电力系统导论电动汽车

一、电动汽车的分类1、纯电动汽车(BatteryElectricVehicle,简称BEV)，它是完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车。虽然它已有134年的悠久历史，但一直仅限于某些特定范围内应用，市场较小。主要原因是由于各种类别的蓄电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。典型的纯电动汽车结构如图1一1所示,充电系统根据充电方式的不同安装在汽车上或者独立。动力电池组输出电能驱动电机,推动车辆行驶,电池的电能通过充电系统进行补充。2、混合动力电动汽车混合动力电动汽车是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动的汽车。车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组。这两种动力源在汽车不同的行驶状态下分别工作，或者一起工作，通过这种组合达到最少的燃油消耗和尾气排放，从而实现省油和环保的目的。混合动力电动汽车有两种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联（或称混联）式。串联式混合动力系统利用发动机动力发电，从而带动电动机驱动车轮。并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机做为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。混联式混合动力系统是发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动客车，它将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。混合动力驱动汽车的优点：1）采用小排量的发动机，降低了燃油消耗；2）可以使发动机经常工作在高效低排放区，提高了能量转换效率，降低了排放；3）将制动、下坡时的能量回收到蓄电池中再次利用，降低了燃油消耗；4）在繁华市区，可关停内燃机，由电机单独驱动，实现“零”排放；5）电机和内燃机联合驱动提高了车辆动力性，增强了驾驶乐趣；6）利用现有的加油设施，具有与传统燃油汽车相同的续驶里程。缺点：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。以丰田的混合动力汽车PRIUS为例，该车由燃油发动机和电池两种动力，在汽车启动和低于24公里时速行驶时，燃油发动机并不工作，而是由轿车自带的电池提供动力，只有在汽车行驶速度超过24公里/小时的时候，燃油发动机才开始工作；在汽车突然加速的时候，电池就会帮助燃油发动机一起加速；在汽车高速行驶时，电池会为汽车的空调，音响，前大灯和尾灯等汽车辅助设施提供能量，从而减少燃油发动机的负荷；而在汽车减速和刹车的时候，汽车本身为电池进行充电，实现能量的循环使用，并最大限度地保存和节约能源。3、燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车是利用氢气等燃料和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。化学能转化为电能必须具备的条件：（1）又活泼性不同的两种电极（2）两电极都浸入电解质溶液（3）正负极、电解质溶液构成闭合回路（4）可以自发进行氧化还原反应制约因素：氢气的制备和运输（制备成本、运输的安全性）；燃料电池价格昂贵（质子交换膜成本高120-180美元/平米、电催化剂要用铂金5克/平米）；基础设施缺乏（几乎没有加氢站）。2.2我国电动汽车发展趋势混合动力电动车是我国目前可以小批量生产、替代燃油汽车、减少废气排放的较现实的电动车。混合动力电动车的发展也依赖于动力电池的发展，在未来10年，混合式电动车在其特定市场范围内的商业化生产将持续增长。从长远发展趋势来看，我国混合动力电动车将有长远的市场前景。但是，在目前的高油价时期虽然具有更好的燃油经济性，并且能满足高排放标准的要求，但是由于其只是对现有汽车技术的相对改进，所以只能作为一种过渡路线。而纯电动汽车和氢燃料电池汽车在使用过程中能够实现零排放，并完全摆脱了对石油资源的依赖，将成为我国电动汽车发展的最终目标。十五期间,科技部设立电动汽车重大专项支持电动汽车的研究。作为国内汽车科技项目的一个探索,专项提出“三纵三横”研究开发布局(如图1一2所示)。以纯电动汽车、混合电动汽车、燃料电池电动汽车三种整车研究为核心,开展相关研究工作。2.3电动汽车有很好的社会效益和环境效益,集中表现在以下几个方面:(l)污染小(2)改善能源消耗结构。使用电动车辆对减少石油资源消耗具有举足轻重的影响(3)改善电网负荷。利用夜间对电动汽车充电,现有电网容量己经能适应若干年电动汽车发展的电能需求,不但有利于电动汽车的能量补充,也有利于电网的峰谷平衡,有效地降低电网高峰负荷,相应降低峰谷差,提高电网负荷率,提高发输配电设备利用率,(4)节约能源。据测算,将原油提炼成汽、柴油并用于燃油汽车驱动时,平均能量利用率仅为14%左右。电动汽车即使使用燃烧重油发电的电厂输出的电,其能量经重油提炼、电厂热电转换、电力输配、电池充电、电机损耗等环节,在电机输出轴也可得到20%左右的能量。其他发电方式应用于电动汽车能量利用率将更高。2.4纯电动汽车发展瓶颈及趋势目前纯电动汽车在技术、运行经济、基础设施配套、政府政策支持等方面还存在着产业化发展的瓶颈,在轿车领域的发展还没有达到预期目的,大部分产品集中于短途低速、城区公共交通及旅游区交通等特定用途,包括高尔夫球场场地车、公园游览车、工厂内的牵引车等。(l)技术争议当前的纯电动汽车技术还存在不少问题,如蓄电池的使用寿命不长而更换成本高;国产零部件尚未完全过关,关键元器件均需进口;低温条件下电池超快充电技术未根本解决等。虽然目前某些关键技术有所突破,但关键技术的突破并不意味着市场化的可能性,汽车是一个完整的、复杂的大系统,纯电动汽车更是由计算机控制,对电动机、变速器等零部件的要求很高。只有关键技术和传统技术、关键部件和传统配件的全面发展,才能开发出先进的、可以市场化的纯电动汽车。(2)运行经济性纯电动汽车不受油价飞涨的影响。但纯电动汽车需要改变整个动力体系,要花一部分额外的成本来装电机、电池,而电机控制系统的成本较高,带动整车销售价格的提高。在这种情况下,与同时也在不断进步的内燃机节能技术相比,如果没有政府的政策鼓励性经济补贴,用户选择购买价格昂贵的纯电动汽车并不见得划算。这也成为纯电动汽车产业化的瓶颈之一。当然,随着电池价格下降和纯电动汽车产量增大,购买价格会逐渐降低。若将装配高性能电池的电动汽车成本降低到目前微型车的水平,则可以大大提高纯电动汽车的运行经济性。(3)基础设施装备纯电动汽车商业化的基础设施包括充电站网络、车辆维修服务网络、多种形式的电池营销、服务网络等。建立一定数量的公用充电站、配备专用电缆及插座等是延长行驶里程、实现纯电动汽车产业化的关键。这里存在一个电力供应问题。目前己有汽车企业与电网公司探讨由电网公司制作标准化电池,利用波谷电将电蓄到电池,再将电池租给电动汽车用户、公交公司的方式。国网公司除了进行纯电动汽车电池技术研发、电动汽车改装和示范应用之外,还要投资建设充电站,对统一规范充电站的建设,实现充电机生产和充电接口的标准化,建成公司内部充电网络,完成社会用公交车、出租车以及其他社会用车配套的供、充电系统建设。(4)政府政策支持正因为纯电动汽车在技术上、运行经济上、基础设施上还存在着产业化发展的瓶颈,所以需要政府相关政策支持,营造市场启动阶段的政策环境,推动电动汽车的商业化过程。三、电动汽车充电对电网的影响在政府对电动汽车产业的大力推动下，我国电动汽车产业将步入快速发展期，这也极大地推动了电动汽车充电站和充电桩的建设，大量电动汽车的随机充放电行为将为城市电网的安全稳定运行带来新的挑战。电动汽车的充电方式以及充电特性的不同会使电动汽车对电网的影响（对电网负荷平衡、电源容量、电能质量、环境等方面的影响）发生变化。探讨了电动汽车V2G模式在车网通信、削峰填谷、频率调节、新能源协调运行等领域的应用前景，并展望了含大规模电动汽车的城市电网动态运行机制、电动汽车与电网的协调优化经济运行、V2G多场景发展等相关领域的下一步研究工作。3.1电动汽车充电设备类型及特性电动汽车充电设备主要包括充电站及其附属设施，如充电机、充电站监护系统、配电室以及安全防护设施等。电动汽车充电机按安装方式不同可分为车载式和非车载式两种，分别采用相应的充电方式完成对车载蓄电池充电的功能。车载充电机安装在电动汽车内部；非车载充电机安装在电动汽车外，与交流电网连接，并为电动汽车动力电池提供直流电能。现阶段电动汽车充电机根据各变换环节采用的方式不同，主要包括三种方式：（1）不控整流+斩波器；（2）不控整流+DC/DC变换器（有高频变压器）；（3）PWM整流+DC／DC变换器（有高频变压器）。不控整流+斩波器这种型式的充电机属于早期产品，直流侧电压纹波小、动态性能好、工作隔离，但体积大、谐波电流严重、变换效率低，不适用于公共电网，可以预计未来应用范围有限；不控整流+DC/DC变换器直流侧电压纹波小、动态性能好、高频隔离、体积小、电网侧电流谐波大，变换效率低，将在近期或相当长一段时间内占有市场；PWM整流+DC/DC变换器型充电机由于采用先进电力电子元件及控制策略，可将谐波电流限制在很低的水平，不需加装滤波装置，功率因数高，变换效率高，对公共电网电能质量几乎不构成威胁，但考虑到制造成本、容量限制等多方面的原因，目前此类充电机的广泛应用将受到一定的限制。3.2电动汽车充电特性（1）电动汽车充电特性通常包含充电电流、电压降落及充电时间等几个方面。电动汽车电池有常规充电、快速充电和机械充电三种充电模式。常规充电利用电力低谷时段进行充电（充电主要在夜间，这既能改善电力负荷曲线，提高电网的经济效益，又能实现环保的目的），为交流充电，一般包括恒流充电、恒压充电和阶段充电三种充电方法，常规充电效率较高，但充电时间过长。快速充电需利用专门配置的充电机对电动车电池进行充电，其充电时间短，可以大容量充电，满足电动汽车的紧急充电需求，但充电电流较大，充电效率较低，充电时会对配电网产生一定的冲击，同时大电流充电对电池寿命有影响。机械充电直接更换电动汽车的电池组，对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，解决了充电时间、蓄存电荷量、续驶里程长等难题，降低了充电成本。总结：充电系统应向着充电快速化、通用化、智能化、集成化的方向发展。（2）电动汽车不同类型蓄电池的充电特性有一定的差别。蓄电池通常包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等。铅酸蓄电池理论上应按照指数型的固有充电特性充电，但在技术上有一定的困难和不便，在实际充电时一般进行常规充电，充电电流远远小于固有特性的数值，电池不会产生气泡和温升，但是充电时间较长。镍氢电池充电时，在充电起始阶段电池端电压迅速上升，而在电池接近充满电时又稍微有些下降，在充电基本接近尾声时，电池温度急剧上升。镍氢电池充电内阻较小，具有较高的充电效率。锂电池充电时，在充电初始时刻电池端电压有比较大的上升率，而随着充电过程的不断进行，电池端电压逐渐趋于平稳。锂离子电池在智能模式充电方式下充电效率较高，电流接受能力良好，充电电流在开始时迅速达到比较大的值，而后几乎线性下降，直至到达满充状态。总结：未来在构建电动汽车的精确模型时有必要对电动汽车的充电特性进行研究和改进，充分考虑电动汽车规模起始荷电状态、充电功率、充电时间、动力电池容量等多种因素，建立更准确反映真实应用场景的模型。3.3电动汽车放电特性电动汽车并入电网不仅可以充电还可以放电，在满足行驶需求的前提下将多余电能回馈给电网。不同类型的电池具有不同的放电特性。铅酸蓄电池在使用时，无论是大电流的放电或小电流的放电都会对铅酸蓄电池造成损害；大电流放电易造成正活性物质脱落，而当蓄电池进行小电流放电时，容易使得蓄电池的放电终止电压过高，从而造成过电，因此应控制蓄电池的放电电流在适