电动汽车充电方式的创新设计

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其他污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放、清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力等，可以解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。

然而在电动汽车普及过程中，生产热、终端消费冷的局面一直困扰着行业发展。消费者对电动车的疑虑主要在电池上，“充电时间长，充电站有限，续航能力、长途出行没保障”等困扰一直饱受诟病。因此改变现有充电难的问题是突破电动车产业发展瓶颈的关键。

本案例采用形态分析法设计电动汽车新的充电方案。根据形态分析法的操作步骤，首先确定零坐标（原点），确定所研究的信息和联系的上下维序的时间点和空间点，即坐标零点，即电动汽车充电问题。其次从坐标零点引出与电动车充电问题相关的四条标线，在本案例中，选择了充电方式、电传输介质、电池类型、充电状态四种直接与电动汽车充电性能密切相关的重要因素。同时在每条标线上标出信息点，其中：充电方式分为充电桩冲电、充电站充电、更换电池、无线充电四种类型；电池类型分为蓄电池（即铅酸电池、锂电池等）和太阳能电池两种；电传输介质包括导线传输、空气传输两种；汽车在充电时的状态分为停驶状态和行驶间状态两种。如图17.11所示。

信息表和信息点标注完成后，需要开始构建信息反应场，开始信息点之间的交合，以下列出几种交合的方案：

（1）充电方式中充电桩和充电站与电传输介质中的导线交合，即是目前电动汽车中最常见的充电模式，即电动汽车借助停车位上的充电桩或进入路边的充电站为汽车充电，但目前遇到的问题是充电时间过长（慢速充电一般为8～10小时，快速充电也需要近半小时，但会降低电池使用寿命），此外充电桩的安装以及充电站的数量也直接影响到电动汽车的充电。图17.12为电动汽车充电桩。

图17.11　电动汽车充电方案设计的信息交合

图17.12　电动汽车充电桩

图17.13　电动汽车无线充电

（2）无线充电与充电状态中的停驶充电相交合，是目前一种新的充电方式。无线充电技术源于无线电力输送技术，又称作感应充电、非接触式感应充电。该项技术现阶段正在智能手机充电领域普及开来，但离大规模应用还有一段距离。不过，丰田公司已经提出了电动汽车无线充电概念，为无线充电应用性扩展再次提供了新渠道。该无线充电系统的原理是设置在地面上的线圈利用磁共振向设置于车辆上的线圈输送电流。在这一系统下，纯电动车或插电式混动车充电时不再需要电线，只要在设置线圈的地面上驻车便能实现充电。图17.13为电动汽车无线充电。

2014年2月13日，丰田公司正式向媒体展示了其无线充电技术的可行性试验。此次试验使用设于停车场地面的装置为插电式混动车“普锐斯”进行充电，该系统采用了无线能量传输技术，确保在停车场范围内，即使装置与混动车普锐斯位置出现偏差也可进行充电。据悉，丰田普锐斯混动版车型利用此充电技术需用90分钟将电池全部充满，一次充电行程为26km，目前该技术还正在测试中，或许在未来将增加其里程数。

【无线充电技术工作原理】无线充电技术是近几年才开始发展起来的一个新兴行业，目前主要包括：电磁感应式、磁场共振式、无线电波式。

1.电磁感应式充电原理：初级线圈产生一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈钟产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。

2.磁场共振式充电原理：由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振时，它们就可以交换彼此的能量。

3.无线电波式充电原理：类似于早期使用的矿石收音机，主要有微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载做出调整的同时保持稳定的直流电压。

（3）无线充电与充电状态中的行驶充电相结合，也产生了一种最理想的充电方式，试想如果能有一种公路，让电动汽车在上面一边行驶一边自动充电，到达目的地后车上电池里的电比出发时还要多，该有多惬意！其原理是当汽车在行进过程中，通过在汽车中安装的接收装置，来接收传输电能的电磁波，从而实现给汽车电池无线充电。

电磁波的来源有两种：一种来自空中，通过安装在电线杆上或高层建筑上的发射装置发射出来，从而实现边行驶边充电的功能，电费将从安装在汽车中的预付卡中扣除。另一种来自于地下，其工作原理是将一系列接通电流的线圈埋入路面下，在汽车底部装上感应线圈，当汽车通过该路面时就会共振，产生磁场将电力持续不断地传输给电池，同样可以实现行驶中充电。不难想象，如果无线充电技术在应用方面取得突破的话，那么电动汽车充电难的问题将得到有效缓解。

【无线充电技术工作原理】2012年，美国斯坦福大学一个研究小组设计开发出一种高效的汽车充电系统，其长期目标是开发出一种全电动高速公路，只要在路面下每隔几英尺^[1]埋一段金属线圈，就能利用磁场以无线方式传输大量电力。这一技术原理虽然简单，却有着巨大的潜力，能大大延长电动汽车的驾驶里程，最终给高速交通带来变革。

（4）太阳能电池与充电状态中的行驶充电相结合，同样可以实现电动汽车在行驶过程中充电的功能，其原理类似于无线充电方式，且更加环保。目前国外的一些太阳能电池汽车正处于研制阶段，在一些关键环节上还有待突破。

【太阳能汽车的历史】

1978年，世界上第一辆太阳能汽车在英国研制成功，时速达到13km。

1982年，墨西哥研制出三轮太阳能车，速度达到每小时40km。由于这辆汽车每天所获得的电能只能行40分钟，所以它还不能跑远路。

1999年5月，巴西圣保罗大学的科研人员设计出一款新型太阳能汽车，最高时速超过100km。

2003年澳大利亚太阳能汽车比赛上，由荷兰制造的“NunaⅡ”太阳能汽车取得了冠军，它以30小时54分钟的时间跑完了3 010公里的路程，创造了太阳能汽车最高时速170公里的新世界纪录。