電動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

吳志力

（國(guó)家電網(wǎng)公司北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100052）

隨著全球能源危機(jī)不斷加深、全球變暖及大氣污染危害的加劇，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)已成為節(jié)能減排的重要途徑之一。國(guó)家電網(wǎng)公司正在持續(xù)推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)，作為智能電網(wǎng)重要組成部份的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施，具有分布廣、用電負(fù)荷大的特點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)體現(xiàn)了與智能電網(wǎng)的互動(dòng)性，使交通運(yùn)輸與電網(wǎng)之間的關(guān)系更加和諧，也促進(jìn)了我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展。

1 充電技術(shù)

1.1 充電方式

電動(dòng)汽車(chē)主要有常規(guī)充電、快速充電和更換電池組3種常用充電方式[1]。常規(guī)充電也稱(chēng)交流慢充，一般是以較小的交流電流進(jìn)行恒流充電或小電流恒壓充電，充電電流約為15 A，充電時(shí)間大約5～8 h；快速充電也稱(chēng)直流快充或應(yīng)急充電，是采用150～400 A的直流電流進(jìn)行恒流充電，在20～30 min內(nèi)就能使蓄電池電量達(dá)到80%～90%；更換電池組，也稱(chēng)快速換電或機(jī)械換電，是在蓄電池電量不足時(shí)，將已經(jīng)耗盡的電池組更換為充滿(mǎn)電的電池組，這種直接更換電池組的過(guò)程通常可在10 min之內(nèi)完成。

1.2 充電特性

常規(guī)充電可采用低壓交流電，但充電所需時(shí)間較長(zhǎng)，而且要求具備很好的停車(chē)庫(kù)（位）條件；快速充電的充電時(shí)間較短，但需要配置專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生直流大電流的直流機(jī)，占地面積較大，對(duì)電網(wǎng)的沖擊也較大，且會(huì)影響電池使用壽命；更換電池組具有時(shí)間短、選址靈活、可夜間充電或采用新能源充電，可規(guī)模化應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，但動(dòng)力電池必須標(biāo)準(zhǔn)化。此外，不同類(lèi)型汽車(chē)充電所需的電壓和電流各不相同，其對(duì)電網(wǎng)的影響也不一樣。

1.3 充電設(shè)施

電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施是指為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池提供電能補(bǔ)給的設(shè)施。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)充電方式的不同，電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施可以分為充電樁、充電機(jī)和換電站3種類(lèi)型。

充電樁為配置車(chē)載充電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)提供交流常規(guī)充電電流，布點(diǎn)靈活、占地面積較小，可安裝在停車(chē)場(chǎng)、居住社區(qū)等，提供常規(guī)充電服務(wù)。

充電機(jī)通常指直流充電機(jī)，對(duì)各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)提供較大的直流電流進(jìn)行快速充電，設(shè)備技術(shù)要求較高、占地面積較大，通常安裝在電動(dòng)汽車(chē)充電站，為各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)提供應(yīng)急充電服務(wù)。

換電站則是配備若干動(dòng)力電池組，為電動(dòng)汽車(chē)更換電池和提供電池維護(hù)服務(wù)，操作專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、占地面積較小，可結(jié)合車(chē)輛行駛路線(xiàn)、區(qū)域等情況適當(dāng)配置。

根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的不同特點(diǎn)，既可將交流充電樁安裝在街頭、停車(chē)場(chǎng)和加油站等地，方便電動(dòng)汽車(chē)就近接入電網(wǎng)進(jìn)行常規(guī)充電，也可以根據(jù)實(shí)際需求與預(yù)測(cè)建設(shè)一些電動(dòng)汽車(chē)充電站，充電站中可配備一定數(shù)量的交流充電樁、直流充電機(jī)和電池組，可同時(shí)為各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)提供不同的充電服務(wù)。

1.4 布點(diǎn)規(guī)劃

目前，電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的布點(diǎn)規(guī)劃主要從選址模型的建立、算法求解等方面進(jìn)行研究，如WANG Heng-song等在考慮充電用戶(hù)特點(diǎn)、充電站特性及市區(qū)規(guī)劃、電網(wǎng)布局等因素的基礎(chǔ)上，提出了一種多目標(biāo)規(guī)劃模型[2]；寇凌峰等主要研究區(qū)域電動(dòng)汽車(chē)充電站選址問(wèn)題，建立充電站選址定容的最優(yōu)費(fèi)用模型，并用假設(shè)算例的粒子群算法求解結(jié)果證明其模型的可行性[3]；張國(guó)亮等在考慮電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)分布特性的基礎(chǔ)上，采用目標(biāo)規(guī)劃思想，通過(guò)改進(jìn)的禁忌搜索算法，提出了以充電站初始建設(shè)成本及用戶(hù)充電總成本最小化為目標(biāo)的多等級(jí)充電站選址模型[4]；周洪超等基于博弈論思想，分析傳統(tǒng)項(xiàng)目選址方案評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車(chē)充電站規(guī)劃布局方案，并建立博弈優(yōu)化模型和算法[5]；ReVelle等綜述電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施選址研究，總結(jié)出幾個(gè)經(jīng)典選址模型，并通過(guò)增加不同的約束建立了多種擴(kuò)展模型[6]。

1.5 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

為了適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)等新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)公司于2009年12月頒布了《國(guó)家電網(wǎng)公司電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》等相關(guān)企業(yè)文件和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為充電站設(shè)計(jì)、建設(shè)以及電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的生產(chǎn)、選型、使用及建設(shè)大規(guī)模充電站等提供了技術(shù)依據(jù)[7]。

《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)式充電接口》、《電動(dòng)汽車(chē)充電站通用要求》、《電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)與非車(chē)載充電機(jī)之間的通信協(xié)議》和《輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能耗量試驗(yàn)方法》等4項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]于2010年4月出臺(tái)，推動(dòng)和規(guī)范了我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電樁及充電站的發(fā)展與建設(shè)，也進(jìn)一步促進(jìn)了電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)商積極參與電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與生產(chǎn)。

2 電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電力系統(tǒng)的影響

電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電力系統(tǒng)的影響因素主要是電動(dòng)汽車(chē)的充電方式、充電特性、充電時(shí)間以及電動(dòng)汽車(chē)的普及程度和類(lèi)型等。但電動(dòng)汽車(chē)充電更多地采用充電樁或充電站時(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)的影響就可籠統(tǒng)地反映為充電樁或充電站對(duì)電力系統(tǒng)的影響。

2.1 對(duì)輸電網(wǎng)的影響

目前，國(guó)外已從負(fù)荷平衡的角度開(kāi)展了現(xiàn)有或規(guī)劃的發(fā)供電容量能否滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)充電所引起的負(fù)荷增長(zhǎng)等相關(guān)研究。文獻(xiàn)[9]在不同的電動(dòng)汽車(chē)增長(zhǎng)方案下，采用場(chǎng)景分析進(jìn)行加州電力市場(chǎng)研究，結(jié)果表明電力負(fù)荷將分別增長(zhǎng)8%和2%。文獻(xiàn)[10]僅從充分滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)自然增長(zhǎng)的考慮出發(fā)，不涉及具體的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施，采用自下而上的方法研究了美國(guó)佛蒙特州在最優(yōu)充電模式、夜間充電模式和1天內(nèi)2次充電模式等3種情況對(duì)電力負(fù)荷的影響，結(jié)果表明該州可以支持10萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)夜間充電，但在負(fù)荷高峰期進(jìn)行充電將會(huì)對(duì)電力供應(yīng)造成惡劣影響。文獻(xiàn)[11]在全天均可充電和12 h可充電兩種情況下研究整個(gè)美國(guó)電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的承受能力，結(jié)果表明美國(guó)的現(xiàn)有電網(wǎng)最多可以承受73%的電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷。

2.2 對(duì)配電網(wǎng)的影響

電動(dòng)汽車(chē)充電不僅會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的負(fù)荷平衡造成影響，還會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)其他方面的問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]表明電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)于集中將會(huì)導(dǎo)致局部地區(qū)負(fù)荷緊張甚至過(guò)負(fù)荷；電動(dòng)汽車(chē)在負(fù)荷高峰時(shí)充電以及大量電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間的疊加將會(huì)加重配電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[13]從確定性和隨機(jī)性方面詳細(xì)研究電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷平衡、電壓調(diào)節(jié)、三相平衡的影響，建立了由配電網(wǎng)模型、負(fù)荷曲線(xiàn)和電動(dòng)汽車(chē)充電的負(fù)荷特性構(gòu)建的峰荷-時(shí)間模型，分析對(duì)系統(tǒng)影響的確定性與隨機(jī)性。文獻(xiàn)[14]提出了兩種電動(dòng)汽車(chē)充電協(xié)調(diào)方法：分布協(xié)調(diào)充電，即在充電站總電流不越限的前提下對(duì)每輛電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行最大電流充電，減少充電時(shí)間；集中協(xié)調(diào)充電，即通過(guò)計(jì)算機(jī)的智能判斷來(lái)協(xié)調(diào)每輛電動(dòng)汽車(chē)在什么時(shí)間充電、充電電流大小和充電時(shí)間長(zhǎng)短，以保證充電站總電流不超載。

2.3 造成諧波污染

電動(dòng)汽車(chē)在充電過(guò)程中不可避免會(huì)使用電力電子設(shè)備，而電力電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生諧波，給電網(wǎng)帶來(lái)不利影響。針對(duì)這一問(wèn)題已有學(xué)者通過(guò)建模和仿真進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[15]搭建電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)（站）的Matlab/Simulink仿真模型，通過(guò)理論研究和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，分析了電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)（站）諧波大小的影響因素。文獻(xiàn)[16]采用商用電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)諧波電流進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)學(xué)大數(shù)定律和中心極限定理，建立了多諧波源諧波分析數(shù)學(xué)模型，對(duì)多個(gè)電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)產(chǎn)生的諧波電流及其概率特性進(jìn)行了研究。

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電造成電力系統(tǒng)諧波污染的一系列研究表明：如果認(rèn)真貫徹執(zhí)行與諧波相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是可以控制電力系統(tǒng)的總體諧波水平的，可采取的措施有增加換流裝置的相數(shù)，降低諧波電流的有效值；增加無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高電力系統(tǒng)承受諧波的能力；加裝濾波裝置，就地治理電力系統(tǒng)的諧波污染，等等。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

雖然電動(dòng)汽車(chē)的一次性購(gòu)買(mǎi)成本還比較高，但其使用成本要比傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)低得多[17]。燃油汽車(chē)按10 L/100 km的油耗、7.05元/L的油價(jià)計(jì)算，行駛300 km需花費(fèi)211.5元。而以比亞迪E6純電動(dòng)汽車(chē)為例，行駛300 km需充電57 kWh，以0.84元/kWh的商業(yè)電價(jià)計(jì)算，僅需耗費(fèi)47.88元，比燃油汽車(chē)節(jié)省77%。若考慮油價(jià)上漲以及采用夜間低價(jià)居民用電充電，則電動(dòng)汽車(chē)使用成本的優(yōu)勢(shì)將更為明顯。

充電站的建設(shè)是發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)，其研究與建設(shè)將大大提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)需求，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈多個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)進(jìn)步。

3.2 社會(huì)效益

電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的建設(shè)可充分利用大型停車(chē)場(chǎng)、變電站和公眾服務(wù)場(chǎng)所等現(xiàn)有土地，并可根據(jù)實(shí)際需求使充電站和營(yíng)業(yè)廳一體化，提高土地利用率；也可考慮采用只在夜間負(fù)荷低谷時(shí)進(jìn)行充電的運(yùn)行方式，以改善電網(wǎng)負(fù)荷特性、提高火電與核電的運(yùn)行效率、參與削峰填谷，從而起到節(jié)能和提高電網(wǎng)使用效率的效果。

3.3 環(huán)境效益

與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)在減少溫室氣體排放、帶動(dòng)低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[18]。從全生命周期的角度來(lái)看，火電廠(chǎng)每生產(chǎn)1 kWh的電將排放約0.91 kg溫室氣體，而每燃燒1 L汽油將排放約2.81 kg溫室氣體。將油耗特性為10 L/100 km的燃油汽車(chē)與充電57 kWh即可行駛300 km的純電動(dòng)汽車(chē)相比，每行駛100 km分別產(chǎn)生28.1 kg和15.5 kg溫室氣體，電動(dòng)汽車(chē)的溫室氣體排放量可減少約50%。

隨著可再生能源發(fā)電的比例不斷增加，電力生產(chǎn)清潔度持續(xù)提高，電動(dòng)汽車(chē)所產(chǎn)生的溫室氣體還將繼續(xù)減少。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 實(shí)現(xiàn)智能充電控制

電動(dòng)汽車(chē)充電行為具有隨機(jī)性和間隙性，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諸多不利影響。如果能在提供方便安全的電動(dòng)汽車(chē)充電服務(wù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)代化的技術(shù)手段和管理方法，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)充電網(wǎng)絡(luò)一體化、自動(dòng)化與智能化的充電設(shè)施管理與控制，可大幅度削弱電動(dòng)汽車(chē)充電給電力系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響，甚至可將電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施作為電力系統(tǒng)的“友好負(fù)荷”，使其參與電力系統(tǒng)削峰填谷，有助于提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。

4.2 與新能源發(fā)電配合

新能源發(fā)電可利用的資源豐富、污染較少，甚至是零污染，可以在一定程度上緩解電力供應(yīng)的緊張情況和環(huán)保壓力。如能將充電設(shè)施與新能源發(fā)電集成接入電力系統(tǒng)，將在一定程度上削弱新能源接入對(duì)電力系統(tǒng)造成的不利影響，降低充電設(shè)施帶來(lái)的負(fù)荷增量，提高可再生能源的利用率；在新能源豐富的郊區(qū)建立電動(dòng)汽車(chē)充電站，同時(shí)在市區(qū)提供電池組更換服務(wù)，通過(guò)雙向運(yùn)輸?shù)确绞酱龠M(jìn)電動(dòng)汽車(chē)和新能源發(fā)電的發(fā)展。

4.3 作為系統(tǒng)儲(chǔ)能的組成部分

由于太陽(yáng)能、風(fēng)能具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和不可控性，在含光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的微電網(wǎng)或配電網(wǎng)中，需配置一定容量的儲(chǔ)能設(shè)備。若儲(chǔ)能配置偏少，可能無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)發(fā)電和用電之間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡；若儲(chǔ)能配置過(guò)于充裕，將顯著增加系統(tǒng)總投資費(fèi)用，可能造成經(jīng)濟(jì)性變差。從電動(dòng)汽車(chē)特性可知，只有在蓄電池荷電狀態(tài)比較充裕時(shí)才可使用，因此當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)因電量不足以行駛時(shí)，仍有一定的電量存儲(chǔ)，可用于參與含分布式電源的微電網(wǎng)或配電網(wǎng)功率實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)平衡。此外，電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)間通常較短，可在其大量的空置時(shí)間內(nèi)參與電網(wǎng)運(yùn)行，作為儲(chǔ)能單元參與系統(tǒng)削峰填谷，減少系統(tǒng)靜態(tài)儲(chǔ)能設(shè)備的配置，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4.4 成為智能電網(wǎng)的重要組成部分

電動(dòng)汽車(chē)是發(fā)展新能源汽車(chē)的重要方向，支持電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的電網(wǎng)技術(shù)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，也是國(guó)家863計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng)“智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（一期）”重點(diǎn)資助的研究?jī)?nèi)容[19]。目前，為充電設(shè)施安裝智能電表、充電站雙向通信設(shè)施等都是電動(dòng)汽車(chē)充電的主要研究方向。智能電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)也依賴(lài)于對(duì)電網(wǎng)中各環(huán)節(jié)重要運(yùn)行參數(shù)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)信息掌控，新興的物聯(lián)網(wǎng)可作為“智能信息感知末梢”，使管理更加集中化、統(tǒng)一化、智能化。將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)充電將有助于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)管理等功能，是推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)手段。

5 結(jié)論

當(dāng)前我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已步入快速發(fā)展期，充電設(shè)施建設(shè)如火如荼，從電動(dòng)汽車(chē)充電的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，短期內(nèi)主要考慮充電設(shè)施接入電網(wǎng)的方式、在配電網(wǎng)規(guī)劃中的布點(diǎn)與容量配置以及諧波治理；從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，隨著電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模使用以及充電技術(shù)、接入控制技術(shù)的發(fā)展，如何提高與新能源發(fā)電的集成使用、如何成為智能電網(wǎng)的重要組成部分，是必須考慮的重要方面。

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