电池随时间延长,它会衰减的。如何防止电池衰减过快,同时又要满足大众对充电便捷性的要求,是大家比较关心的。下面对电动汽车充电机理探讨及不同方式难点分析进行分析,供使用者参考。

一、目前推广应用的难点是一次持续里程短、充电时间长

1)一次持续里程短。目前电动汽车一次持续里程比较合理的在200公里到300公里之间。但与燃油车相比还差一半以上。商家一而再三打广告,说一次充电能跑500公里、800公里,是在误导了消费者。实际情况是,电动汽车一次充电能跑多少公里,与车载电池多少是成线性有关的。要跑得越远,车载电池量必须装越多。

车载电池量在汽车工程设计值上,必须要考量其技术上可行性,经济性的合理性。与燃料车的油箱容积大小设计是一样,不是可以任意地无限大的。目前电动汽车的一次里程不能做到燃油车一样的长,主要理由是由于动力电池的比能量与汽柴油相相比,还差100多倍。我们每天能听到动力电池技术在进步,但是从科学上讲,在短期内,动力电池新能源汽车一次里程上没有可能赶上燃油汽车的。

2)充电时间长达6-8个小时,是比较科学的。也就是说,实际上电动汽车充电的便捷性是大家不能接受的。一是用家里220V交流电来充电,充电时间要6-8小时;二是到充电站用直流充电,除了排队外,充电过程要的时间也必须要在30分钟以上;三是买换电池的车吧,基本上没有卖的。

二、提高充电方便性基本途径

1)如果能用民用交流电充电,如果充电时间少于要3小时能接受;

2)如果到充电站用直流充电,充电时间少于1个小时能接受;

3)如果换电池,必须电池是自己专用,是可以接受。

三、锂离子动力电池组的充电模式

下面是充电曲线,即充电模式采用“限流、限压”两阶段充电模式。

1)限流过程:

这一阶段的充电叫 “限流”充电,充电电流保持在限流值。随着充电的延续,电池电动势不断上升,电池的充电压也不断上升。当电池电压上升到允许的最高充电电压时,保持恒压充电。厂家建议:一般采用最佳充电倍率(锂离子电池为0.3CA)进行限流充电。

2)限压过程:

在这一阶段,由于电池电动势还在不断上升,而充电电压又保持不变,所以电池的充电流呈双曲线趋势不断下降,一直下降到零。这一阶段的充电叫恒“恒压”充电,这一阶段的充电电压:U=E+IR=恒压值。

(实际做法:当充电电流减小到0.015CA时就可停止充电。)

三、对离子动力电池组充电,实际是一个动态的过程

充电系统必须具有自动调节充电参数、自动控制和自动保护功能:

1)自动调节充电参数

a)例如,在充电时,尤其在恒压充电阶段,如果电池组中有某一个单体电池的充电电压超过允许的充电电压(根据不同锂电池的特性一般设定为3.9V~4.3V之间)时,充电系统应会根据电池管理系统(BMS)输出的信号,自动减小充电电压和电流,使该电池的充电电压不超过允许的充电电压,防止该电池过压充电。

b)再如,在充电开始时,经电池管理系统(BMS)监测到有某一个单体电池的电压过低,充电系统应能自动改小初始充电电流,待电池的电压正常后,再转入正常充电。

所以,在充电过程中,充电系统必须能根据电池组的状态、电池管理系统(BMS)输出的信息和整车监控输出的信息,自动调节充电参数和自动控制充电。

2)自动控制和自动保护功能

在充电过程中,电池组和电动车发生任何不正常情况时,如电池组短路、断路、高温、起火和有电池损坏时,充电系统应能迅速切断电源,停止充电。

3) 与整车CAN总线通信

在充电过程中,充电系统的信息可与整车CAN总线通信。

四、对电池充电实际上“电”能转换成“化学”能过程

对电池充电必须配备充电设备——充电器。充电器就是把交流电网电源经过整流滤波后,并经一系列调控后,输出DC电源,供给动力电池组进行充电,即电池组接受的直流电。充电器分为三类:

a)早期使用最多的充电器是采用可控硅作整流控制元件的工频充电器。必须配置一个庞大而笨重的工频变压器。而且效率低、功率因数低、容易对电网造成污染。

b)高频开关电源充电器。它具有体积小,重量轻,工作可靠,效率高,功率因数高、不怕电网波动和不造成电网波动、既不怕电网干扰又不干扰电网、功率可小可大,容易实现智能化等优点。特别适合做小功率到大功率、特大功率的高频开关电源充电器。可以通过模块的串联,做成高压充电器;也可以通过模块的并联,做成大电流充电器;还可以通过模块的串联和并联,做成高电压、大电流的大功率充电器。该开关电源充电器还具有根据电池管理系统(BMS)的信息,自动调节充电参数和自动保护电池的功能。

c)种脉冲充电器,结构比较复朵,技术难度较大。脉冲充电可以减少电池在充电时产生的极化现象,从而提高电池的充电效率,减少充电时间,实现快速充电。

以上说明,电能变成化学能是一个十分复杂的过程,必须有充电器和BMS协同工作,才能完成这一工作。

五、充电时间长是电动汽车推广应用的一个难题

1)难题之一:按最佳充电要求对电动汽车充电的充电时间,至少要3个小时。因此,电动汽车的充电方式不能像燃油汽车在加油站加油那样,在像加油站那样的充电站进行充电。

2)难题之二:电动汽车的充电系统是各自独立的。它不可能在充电站里并联充电。也就是说不能几辆电动汽车共用一台充电器。

六、电池快充(快换)是市场对电动汽车的必然要求

1)电池快充的技术难点:能做到20分钟充满电,电动汽车的市场竞争力将会明显提升。其难点是:

a)要有能接受快充的电池。前磷酸铁锂锂离子电池来说是可能的3CA的充电倍率进行充电,钛酸锂电池可以接受更高的10CA的充电倍率进行充电。

b)20分钟充满电,那至少要用3CA的充电倍率进行充电,电池组导线及接头的容量至少要增加5倍以上,如何解决?

c)充电设备所需的功率很大。以一辆电动大巴为例,它配置600Ah的电池120个。3CA的充电电流为1800A,充电电压510V。充电器的输出功率为918kw,电网提供的功率1150kw,如何解决?

2)电池快换的技术难点:换一次电池的时间大约需要10分钟,大众是满意度,但是其技术难点是:

a)用快速更换法时,要求电池组的容量减半。这样一来,电池的放电倍率增加一倍,会使电池的寿命减少。

b)用快速更换法时,对电池组的标准化设计和电池的一致性、充电控制要求更高,增加电动车的运行成本。

c)如果仍然保持电池合理的配置,那么也要增加一倍的电池储备,自然会增加电动车的运行成本。

七、观点及建议

1)电动汽车与燃油汽车相比,在一次性里程和能量加注的便捷性上,是没有办法比的。

2)对电动汽车的用途进行具体分析,进行综合考量,进行组合法,提高充(换)电的便捷性。基本原则是电动汽车是充电不是换电,规充电为主、快速补充充电为辅的充电方式为好。常规充电的时间约4小时。我们主张快速补充充电的充电倍率1CA左右,充电1小时,就可充电80%以上。

3)对于电动公交车而言,充电站就设在公交车总站内。在晚间下班后利用低谷电充电,可利用时间5~6小时。白天运行的车辆,续驶里程不够时,可利用中间休息待班时间进行补充充电。10米以上公交车以架空接触网充电位最佳,以枪充为辅。

4)其他车辆以枪充为主,配交流充电机和直流充电,两个模式应该是标配。

5)快速补充充电的充电倍率1CA,充电80%以上,最快不能超过3C,要有耐心等20分钟以上。

6)随车带15Kw以下便携的充电器,走到哪里充到哪里。


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