电动汽车和混合动力汽车亟待完善基础设施

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        *电动汽车和混合动力汽车亟待完善基础设施

根据加油站总数量一度超过25万可以看出，20世纪的美国汽车产业是相当繁荣的。电动汽车(EV)以及插电式混合动力汽车(PEV)要想获得成功，需要三种与汽车制造商无关的不同网络：通信、充电以及智能/电网基础设施。

无线基础设施已经做好了与汽车通信的准备。汽车完全可以利用现有移动电话公司广泛分布的手机信号塔。福特(Ford)Focus、日产(Nissan)Leaf和雪弗兰Volt等车型全部都拥有具有嵌入式调制解调器和智能手机应用的远程信息处理解决方案。驾驶员可以与他们的汽车连接起来，读取充电状态，随时停止和启动充电周期。

“一旦汽车采用了调制解调器，你就可以在您的电脑或者手机上，或者你所在的任何地方执行应用，”Strategy Analytics公司汽车电子部副总监Mark Fitzgerald表示，“只要汽车联网了，你就可以与汽车联通了。”

嵌入式调制解调器和智能手机似乎将成为汽车制造商致力于让车主更多地控制和访问重要的汽车信息的策略的不可或缺的一部分。Fitzgerald表示，“他们的思路是，没有某种形式的远程信息处理技术，就无法成功地启动纯电动汽车。”

仍然需要的基础设施

虽然无线基础设施可能已经准备到位，具备了处理汽车通信的能力，只需要开发出合适的应用就行了，但是缺少的其它基础设施则还有很长的路要走。充电基础设施和各种电池的出现给汽车制造商和用户带来了诸多挑战。根据目前充电基础设施中存在的局限性，Strategy Analytics公司汽车电子服务部总监Ian Riches预见了一些影响电动车成功的重要问题。

“在电动车发展过程中，所有的快速充电基础设施项目算起来都太少了，”他表示，“一个3亿人口的国家应该有大约1000个左右的充电站。”

由于充电站有限，并且分布广泛，驾驶员不得不依靠在家里充电。

“最初准备实施的就是家庭充电方案，”Riches表示，“因为这样操作起来简单，成本低，而且你知道这种方案是在你到家后进行的，非常方便。”不过这肯定会限制汽车的续驶里程。

有了插电式混合动力汽车，情况就不一样了。驾驶员可以计划长途旅游了。“你可以将电池的容量完全用完，然后加汽油。你可以这样选择，”他表示。遗憾的是，这种策略没有充分利用汽车的电气性能。

汽车的充电电池类型也在不断发展之中。锂离子电池采用了各种电池技术。Strategy Analytics公司收集了一个包含过去和目前生产的电动汽车以及未来的电动汽车概念中的201种不同种类的电池的清单。

对于许多汽车来讲，只有“锂离子”这种数据，没有什么更具体的内容了。虽然铅酸蓄电池主要用于以前的老款车型，不过未来面向新兴市场的小型低成本电动汽车也可能采用铅酸技术。

“他们正在开发和测试的全是各种不同类型的化学电池，”Strategy Analytics公司汽车电子服务部分析师Kevin Mak表示。他指出，人们正在研发不同的化学电池，以便增加能量密度，提高电池稳定性，最大限度地减小会增重的冷却系统。

最后一个基础设施是配电系统。“除了通过普通的国内电力公司用家用电源插座为电动汽车供电之外，还没有人跟我说过向电动汽车销售电力的其它可行商业模式，”Riches失望地表示。为了解决这个问题，电力公司需要加快智能电网基础设施的发展。

美国逐渐老化的电网本身就存在许多问题。对功耗为7.7 kW(针对SAE AC 2级220V充电器)的插电式混合动力汽车和电动汽车充电只会让问题变得更加严重。3级快速直流充电器在半小时左右的时间内对放完电的电动汽车进行充电时会汲取高得多的功率。

功率要求使快速充电成了一个比电力公司赢利机会更加令人头痛的难题。“一旦达到3级快速充电的水平，你就会考虑50kW的功率，”他表示，“不过你并不需要这么大的功率，因此又要考虑当地变电站。”

采用家用电源插头充电可能是电动汽车基础设施难题的最关键的缺失部分。“追溯到100年前，那个时候人们建加油站是可以理解的，因为加油站可以赚钱，政府不需要向加油站投入资金，”Riches这样推断，“我们必须在电动汽车上同样做到这一点，使电动汽车的基础设施成为可行的方案。”

缩短汽车的充电时间

一旦解决了如何将重量可接受、尺寸够大的电池置入电动汽车(EV)的问题(即电池可以维持每天的常规行驶里程)之后，充电时间就成了下一个大障碍。不过，对电池进行“充电”比加油要耗时得多。

不过，电动汽车的支持者却不介意时间长的问题。他们考虑的往往是一加仑汽油具有35kW左右的能量。他们称，这转换到电动汽车领域，就相当于每加仑100英里——尽管这一数字不能等量地应用到英里里程，丰田汽车公司希望特斯拉汽车公司(Tesla Motors)正在面向RAV4 SUV设计的电动火车能够达到这一标准，Daimler公司正在面向任何能源驱动的火车规划未来的电动智能车。(特斯拉汽车公司也在为Daimler公司设计电池。)此外，Tesla Roadster车型的续驶里程远远高于日产聆风(Nissan Leaf)(图1)，这些是容量问题。

我们再回到充电问题上。在家里充电的不利因素是，由于典型进户线的电压限制，恢复满充电状态所需要的时间会比较长。家庭配电板(所有的断路器都在这里面)可能可以提供超出家庭正常负荷15kW甚至20kW的功率。如果是这样的话，泵入在加油站只需要几秒钟就能加到油箱的能量可能需要两小时左右。日产Leaf的充电器为3.3kW，Roadster采用Tesla家用连接器充电时可以在70A的电流下接受240V的电压(16.8kW)(请参见www.engineeringtv.com上的“Test Driving The Nissan Leaf”)。

按照每千瓦时七美分的电价，只要加利福尼亚州法律不增加道路使用税，那么按照我就太阳能发电系统制定的每日时段计划，我的非高峰期用电量的电费就是2.45美元。对于按统一平衡电价支付电费的用户来讲，这笔费用会有所上升。

如果按照100英里/加仑的标准来算的话，这就是一笔相当不错(并不激动人心)的交易。它可能会使未来的RAV4与我的丰田普锐斯(Toyota Prius)的每英里成本相差无几，并将北美的智能车型从宝马Isetta的派生车型变成极具吸引力的城市汽车——特别是因为电动汽车不需要忽动忽停的自动/手动变速。我已经租用过一辆电动汽车行驶了超过800英里的路程，因此我说的这些是经验之谈。

但是如果您并不想讨论完全在家里充电的情况(昂贵的适配器耗用从电力线输入的所有能量)，问题就会变得更有意思。如果你可以离开与充电器相连，正在充电的汽车八小时或八小时以上的话，这是一回事。如果你正在长途旅行的过程中，正在使用公共设施充电，而你的后面还有其它的电动汽车在排队等待充电的话，这又是另外一回事。以上这两种情况下(这是电动汽车支持者希望预想的情况)的充电时间是一个不同的问题。

电动汽车电池充电

当传统汽车中的电池在放电时，你可以用五金店最简单的装置对其进行充电。这也是相对安全的操作，因为充电器提供的电压和电流是有限的。在两个终端之间插入一个扳手来使电池短路比使充电器短路更加危险。对于电动汽车来讲，这又是另外一回事了。对于美国的汽车产业，针对电动汽车充电的管制文件是汽车工程师协会(SAE) J1772。欧洲的标准是IEC 61851。

(习惯于将充电站叫做EVSE，这是“电动汽车供电设备”的缩写。公共设施和电动汽车群体不喜欢“充电站”及类似词语的含义，这些词可能会让人们在潜意识上低估传输大量电力能源会引起的危险。)

J1772标准给电动汽车供电设备设定了三个功能：AC/DC整流、稳压(达到“根据电池充电接受特性来进行充电速率的控制”的水平)，以及用户拥有的汽车充电器的物理耦合。该标准还定义了多个充电“级别”。每个充电级别都有其对应的电压和电流级别(表1)。

AC 1级假设充电器在电动汽车内，并且电动汽车与日常生活中所用的NEMA 5-15R 15W的墙上插座相连。AC 2级也假设采用单相交流电源，并且电池充电器也在车内，不过交流电压为额定的240V，汲取的最大电流为32A。

针对AC 3级充电配置的电动汽车和电动汽车供电设备也可以支持AC 2级充电，这样就具有更高的兼容性(图2)。汽车的低电流和高电流充电端口触点通过电线连在一起，从而使车上充电器能够采用小功率或大功率电源供电。由于电动汽车供电设备采用两个独立的接触器，在采用AC 3级对汽车进行充电时可以防止并联电流通路，因此这个方案是可行的。还可以在大功率触点与车上充电器和电池组之间增加一个串行数据接口和接触器，实现汽车的直流充电配置。

不过，直流充电采用外部直流源。充电装置可能在车上，也可能是外部充电装置。对于直流充电来讲，提供的电力可能由类似于AC 1级或2级的电力级别到600V和400A不等，这种充电方式能够在短短10分钟的时间内充满一半以上的电动汽车电池容量。

欧洲和中国采用的这个IEC61851标准源于J1772，该标准具有适用于欧洲交流线路电压的类似要求。大部分不同之处都是表面现象。比如，SAE标准所指的“方法”和“级别”，IEC标准则称为“模式”，其意思实际上都一样。

与J1772 1级一样，IEC61851模式1也是指采用单相250V(最大值)或三相480V电力连接进行的家庭充电，其最大电流为16A，略高于北美的限制。还有进一步的接地要求。

模式2采用的电压与模式1相同，不过允许的最大电流为32A(与北美的2级一样)，是模式1的两倍。重要的是，模式2增加了“控制驾驶功能”的要求。它还要求采用一个完整的接地故障断路器(GFI)，这种装置在欧洲称为电流式漏电断路器(RCD)。模式3支持高达250 A的快速充电，模式4充电采用供电电流高达400A的板外直流充电器。

连接器

当然，由于涉及到可能会传送危害极大的交流电压和电流的连接器，互连布局成为标准的关键因素。标准规定了大量安全要求，但是满足这些要求的任务落在了制造商身上。显然，现阶段将通过改变电缆来解决机械不兼容的问题。引脚功能是标准的。

标准的主要功能之一是规定车主可以安全使用的接口，这里的安全既包含电击保护，也包含充电装置和牵引电池的保护。

至于电动汽车供电设备与汽车之间的实际连接，标准提供了功能和安全要求，不过没有规定单个物理配置。事实上，对于简单缓慢的交流充电而言，标准认为普通的墙上插头(具有安全接地)就已经足够了。对于大电流和直流充电来讲，标准规定了九引脚接口的引脚分布、触点尺寸和安全特性(表2)。

对于大电流通路而言，每个相位和中线回路的连接都非常简单。最有意思的功能是“驾驶控制”功能，该功能可以使“发热”引脚在电动汽车供电设备与汽车连接器插在一起之前不出现高压，并且可以告知汽车电动汽车供电设备在某些情况下可以提供多高的电流。此外还有三个串行数据线路和一个数据接地。

AC 3级充电是指具有车上充电系统的电动汽车可以接受高于48A的电流。J1772电导耦合器允许使用两组载流导体。触点1和触点2用于供电电流为6至48A的交流电充电。触点3和触点4用于由208/240V交流电源驱动、电流高达400A的交流电充电。

驾驶控制

表2中的大多数功能都比较浅显易懂。唯一例外的是引脚6上的驾驶控制电路。该电路在即将发生直流电充电时提供电动汽车与电动汽车供电设备之间的握手功能。J1772提供了说明制造商如何实现所需的驾驶控制功能的附录，从而帮助大家理解其交流电充电方法。它提供了整体方案的一般示意图。工作时，充电站握手功能的工作原理如下：

在连接至汽车之前，电动汽车供电设备产生相对地的静态正12V电压，等待连接至电动汽车。

当连接至电动汽车时，假定S2开关为开，汽车上2.74kΩ的感应电阻将电动汽车供电设备中+12V的线路电压降至+9V。电动汽车供电设备感应到该电压下降之后，开始产生1kHz的方波，从而在+9V与–12V之间切换。汽车中的二极管在–12V时进行电压箝制。这种箝制二极管属于一种安全功能，旨在允许电动汽车供电设备能够区分汽车与一些意外地桥接充电线路的任意电阻。

汽车的电子装置必须了解电池的充电状态。如果汽车需要交流输电，它就会闭合S2开关，该开关一般切换与2.74kΩ电阻并联的1.3kΩ电阻。(有几种例外情况，请参阅以下内容。)

增加一个并联的1.3 kΩ电阻可以将总电阻降低到882Ω，并将方波的正向峰值电压降至+6V。电动汽车供电设备将这解释为交流电源请求，然后关闭接触器。

不过，为了为电池在充电时排出有害气体提供空间，如果电动汽车供电设备位于封闭的区域，则要求电动汽车供电设备打开排气风扇，汽车必须采用一个270Ω的电阻开关，将方波的正向峰值电压降至+3V，然后指示电动汽车供电设备开启风扇。

当汽车检测到电池已处于满电量状态时，它会打开S2开关。正向方波峰值电压升至+9V，电动汽车供电设备打开接触器，切断电源。当恢复至持续的+12V状态时，+9V、–12V方波一直持续到线缆断开连接为止。

根据J1772标准，建立连接以后，电动汽车供电设备通过在100至800μs之间调制脉宽，为电动汽车提供有关最大可用持续电流能力的信息(图3)。这种关系为线性关系：100μs对应于6A，800μs对应于48A。脉宽为900μs意味着电动汽车供电设备有自己的直流充电器，在这种情况下，电动汽车供电设备和电动汽车将在连接器的引脚7至引脚9上进行比较复杂的数据交换。J1772中指定的数据链路基于SAE J1850、SAE J2178和SAE J2293。

充电速率

电动汽车能够以多快的速度充电最终取决于线缆和连接器能够耐受多高的电压和电流。采用三相电网连接供电时，SAE J1772-2009连接器可以提供高达16.8kW (240V，70A)的功率，欧洲的VDE-AR-E 2623-2-2连接器可以提供高达43.5 kW的功率(400V, 63A)(图4a和4b)。

即使如此，J1772交流电充电方式也存在另一个局限性，即在任何内置充电器的电动汽车中将交流电整流为直流电都会引起损耗。超过某个级别(比如240V和75A以上)，电动汽车供电设备提供直流电的方案更加可取，这是因为在电动汽车供电设备中增加昂贵的高能效整流器(这种整流器在24小时的时间段内或多或多地会不断地创造收益)比在每一辆电动汽车中增加一个整流器更加合理。

出于这样的原因，现在非常出名的东京电力公司研发出了一种专利的快速充电技术，该技术采用高达500V的直流电压和高达125A的电流(图4c)。根据东京电力公司的CHAdeMO协议，电动汽车通过电动汽车供电设备来交换电池参数。

如果附带的是24kWh的电池组，日产Leaf采用Nissan将安装在车主车库中的3.3kW充电器充电大约需要八小时。不过，采用可提供62.5kW功率(500V直流电压，125A)的CHAdeMO直流快速充电站时，将聆风汽车充电到80%的容量仅仅需要30分钟左右的时间。