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摘 要：储能问题和充电问题做为制约电动汽车发展的两大关键问题急需得到有效解决。通过对当前电动汽车中常用的三种电池和几种其他的储能装置的各项性能进行研究和对比，展望了电动汽车电池的发展前景；并对当前电动汽车的充电技术和充电设施进行分析，提出国内电动汽车充电系统商业运营存在的问题和不足及相关建议。
关键词：储能系统；电池；充电
中图分类号：U469.72； U463.23 文献标识码：A
基金项目：四川省部级学科平台开放课题项目（SZjj2015-045）；四川省教育厅重点项目（16ZA0166）。
Review on the Research of Energy Storage Unit and Charging Mode for Electric Vehicles
XU Xiaoyue，SONG Chunhua，WEI Xingping，XU Quan，SONG Changlin
（ School of Mechanical Engineering，Xihua University，Chengdu Sichuan 610039 ）
Abstract：Energy storage and charging as two key issues constraining the development of electric vehicles are urgent to be effectively solved. Based on the research and comparison of the performances of three common kind of batteriesand several other energy storage systems for electric vehicles， outlook the prospects for the development of electric vehicle batteries； Analyzed the charging technology and charging infrastructure of electric vehicle； Proposed the issues and recommendations of the commercial operation of charging system in domestic.
Key words：Energy storage unit Batter Charge
1. 前言
目前由于车辆的尾气排放导致环境污染以及由此造成的气候变化问题日益受到关注。电动汽车以更节能、安全、经济、环保的理念受到广泛关注。目前针对于电动汽车的研究热点主要围绕其驱动及控制系统、电池技术、充电技术，充电谐波分析和充电站监控等[1-3]，其中电池技术被视为制约电动汽车市场化发展应用的主要因素。其难点主要在于：蓄电池单位重量储存的能量太少、安全性能无法得到要求、生产成本较高，故价格较贵。
另一方面，混合动力汽车和纯电动汽车需要随时充电储能，这对公共电网又发起了一个全新的挑战。电动汽车的能源消耗从传统内燃机转变为电能充电储能装置，直接影响了公共电网的电力消费[4]。也就是说，电动汽车的发展很大程度上也取决于智能汽车电网技术的发展。
2. 电动汽车的主要储能单元—电池
在实际应用中，电池是电动汽车最常用的一种储能装置，应用最为广泛的是铅酸、镍氢和锂电池，其他储能装置包括超级电容器、飞轮、氢气罐等可作为辅助能源或混合能源使用。但目前还并没有一种电池可以在成本、充电技术、比能量、比功率、使用寿命和安全性等各方面均占优势，下面将主要针对这三种电池的利弊及发展前景逐一分析。
2.1 电动汽车电池的3种主要类型
2.1.1 铅酸电池
铅酸蓄电池以氧化铅为正极板，海绵铅为负极，硫酸水溶液作为电解液。充放电过程依靠极板上活性物质和电解液发生化学反应来实现。是普遍用于各种电子设备的最常见、最便宜的电池，经过长期的发展与技术革新，已实现大批生产且成本较低，仍作为一些如短距离公交车等的动力源。但铅酸电池由于金属铅的密度大导致比能量、比功率和能量体积密度低及电池组单体重量高，导致铅酸电池无法满足长距离的行驶需求。加上其可承受的循环次数较低，且无论是在生产或处理过程都易导致环境问题，都促使更加先进的电动汽车电池技术研发[5]。
2.1.2 镍氢电池
镍氢电池由氢氧化镍的阳极和由钒、锰、镍等金属形成的多成分合金阴极组成，比能量较高并对环境无污染，被广泛的用于商业化的混合动力电动汽车中。镍氢电池比铅酸电池单位体积储存能量提高了3倍，比功率提高了10倍，在比能量、运行电压、过度充放电耐受性和热性能方面也都有显著优势。但由于其在低温时容量减小、高温时充电耐受性的限制以及过放电会造成永久性损伤，使其荷电状态必须被限制在一个较小的范围内，使镍氢电池储存的大部分能量无法被实际使用，制约镍氢电池在电动汽车上的大规模应用。
2.1.3 锂电池
最常见的锂离子电池以碳为阳极，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸锂溶液为电解液，二氧化锰酸锂为阴极。其重量轻、比能量、比功率、能量密度和工作电压都较高，循环寿命长，自放电率低，没有记忆效应和有毒金属。但需要更高的使用成本，在所有锂电池中，金属锂电池价格最为昂贵，且安全性比锂离子电池较差；锂-硫电池具有更高的能量，但循环寿命低；锂离子聚合物可以适应各种包装形状，具有更高的可靠性和耐用性，但導电性差、功率密度低；磷酸铁锂具有较高的放电电流、热稳定性、化学稳定性和更好的安全性。
2.2 三种电池基本性能比较 图1为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）各项基本性能的比较[5]。通过观察发现，目前没有一种电池可以集成各方面性能优势。但仍可看出，在目前市场上的电池中，锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有很大的研发及应用前景。
2.3 电动汽车电池的发展前景
2.3.1 铅酸电池
铅酸电池虽然价格较低，但因比能量和循环次数的限制，无法满足电动汽车长距离行驶需求。然而，一种由超级电容器与铅酸电池并联使用的超级电池将会兼备铅酸电池价格便宜及双电层电容器的高比功率、长寿命的优势，十分具有市场竞争力[6]。
2.3.2 镍氢电池
镍氢电池由于其必需的镍钴资源的稀缺性会导致其大批生产和使用时成本的升高。镍氢电池虽然在近期仍是电动汽车重要的动力来源之一，但是随着锂离子电池的广泛应用，很可能会被替代。
2.3.3 锂电池
目前锂离子电池技术发展的关键问题是在保证安全性和循环次数不受影响的前提下继续扩大电池容量并降低成本[5]。由于我国的锂矿资源丰富，加之锂离子电池具有循环使用的潜力，可解决对原材料的需求问题。锂离子电池的价格会在大规模商业生产之后下降。
3. 其他储能系统
3.1 超级电容器
超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好和绿色环保等特点。目前，应用于混合动力汽车的超级电容器主要有：双电层电容器、伪电容器和混合电容器。其中双电层电容器具有最高的功率密度和最低的能量密度。超级电容器的寿命是所有能量储存系统中最长的，但能量密度过低。
3.2 飞轮储能
飞轮储能是通过转子旋转储存动能的储能装置，主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统，具有很高的电源响应速度和充电效率，运行中可适应温度范围广，对环境危害小，比超级电容器具有更高的能量密度和功率密度。能量从制动到飞轮储能的效率为70%，是能量从制动转化为电能，再到飞轮儲能的效率的两倍。但是在交通运输中存在一定的安全问题。
3.3 氢能源
氢能源汽车使用氢作为车载能量向车辆提供动力。氢单位单位体积中的能量很少，主要通过压缩储氢，低温系统和使用吸氢材料三种方式来解决。出于安全原因，氢气罐都配有密封渠化，同时需保持通风良好，远离火源。如今，储氢技术已趋于成熟，氢燃料的安全问题也都得到有效解决[7]，但仍然缺少一种更为有效的氢气产生方法。如果按照当前电解水的方法来获得氢气，到最终成功通过氢气驱动一台汽车，这当中各个环节的能耗总计高达80%，从节能降耗的角度来看，氢能汽车并不达标，加之氢气本身就已十分昂贵，使其成本过高。
4. 电动汽车充电技术
4.1 充电方式
电动汽车的充电模式根据其使用特性存在一定的差别。电动汽车常用的充电方式主要有常规充电、快速充电和更换电池组3种[8]。而根据电动汽车的不同充电方式，电动汽车的充电设施主要分为充电桩、充电机和换电站3种类型 [9]。
4.2对国内电动汽车充电设施商业运营的相关建议
首先，随着电动汽车的广泛应用，不同类型的电动汽车都需要有不同规格的电池与之匹配供应能量，目前急需一套统一的标准对电池的规格和充电电池接口进行规范，以解决电池的充电和互换中的许多问题。
其次，电动汽车充电设施商业运营的推进很大程度上取决于电动汽车的推广程度和市场对电动汽车的认知水平。目前各级政府虽陆续颁布了一系列扶持政策支持电动汽车的发展。但在电动汽车充电站的建设和运营等方面支持力度不足，没有形成商业模式，缺乏配套扶持政策，投资回报存在不确定性[10]。
5. 结论
当前电动汽车行业已经进入高速发展时期，其涉及到汽车工业、能源行业、交通物流、公共出行、市政建设和社会生活等各个方面。其中，储能装置成为制约电动汽车发展的主要因素，急需能够使已有产品降低成本、增强储能能力、提高功率提供等的相关研究，或开发更好的新型电池或其他储能装置来满足电动汽车对于储能装置的各方面性能要求，以提高电动汽车的性能及续航能力。另一方面，电动汽车充电技术也是电动汽车产业链中最重要的环节之一，是智能电网涉及的主要业务领域之一，其商业运营效果也直接影响电动汽车的推广。目前主流的几种充电模式虽各自占据着一定的市场，但在商业层面和技术层面都还存在着许多未解决的问题。电动汽车市场如果要进一步推广扩大，这些问题都需要被妥善解决。
参考文献
[1] Seyed M， Rezvanizaniani，Liu Z， et al. Vehicle （EV） safety and mobility. [J]. Journal of Power Sources， 2014， 256：110-124.
[2] 任桂周，常思勤.一种电动汽车能量高效回馈制动方法[J].电网技术，2011，35（1）：164-169.
[3] 李娜，黄梅.不同类型电动汽车充电机接入后电力系统的谐波分析[J].电网技术，2011，35（1）：170-174.
[4] 严辉，李庚银，赵磊，等.电动汽车充电站监控系统的设计与实现[J].电网技术，2009，33（12）：15-19.
[5] 宋永华， 阳岳希， 胡泽春. 电动汽车电池的现状及发展趋势[J]. 电网技术， 2011， 35（4）：1-7.
[6] 崔俊博，张勇，王晶星.电动汽车用动力电池的研究[J].新技术新工艺，2010（9）：81-84.
[7] Bromaghim G，et al. Wagner， Hydrogen and fuel cells [R].The U.S. market report，2010
[8] 鲁莽，周小兵，张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[ J ].华中电力，2010，23（5）：16-20，30.
[9] 吴志力. 电动汽车充电技术应用现状与发展趋势[J]. 浙江电力， 2012， 8：6-9，78.
[10] 刘潇潇， 廉国海. 电动汽车充电设施商业化运营模式研究[J]. 湖南电力， 2011，31（1）：59-62.
关键词：储能系统；电池；充电
中图分类号：U469.72； U463.23 文献标识码：A
基金项目：四川省部级学科平台开放课题项目（SZjj2015-045）；四川省教育厅重点项目（16ZA0166）。
Review on the Research of Energy Storage Unit and Charging Mode for Electric Vehicles
XU Xiaoyue，SONG Chunhua，WEI Xingping，XU Quan，SONG Changlin
（ School of Mechanical Engineering，Xihua University，Chengdu Sichuan 610039 ）
Abstract：Energy storage and charging as two key issues constraining the development of electric vehicles are urgent to be effectively solved. Based on the research and comparison of the performances of three common kind of batteriesand several other energy storage systems for electric vehicles， outlook the prospects for the development of electric vehicle batteries； Analyzed the charging technology and charging infrastructure of electric vehicle； Proposed the issues and recommendations of the commercial operation of charging system in domestic.
Key words：Energy storage unit Batter Charge
1. 前言
目前由于车辆的尾气排放导致环境污染以及由此造成的气候变化问题日益受到关注。电动汽车以更节能、安全、经济、环保的理念受到广泛关注。目前针对于电动汽车的研究热点主要围绕其驱动及控制系统、电池技术、充电技术，充电谐波分析和充电站监控等[1-3]，其中电池技术被视为制约电动汽车市场化发展应用的主要因素。其难点主要在于：蓄电池单位重量储存的能量太少、安全性能无法得到要求、生产成本较高，故价格较贵。
另一方面，混合动力汽车和纯电动汽车需要随时充电储能，这对公共电网又发起了一个全新的挑战。电动汽车的能源消耗从传统内燃机转变为电能充电储能装置，直接影响了公共电网的电力消费[4]。也就是说，电动汽车的发展很大程度上也取决于智能汽车电网技术的发展。
2. 电动汽车的主要储能单元—电池
在实际应用中，电池是电动汽车最常用的一种储能装置，应用最为广泛的是铅酸、镍氢和锂电池，其他储能装置包括超级电容器、飞轮、氢气罐等可作为辅助能源或混合能源使用。但目前还并没有一种电池可以在成本、充电技术、比能量、比功率、使用寿命和安全性等各方面均占优势，下面将主要针对这三种电池的利弊及发展前景逐一分析。
2.1 电动汽车电池的3种主要类型
2.1.1 铅酸电池
铅酸蓄电池以氧化铅为正极板，海绵铅为负极，硫酸水溶液作为电解液。充放电过程依靠极板上活性物质和电解液发生化学反应来实现。是普遍用于各种电子设备的最常见、最便宜的电池，经过长期的发展与技术革新，已实现大批生产且成本较低，仍作为一些如短距离公交车等的动力源。但铅酸电池由于金属铅的密度大导致比能量、比功率和能量体积密度低及电池组单体重量高，导致铅酸电池无法满足长距离的行驶需求。加上其可承受的循环次数较低，且无论是在生产或处理过程都易导致环境问题，都促使更加先进的电动汽车电池技术研发[5]。
2.1.2 镍氢电池
镍氢电池由氢氧化镍的阳极和由钒、锰、镍等金属形成的多成分合金阴极组成，比能量较高并对环境无污染，被广泛的用于商业化的混合动力电动汽车中。镍氢电池比铅酸电池单位体积储存能量提高了3倍，比功率提高了10倍，在比能量、运行电压、过度充放电耐受性和热性能方面也都有显著优势。但由于其在低温时容量减小、高温时充电耐受性的限制以及过放电会造成永久性损伤，使其荷电状态必须被限制在一个较小的范围内，使镍氢电池储存的大部分能量无法被实际使用，制约镍氢电池在电动汽车上的大规模应用。
2.1.3 锂电池
最常见的锂离子电池以碳为阳极，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸锂溶液为电解液，二氧化锰酸锂为阴极。其重量轻、比能量、比功率、能量密度和工作电压都较高，循环寿命长，自放电率低，没有记忆效应和有毒金属。但需要更高的使用成本，在所有锂电池中，金属锂电池价格最为昂贵，且安全性比锂离子电池较差；锂-硫电池具有更高的能量，但循环寿命低；锂离子聚合物可以适应各种包装形状，具有更高的可靠性和耐用性，但導电性差、功率密度低；磷酸铁锂具有较高的放电电流、热稳定性、化学稳定性和更好的安全性。
2.2 三种电池基本性能比较 图1为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）各项基本性能的比较[5]。通过观察发现，目前没有一种电池可以集成各方面性能优势。但仍可看出，在目前市场上的电池中，锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有很大的研发及应用前景。
2.3 电动汽车电池的发展前景
2.3.1 铅酸电池
铅酸电池虽然价格较低，但因比能量和循环次数的限制，无法满足电动汽车长距离行驶需求。然而，一种由超级电容器与铅酸电池并联使用的超级电池将会兼备铅酸电池价格便宜及双电层电容器的高比功率、长寿命的优势，十分具有市场竞争力[6]。
2.3.2 镍氢电池
镍氢电池由于其必需的镍钴资源的稀缺性会导致其大批生产和使用时成本的升高。镍氢电池虽然在近期仍是电动汽车重要的动力来源之一，但是随着锂离子电池的广泛应用，很可能会被替代。
2.3.3 锂电池
目前锂离子电池技术发展的关键问题是在保证安全性和循环次数不受影响的前提下继续扩大电池容量并降低成本[5]。由于我国的锂矿资源丰富，加之锂离子电池具有循环使用的潜力，可解决对原材料的需求问题。锂离子电池的价格会在大规模商业生产之后下降。
3. 其他储能系统
3.1 超级电容器
超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好和绿色环保等特点。目前，应用于混合动力汽车的超级电容器主要有：双电层电容器、伪电容器和混合电容器。其中双电层电容器具有最高的功率密度和最低的能量密度。超级电容器的寿命是所有能量储存系统中最长的，但能量密度过低。
3.2 飞轮储能
飞轮储能是通过转子旋转储存动能的储能装置，主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统，具有很高的电源响应速度和充电效率，运行中可适应温度范围广，对环境危害小，比超级电容器具有更高的能量密度和功率密度。能量从制动到飞轮储能的效率为70%，是能量从制动转化为电能，再到飞轮儲能的效率的两倍。但是在交通运输中存在一定的安全问题。
3.3 氢能源
氢能源汽车使用氢作为车载能量向车辆提供动力。氢单位单位体积中的能量很少，主要通过压缩储氢，低温系统和使用吸氢材料三种方式来解决。出于安全原因，氢气罐都配有密封渠化，同时需保持通风良好，远离火源。如今，储氢技术已趋于成熟，氢燃料的安全问题也都得到有效解决[7]，但仍然缺少一种更为有效的氢气产生方法。如果按照当前电解水的方法来获得氢气，到最终成功通过氢气驱动一台汽车，这当中各个环节的能耗总计高达80%，从节能降耗的角度来看，氢能汽车并不达标，加之氢气本身就已十分昂贵，使其成本过高。
4. 电动汽车充电技术
4.1 充电方式
电动汽车的充电模式根据其使用特性存在一定的差别。电动汽车常用的充电方式主要有常规充电、快速充电和更换电池组3种[8]。而根据电动汽车的不同充电方式，电动汽车的充电设施主要分为充电桩、充电机和换电站3种类型 [9]。
4.2对国内电动汽车充电设施商业运营的相关建议
首先，随着电动汽车的广泛应用，不同类型的电动汽车都需要有不同规格的电池与之匹配供应能量，目前急需一套统一的标准对电池的规格和充电电池接口进行规范，以解决电池的充电和互换中的许多问题。
其次，电动汽车充电设施商业运营的推进很大程度上取决于电动汽车的推广程度和市场对电动汽车的认知水平。目前各级政府虽陆续颁布了一系列扶持政策支持电动汽车的发展。但在电动汽车充电站的建设和运营等方面支持力度不足，没有形成商业模式，缺乏配套扶持政策，投资回报存在不确定性[10]。
5. 结论
当前电动汽车行业已经进入高速发展时期，其涉及到汽车工业、能源行业、交通物流、公共出行、市政建设和社会生活等各个方面。其中，储能装置成为制约电动汽车发展的主要因素，急需能够使已有产品降低成本、增强储能能力、提高功率提供等的相关研究，或开发更好的新型电池或其他储能装置来满足电动汽车对于储能装置的各方面性能要求，以提高电动汽车的性能及续航能力。另一方面，电动汽车充电技术也是电动汽车产业链中最重要的环节之一，是智能电网涉及的主要业务领域之一，其商业运营效果也直接影响电动汽车的推广。目前主流的几种充电模式虽各自占据着一定的市场，但在商业层面和技术层面都还存在着许多未解决的问题。电动汽车市场如果要进一步推广扩大，这些问题都需要被妥善解决。
参考文献
[1] Seyed M， Rezvanizaniani，Liu Z， et al. Vehicle （EV） safety and mobility. [J]. Journal of Power Sources， 2014， 256：110-124.
[2] 任桂周，常思勤.一种电动汽车能量高效回馈制动方法[J].电网技术，2011，35（1）：164-169.
[3] 李娜，黄梅.不同类型电动汽车充电机接入后电力系统的谐波分析[J].电网技术，2011，35（1）：170-174.
[4] 严辉，李庚银，赵磊，等.电动汽车充电站监控系统的设计与实现[J].电网技术，2009，33（12）：15-19.
[5] 宋永华， 阳岳希， 胡泽春. 电动汽车电池的现状及发展趋势[J]. 电网技术， 2011， 35（4）：1-7.
[6] 崔俊博，张勇，王晶星.电动汽车用动力电池的研究[J].新技术新工艺，2010（9）：81-84.
[7] Bromaghim G，et al. Wagner， Hydrogen and fuel cells [R].The U.S. market report，2010
[8] 鲁莽，周小兵，张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[ J ].华中电力，2010，23（5）：16-20，30.
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[10] 刘潇潇， 廉国海. 电动汽车充电设施商业化运营模式研究[J]. 湖南电力， 2011，31（1）：59-62.