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发电设备修复

充电桩无法普建在大城市的理由

发布时间:2021-04-07 13:43:31    来源:费敬银原创

充电桩无法普建在大城市的理由

费敬银

西北工业大学 710072

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Mobile: 13991120876

 

摘要

本文分别从电网供给能力、充电安全性保障角度出发,讨论在大城市建设充电桩的可行性。如果不彻底更换现有的城市供电体系,现有的供电能力无法满足“新能源”汽车的充电需求。如果储能电池的内阻没有明显地降低,充电的安全性值得担忧。

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一、纯电动(充电)车辆的主要构成部分

纯电动车辆一般由三部分构成:1、电池;2、电(动)机;3、电控。电池是电动车的动力源;电机是将电能转化为机械能的驱动装置;电控是车辆行驶(放电)、电池充电过程中的人-机交互系统。

 

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二、电动车的续航里程与电池的容量

不同厂家生产、型号不同的纯电动车,其车载电池的容量相差很大。对于单人电动摩托而言,其电池容量约为1KW•h(1度电)。而对于享受国家新能源补贴的纯电动汽车而言(老年代步车例外),其电池的容量一般在50KW•h以上(如,特斯拉Moddel S型车载电池的容量为60 KW•h)。续航里程越长,电池容量越大(特斯拉Moddel3 型车载电池的容量为80 KW•h)。

有人根据耗能总量相同的原则,对电池容量与续航里程之间的大致关系进行过核算,结果表明,50升汽油(37公斤)的续航里程与900公斤高能锂电池(特斯拉使用18650型号电池的能量密度为150W•h∕kg)的续航里程相当。

如果考虑到电动车行驶过程中,由于电池内阻发热浪费掉约1/3以上的能量,电池充电时充电装置散热和电池内阻发热造成的电能损失,电能的利用率不到总输入能量的一半。

因此,在充电电池的能量密度没有大幅度提高之前,电池的重量是电动汽车的自重的主要构成部分,约占车重的1/3(如果是SUV车型,电池重量接近一半)。因此,可将充电汽车看作是带着电池四处“兜风”的带壳四轮“自行车”。

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三、充电电池的主要品种及用途

可充电电池是一种将化学能和电能进行相互转化的装置。汽车领域普遍使用的可充电电池包括三大类:1、铅酸电池;2、镍氢电池;3、锂离子电池。在这三类电池中,铅酸电池的能量密度最低,不适合用作汽车的动力电池,只将其用作燃油汽车的启动电池。锂离子电池的能量密度最高(Panasonic 公司生产的18650型号充电电池能量密度为150W•h∕kg),多用作电动汽车的动力电池。由于金属锂的化学活性很高,破损的锂电池会发生自燃现象,存在安全隐患。镍氢电池的能量密度介于二者之间。虽然其能量密度不及锂离子电池,但安全型较好,多将其用作轻混汽车的动力电池。

 

四、电池放电∕充电过程

当电池对外做功(放电)时,电池将其内部储存的化学能转化为电能,通过电机把电能转化为驱动汽车前进的机械能,从而完成了将化学能转化为机械能的过程。

当对电池进行充电时,通过充电装置(将交流转化为直流的装置),将工业电能转化为电池内部的化学能。

从理论上讲,如果能做到在充、放电过程互为逆过程,即充电时能将已放电的电池恢复到放电前的原始状态,则该充电电池可以无限次地使用下去。

 

五、动力电池的结构与充∕放电管理

(一)单节电池与电池组

单节电池是构成汽车动力电池的基本单元。单节电池的电压一般都比较低,例如,单节铅酸电池的放电电压约为2V,单节锂离子电池的放电电压约为3.7V(电池电压的具体数值与该电池的阴、阳极反应密切相关)。如此之低的输出电压很难满足电机驱动、电控装置的用电要求。因此,为了满足电动汽车的实际用电要求,需要将单节电池进行适当的串、并联组合,通过电控管理系统进行输出电压、电流分配,以满足不同功能块的供电电压、电流需求。

(二)电池组放电管理

电动汽车电控部分(仪表、照明、行车电脑等)的用电电压较低,一般不高于12V,功率也比较小。

多数驱动电动机的工作电压在48V以上(会因电机种类的不同而不同)。由于驱动电机的输出扭矩与流经电机电流的大小成正相关,所以,电动汽车的启动电流非常大。若汽车加速过程控制不当,也会有超大电流流经电池回路。因此,需要智能化的电控部分对电池组进行放电管理。如果放电管理不当(无节制加速超车),电流过大会带来安全事故(如特斯拉电动车自燃现场)。

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(三)电池组充电管理

电池对外输出电能的过程中,电极活性材料因发生电化学反应而减少,电池输出电压下降。当电池下降到设定的临界值时,必须及时对电池充电,恢复电极的活性。

 

六、充电桩类别及其桎梏

由于单节电池内部的可参与电化学反应的活性材料的量是有限的,充电汽车行驶里程是受限的,这就是电动车不适合于跑长途的理由。必须在还有较多余量的情况下寻找充电桩,对其及时充电,以满足续航需求。

根据充电桩的输出特性,可将充电桩分为交流充电桩、直流充电桩两大类。

1、交流充电桩:

严格地讲,交流是不能直接给电池充电的。必须对其进行整流、稳压处理,变成具有确定电压输出的直流电时,才能给电池充电。可以简单地认为交流充电桩就是一个允许大电流通过的电源插座。交流转变为直流的过程是在车载充电器内完成的。例如:

对于容量为60 KW•h(60度电)的动力电池,若想在1小时内充满电池,流经交流充电桩电缆的电流约为273安(接近300安),铜电缆的安全截面积为150mm2,是家用电热水器电线截面积的40倍。显然,家用供电系统无法满足快速充电的要求。

如果是在10小时内完成充电,至少也要使用6mm2的电线。即使高速公路到处都有随时可用的交流充电桩,车主也不一定有耐心给汽车充电10小时。

造电动车的厂家都知道这是充电汽车的致命问题。解决问题的办法居然是再造一个汽车怪胎:插电式混合动力汽车。

2、直流充电桩:

直流充电桩是将交流电变压、整流,输出具有稳压特性的直流电,可直接给动力电池充电的供电装置。对于大容量的动力电池,在直流充电过程中,流经回路的电流也非常大。例如:

同样是给容量为60 KW•h(60度电)的电池体系进行充电,如果直流充电桩的输出电压是36V(安全电压36V),而且希望在1小时内完成充电,则充电电流高达1700安。显然,建设符合这种超大电流要求的直流充电桩是不现实的。

解决问题的途径有两个,一是延长充电时间;二是提高充电电压。目前,国内外正在研究超高压充电的可行性及经济性。

由于每一家动力电池组的充放电管理模式不同,无法建立起适合多种车型的直流充桩。例如:

我国为了实现“弯道超车”目标,通过政府补贴孕育出了近300家电动汽车生产厂家,每一厂家都有其专有的动力电池管理核心技术,且彼间相互保密。因此,不论政府由多大的决心,也不可能针对不同企业、不同车型,分别建立与之匹配的公共充电桩(车企自建充电桩的可能性基本为零)。

 

七、结论

社会在发展,文明在进步,充电汽车必将迎来一个春天。如果那一天满足了以下条件:

1、可再生能源是电网供电的主要方式(70%以上)。

2、电池寿短、废旧电池污染严重等问题得到妥善地解决。

3、在新建的中、小城市,边远地区的电网建设规划中,预留出每天50度以上的供电容量(电线一定要加粗若干倍)。

4、每个家庭有至少两辆以上的充电汽车可供交替使用(至少有一辆始终保持充电状态)。

5、近距离活动,不跑长途(活动半径100公里)。

 

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