智能電網(wǎng)框架下電動汽車充電設(shè)施建設(shè)研究

趙興勇，趙艷秋

（山西大學(xué)工程學(xué)院，山西太原 030013）

電動汽車作為一種清潔能源交通工具，具有能源利用效率高、環(huán)保等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和能源安全戰(zhàn)略的重要途徑，也是未來汽車工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)[1]。電動汽車充電設(shè)施是電動汽車產(chǎn)業(yè)推廣的前提和重要基礎(chǔ)，也是電動汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。國際氣象組織對40多位電動汽車相關(guān)行業(yè)專家的訪談結(jié)果表明，充電設(shè)施建設(shè)的重要程度在電動汽車發(fā)展眾多影響因素中僅次于電池技術(shù)，排名第二，充電設(shè)施的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性作用各方已達(dá)成共識[2]。隨著國家智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，電動汽車充電設(shè)施作為智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的特殊用電設(shè)備，同時具有分布式負(fù)荷與分布式能源節(jié)點(diǎn)的特性，體現(xiàn)在與智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互動，有力促進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展。

1 國內(nèi)外電動汽車充電設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外充電設(shè)施建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)國家政府和相關(guān)企業(yè)對充電實(shí)施的建設(shè)非常重視。美國2009年10月開展了大規(guī)模充電設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目“EV Project”，計(jì)劃3~5年內(nèi)在9個試點(diǎn)州建立16000多個充電點(diǎn)；日本電動汽車的研究時間較長，技術(shù)水平較高，充電設(shè)施的建設(shè)也非常迅速，截至2010年11月，共建設(shè)充電設(shè)施250多處；歐盟各國也積極開展電動汽車充電設(shè)施的建設(shè)工作，法國巴黎是世界上最早鼓勵使用電動汽車的城市之一，已形成基本的充電網(wǎng)絡(luò)；德國已計(jì)劃在柏林建立500多處充電點(diǎn)。

1.2 國內(nèi)充電設(shè)施建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國電動汽車的研究起步較晚，但發(fā)展非常迅速。2003年在北京、唐山等7個城市開展電動汽車示范運(yùn)行，并建設(shè)了配套充電設(shè)施；2008年在北京奧運(yùn)中心建設(shè)了5000 m2的電動公交車電池更換站；2010年上海世博園建成世界規(guī)模最大的電動公交車電池更換站，2011年底上海奉賢首座電動汽車充換電站建成；2012年1月，集目前國內(nèi)所有充換電模式于一站的、國內(nèi)規(guī)模最大的北京高安屯電動汽車充換電站，通過專家組驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行，年累計(jì)換電服務(wù)能力可達(dá)14.6萬次。至2010年底國家電網(wǎng)公司共建成充電站87座，充電樁7031個，按照公司規(guī)劃，在“十二五”期間，全國將建設(shè)充換電站2351座，充電樁22萬個。

目前，盡管電動汽車充電設(shè)施的建設(shè)在國內(nèi)外得到高度重視，但都面臨著相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與運(yùn)營模式不明確等一系列問題[3-4]，隨著電動汽車的快速發(fā)展，充電實(shí)施的建設(shè)將步入規(guī)?；?、網(wǎng)絡(luò)化時代，因此，我國急需在試點(diǎn)建設(shè)的基礎(chǔ)上加大研究和創(chuàng)新力度，探索適合我國國情的充電設(shè)施建設(shè)道路。

2 制約充電實(shí)施建設(shè)的主要因素

2.1 電動汽車的運(yùn)營模式

根據(jù)用戶類型的不同，電動汽車可以大致分為示范區(qū)用車、集團(tuán)車隊(duì)、社會車輛及微型車輛4大類，不同的運(yùn)行模式，對充電方式、時間、功率要求也不同，進(jìn)而對充電設(shè)施的建設(shè)有不同的要求。

示范區(qū)用車。這類用車數(shù)量較少，運(yùn)行范圍相對集中，可以在示范區(qū)內(nèi)建立集中的大型電池更換站，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)營。

集團(tuán)車隊(duì)。這類車行駛路徑和里程可以預(yù)測，一般白天運(yùn)行，在夜間利用谷電進(jìn)行充電?？衫眉瘓F(tuán)停車場建充電站，實(shí)行整車常規(guī)充電方式。

社會車輛。這些車包括出租車、公交車及私家車。他們的運(yùn)營目的不同，采取的充電方式也不同。出租車及公交車，應(yīng)盡量滿足人們出行要求，增加運(yùn)行時間，需及時快速充電，應(yīng)建立專用充電站或電池更換點(diǎn)。

微型車輛。

2.2 電動汽車的供能模式

根據(jù)動力電池的技術(shù)和使用特性，主要有常規(guī)充電，快速充電，機(jī)械充電和車載充電。

常規(guī)充電，又稱慢速充電。電池在放電終止后的24 h之內(nèi)，以小電流的恒壓或恒流充電，充電電流約為15 A，充電時間一般為5~8 h，最長可達(dá)20 h。這種方式成本較低，延長電池的使用壽命，但充電時間較長，難以滿足車輛緊急運(yùn)行的要求[5]。

快速充電，又稱緊急充電。是以較大電流在短時間內(nèi)為電池充電。充電電流150~400 A，充電時間0.25~2 h。這種充電方式，充電時間短，建設(shè)用地少；但影響電池的壽命，設(shè)備制造及安裝成本高，對充電的安全性要求較高。

機(jī)械充電，即快速更換電池。直接更換電動汽車的電池組來達(dá)到為其充電的目的。這種方式，有利于提高車輛的使用效率及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，及時發(fā)現(xiàn)單體電池的缺陷；但由于電池組重量較大，更換電池的專業(yè)性較強(qiáng)。

車載充電。作為純電動汽車的基本設(shè)備，車載充電機(jī)固定在電動汽車?yán)?，只需將插頭插入電源插座就可充電[6]。這種方式，充電功率小，安全方便。

2.3 動力電池特性

動力電池的性能目前尚不理想，電池成組、能量管理等技術(shù)不夠成熟，不當(dāng)使用將給電池的壽命和安全造成影響，使充電設(shè)施建設(shè)面臨較大的風(fēng)險。如果動力電池的比能量、循環(huán)壽命、安全性等有較大改善時，充電設(shè)施也必將發(fā)生改變。動力電池的發(fā)展方向是高密度、高循環(huán)壽命，其進(jìn)程的不確定性使得充電設(shè)施的建設(shè)面臨艱難的選擇。

2.4 充電技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

通用化。由于在較長一段時間內(nèi)，存在多種電池及多電壓等級的情況，因此，充電設(shè)施需要具有充電廣泛性，具備多種動力電池的充電控制算法。

智能化。優(yōu)化充電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電池的無損充電，自動監(jiān)控電池的充電狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，智能診斷。

電能轉(zhuǎn)換高效化。不同類型的充電裝置電能轉(zhuǎn)化效率不同，電能效率轉(zhuǎn)換高的充電裝置，對降低電動汽車耗能具有積極的意義。

集成化。采用集成技術(shù)將充電設(shè)施與電動汽車能量管理系統(tǒng)集成一個高效充電解決方案，提高充電設(shè)施單位土地面積的充電服務(wù)效率。

標(biāo)準(zhǔn)缺失。充電設(shè)施的建設(shè)，從國內(nèi)外已發(fā)布和正在制定的標(biāo)準(zhǔn)看，標(biāo)準(zhǔn)化工作采取了多種方案并存的路線，所以標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一性和可操作性較差。隨著電動汽車市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)逐步完善，減少方案種類，逐步統(tǒng)一。

3 充電設(shè)施建設(shè)與電網(wǎng)的關(guān)系

3.1 充電網(wǎng)絡(luò)與配電網(wǎng)密切相關(guān)

隨著充電網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、密度的加大及電池容量的成倍增加，其對配電網(wǎng)可能產(chǎn)生諧波，必需引起足夠的重視。充電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與優(yōu)化布局，不僅要考慮電動汽車的需求，而其應(yīng)該與配電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)與運(yùn)行管理結(jié)合起來。充電設(shè)施既對配電網(wǎng)的安全運(yùn)行和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，又必然受到配電網(wǎng)運(yùn)行及控制的制約。

3.2 充電網(wǎng)建設(shè)與智能電網(wǎng)建設(shè)高度一致

隨著電動汽車的大規(guī)模推廣，動力電池的儲能作用越來越明顯，儲能單元是智能電網(wǎng)的重要組成部分，通過合理安排充電時間來參與調(diào)峰，取得節(jié)能減排效業(yè)[7]。通過提高電池技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)放電，因此，必須把充電設(shè)施的建設(shè)，電池研發(fā)與智能電網(wǎng)建設(shè)結(jié)合起來。在建設(shè)時安裝智能電表和雙向通訊設(shè)施；充電網(wǎng)管理平臺與智能電網(wǎng)相關(guān)平臺高度集成，實(shí)現(xiàn)信息共享，實(shí)行智能充電服務(wù)管理，引導(dǎo)用戶在低谷充電，高峰反向送電，發(fā)揮積極的“削峰填谷”作用。

4 充電設(shè)施建設(shè)的具體內(nèi)容

4.1 充電規(guī)劃原則

充電設(shè)施的數(shù)量、布置等直接關(guān)系到電動汽車的普及程度，反過來，電動汽車發(fā)展的不同階段，也對充電設(shè)施的建設(shè)產(chǎn)生重要的影響。充電設(shè)施的建設(shè)包括“發(fā)展”、“需求”、“可能性”等3個決定性因素。

發(fā)展是指電動汽車的推廣普及程度及發(fā)展趨勢；“需求”是指相關(guān)區(qū)域的交通流量及服務(wù)半徑；而“可能性”主要是指環(huán)保交通及區(qū)域配電能力等。

4.2 外部接入條件

4.2.1 影響外部接入的主要因素

首先，充電設(shè)施所在處配電網(wǎng)應(yīng)具有可靠性，保證不間斷持續(xù)提供質(zhì)量合格的電能；其次，充電設(shè)施的電壓等級、電力負(fù)荷容量、充電機(jī)的類型、充電頻度等，直接影響外部接入電力設(shè)備的選型；另外，充電設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用也是需要考慮的重要因素。

4.2.2 外部接入接線方式

大型商業(yè)化運(yùn)行的充電設(shè)施，利用頻度高，負(fù)荷大，根據(jù)《國家電網(wǎng)電動汽車充電設(shè)施建設(shè)指導(dǎo)原則》，從供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性考慮易，需建立專用的變壓器，采用雙回路高壓電源進(jìn)線，單母線分段的形式；居民小區(qū)、社會停車場等處的充電設(shè)施，負(fù)荷較小，只需根據(jù)充電設(shè)施安裝點(diǎn)的負(fù)荷及谷電，對原有的供電設(shè)施進(jìn)行改造，從而既可減少投資，又能滿足充電需求。

4.3 充電設(shè)施內(nèi)部設(shè)計(jì)

主要包括充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分。

4.3.1 充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要包括交流充電樁，非車載充電機(jī)，計(jì)費(fèi)裝置，電池更換設(shè)備等。充電機(jī)最高充電電壓根據(jù)目前及今后使用車型的特性和數(shù)量確定。最大充電電流根據(jù)車載電車組的容量和對充電速度的要求，結(jié)合設(shè)備供電能力和性價比確定。

4.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主要包括充電監(jiān)控系統(tǒng)，安保監(jiān)控系統(tǒng)，計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等組成[8]。其中，充電監(jiān)控系統(tǒng)完成控制電池的充電、采集狀態(tài)和運(yùn)行信息、數(shù)據(jù)處理等功能。安保監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控整個充電設(shè)施內(nèi)外區(qū)域，具有視頻、報(bào)警、錄像等功能。計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集關(guān)口電表及用電終端電能數(shù)據(jù)計(jì)算充電費(fèi)用。

5 充電設(shè)施建設(shè)的效益分析及需防范的風(fēng)險

5.1 充電設(shè)施建設(shè)效益分析

5.1.1 能源戰(zhàn)略效益

節(jié)能減排，大力發(fā)展清潔能源是我國能源戰(zhàn)略的一個重要組成部分，電動汽車節(jié)能效果明顯，充電設(shè)施的建設(shè)是電動汽車的快速發(fā)展基礎(chǔ)和先決條件。

5.1.2 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益分析

以行駛100 km為例，電動汽車產(chǎn)生的溫室氣體僅為普通汽車的一半，環(huán)保優(yōu)勢十分明顯；以行駛1 km耗能計(jì)算，電動汽車能耗僅為普通汽車的50%，有效減少國家對石油資源的依賴；以年行駛里程1萬公里，油價6元/升，電價0.6元/kW·h估算，電動汽車比普通汽車可節(jié)約運(yùn)行成本5.1萬元，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

5.2 充電設(shè)施建設(shè)需防范的風(fēng)險分析

我國的充電設(shè)施建設(shè)處于初始階段，電動汽車發(fā)展路線、電池技術(shù)、價格，以及相關(guān)政策存在著較大的不確定性，因此，電網(wǎng)公司、汽車制造商等準(zhǔn)備開展充電設(shè)施建設(shè)業(yè)務(wù)的企業(yè)，應(yīng)該加強(qiáng)發(fā)展策略研究，注意防范風(fēng)險。

5.2.1 技術(shù)路線和標(biāo)準(zhǔn)

目前，國家4部委把插電式混合動力和純電動汽車作為財(cái)政補(bǔ)貼的主要支持對象，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.3萬元/kW·h，這兩種技術(shù)路線的電動汽車接口標(biāo)準(zhǔn)、功率標(biāo)準(zhǔn)不同，從而對充電設(shè)施的要求也不同。充電設(shè)施過高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)帶來的高成本與過低建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)帶來的重復(fù)建設(shè)都會帶來較大的風(fēng)險。

5.2.2 市場占有量和推廣速度

當(dāng)前的電動汽車主要以公交車、出租車為主，所占比例非常少，發(fā)展空間巨大，但普通消費(fèi)者對電動汽車及其配套充電服務(wù)將有一個逐步認(rèn)識到接收的過程，因此，充電設(shè)施的建設(shè)速度要合理，過快可能使用效率低，過慢可能難以滿足市場的需求。

5.2.3 運(yùn)營模式

由于動力電池等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，多種充電設(shè)施模式將長期并存，需要進(jìn)一步探索各類運(yùn)營模式及其適用對象，進(jìn)而形成可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)運(yùn)營模式。

6 結(jié)論

充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)是智能電網(wǎng)的一部分，是電動汽車產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，科學(xué)合理的規(guī)劃建設(shè)將有力促進(jìn)電動汽車的有序發(fā)展。充電設(shè)施的屬性，運(yùn)行特點(diǎn)決定了其規(guī)劃建設(shè)必須由政府部門，電網(wǎng)企業(yè)，市政部門等通力合作，共同完成，并納入電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃中。我國的電動汽車充電設(shè)施建設(shè)處于初始階段，通過電動汽車關(guān)鍵技術(shù)提升及試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為未來電動汽車充電設(shè)施建設(shè)提供理論指導(dǎo)和建設(shè)規(guī)范。

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