電動汽車充電模式分析

劉群峰

1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206

2.杭州市電力局，浙江杭州 310009

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國能源安全和環(huán)境保護(hù)問題日益突出。我國石油進(jìn)口依賴度逐年提高，作為石油消耗的主體，預(yù)測到2020 年我國燃油汽車石油消耗量將達(dá)到55%[1]。此外，環(huán)境保護(hù)方面，機(jī)動車尾氣污染已經(jīng)成為城市最主要的污染源。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，國家提出節(jié)能減排戰(zhàn)略，減少汽車尾氣排放，改善城市環(huán)境已成為政府的首要任務(wù)。根據(jù)我國能源、資源的稟賦特點(diǎn)，純電動汽車是我國新能源汽車發(fā)展的主要取向，它對降低石油進(jìn)口依賴，提高能源安全，實(shí)現(xiàn)能源多元化、清潔化意義重大。近年來，電動汽車產(chǎn)業(yè)培育和發(fā)展作為國網(wǎng)公司落實(shí)國家新能源政策、建設(shè)統(tǒng)一堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分，已在多個省市開展了一系列電動汽車充換電技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)營模式的研究與實(shí)踐工作，試點(diǎn)建設(shè)取得了一批豐碩成果。當(dāng)前電動汽車推廣使用仍在示范運(yùn)行階段，電動汽車充電模式及方式還需進(jìn)一步試點(diǎn)研究，本文簡要分析電動汽車充電模式和供電需求，對不同電動汽車以及不同發(fā)展階段電動汽車使用的充電方式提出淺見。

1 電動汽車主流充換電模式

電動汽車以蓄電池儲能作為驅(qū)動力，由于電池儲能水平短期內(nèi)難以突破，與內(nèi)燃機(jī)汽車500km 的設(shè)計(jì)續(xù)航里程相比，電動汽車?yán)m(xù)航里程是一個明顯的短板。電池的動力特性決定了當(dāng)前電動汽車小型化、輕量型和低配置的發(fā)展方向，選擇適合的電能供應(yīng)方案可以彌補(bǔ)電動汽車?yán)m(xù)航里程不足的短板，是電動汽車使用的關(guān)鍵問題。電動汽車電能供應(yīng)有四種主要模式：快速充電、慢速充電、電池更換、非接觸式充電等。

1.1 快速充電模式

快速充電模式采用公共充電設(shè)施對電池充電，也即非車載充電模式。充電設(shè)施有一體式直流充電機(jī)、分體式直流充電機(jī)兩種類型。按現(xiàn)有電池充電技術(shù)水平，電池充電容輛0.5C，電池深度充放電情況下充滿時間約為2 小時，理論上最高可減少至半小時。一般布置于市區(qū)內(nèi)部、高速公路、城際公路等，為客戶提供快速充電服務(wù)。

主要優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)較為成熟，接口標(biāo)準(zhǔn)要求較低；充電速度快，增加電動汽車長途續(xù)航能力，是一種有效的補(bǔ)充方案。

主要缺點(diǎn)：充電功率較大，接口和用電安全提高，電池散熱成為重要因素；電池不能深度充電，一般為電池容量的80%左右，容易損害電池壽命，需要承擔(dān)更多的電池折舊成本；短時用電消耗大，對配電網(wǎng)要求較高，基礎(chǔ)設(shè)施配套需求巨大；一般在白天和傍晚時間段充電，屬于城市電力負(fù)荷高峰時段，對城市電網(wǎng)的安全性是一種威脅，而且不享受夜間電價打折；快速充電模式技術(shù)較為成熟，接口標(biāo)準(zhǔn)逐漸統(tǒng)一。

1.2 慢速充電模式

慢速充電模式采用車載充電設(shè)備對電池充電，也即車載充電模式或插電式充電模式。與快速充電模式相比，慢速充電模式功率低，約6.6kW，同時充電時間加長，一般為8 小時～10小時。

主要優(yōu)點(diǎn)：慢速充電技術(shù)成熟，技術(shù)門檻低，使用方便，容易推廣普及；充電設(shè)施配置簡單，占地較小，投資少；電池充電過程緩和，電池能夠深度充滿，續(xù)航能力更長；充電時電池發(fā)熱溫和，不易發(fā)生高溫短路或爆炸危險，安全性較高；接口和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較低；充電功率相對低，對配電網(wǎng)要求降低，基礎(chǔ)設(shè)施配套需求?。灰话氵x擇夜間充電，可避開傍晚用電高峰期，享受低谷電價優(yōu)惠，節(jié)能效果較好。

主要缺點(diǎn)：充電時間長，續(xù)航里程有限，使用受到限制；充電設(shè)用于有慢速充電需求的停車場所，如住宅小區(qū)停車場，社會公共停車場等。

1.3 電池更換模式

電池更換模式采用動力電池更換迅速補(bǔ)充車輛電能，電池更換可在3 分鐘以內(nèi)完成，理論上無限提升了車輛續(xù)航里程。

主要優(yōu)點(diǎn)：電池更換客戶感受接近傳統(tǒng)的加油站加油；用戶只需購買裸車，電池采用租賃，大幅降低了車輛價格；采用適合的充電方式保證電池的健康以及電池效能的發(fā)揮，電池集中管理便于集中回收和維護(hù)，減小環(huán)境污染；選擇夜間用電低谷時段慢速充電，降低服務(wù)機(jī)構(gòu)運(yùn)行成本，對電網(wǎng)起到錯峰填谷作用。

主要缺點(diǎn)：基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本較高，占用場地大，電網(wǎng)配套要求高；需解決電動車更換電池方便問題，例如電池設(shè)計(jì)安裝位置、電池拆卸難易程度等；需要電動汽車行業(yè)眾多標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格統(tǒng)一，包括電池本身外形和各項(xiàng)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，電池和電動車接口的標(biāo)準(zhǔn)化，電池和外置充電設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化等；電池更換容易導(dǎo)致電池接口接觸不良等問題，對電池及車輛接口的安全可靠要求提高；電池租賃帶來的資產(chǎn)管理、物流配送、計(jì)價收費(fèi)等一系列問題，運(yùn)作復(fù)雜性和成本提高。

2 各類型電動汽車供電需求

各類型電動汽車的運(yùn)行特點(diǎn)和供電需求各有差別差異，以下做具體分析：

2.1 公交車輛、社會運(yùn)營車輛

運(yùn)行特點(diǎn)是：運(yùn)行時間較長，運(yùn)營里程不固定，中途不能停運(yùn)。供電需求是：一次充電至少應(yīng)滿足單程運(yùn)行，應(yīng)提供電能快速補(bǔ)充或其他動力補(bǔ)充，可利用停運(yùn)時段快速充電，需要特定的充電設(shè)施和場所。適用的模式是：慢速充電結(jié)合快速充電，技術(shù)條件允許的情況下可采用電池更換。

2.2 景區(qū)觀光、城市環(huán)衛(wèi)車輛

運(yùn)行特點(diǎn)是：使用區(qū)域固定，單程較短（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，環(huán)衛(wèi)車輛平均每車每日運(yùn)行距離約為100km）。供電需求是：一次充電基本可以滿足全天運(yùn)行需要，一般在夜間停運(yùn)期間充電，也可利用停運(yùn)時段充電，有較固定的充電場所。適用的模式是：慢速充電。

2.3 市政車輛、郵政車輛

運(yùn)行特點(diǎn)是：一般在城區(qū)使用，單程較短。供電需求是：一次充電基本滿足往返運(yùn)行里程，一般在夜間停運(yùn)期間充電，也可利用停運(yùn)時段充電，有較固定的充換電場所。適用的模式是：慢速充電結(jié)合快速充電。

2.4 政府公務(wù)車、企業(yè)商務(wù)車

運(yùn)行特點(diǎn)是：一般用于短途使用，有長途使用的需求，行駛里程不固定。供電需求是：一般在夜間停運(yùn)期間充電，在必要時需快速充電或換電。適用的模式是：慢速充電結(jié)合快速充電或電池更換。

2.5 出租車

運(yùn)行特點(diǎn)是：運(yùn)營時間一般不間斷，運(yùn)行時間和里程較長，行駛區(qū)域不固定，需及時快速補(bǔ)充電能，盡可能增加運(yùn)營時間，提高經(jīng)濟(jì)效益。供電需求是：一次充電續(xù)駛里程難以滿足當(dāng)日運(yùn)行需要，根據(jù)續(xù)駛里程應(yīng)提供必要的充電設(shè)施，盡可能縮短供電時間。適用的模式是：電池更換。

2.6 私家車

運(yùn)行特點(diǎn)是：一般用于家庭出行和上下班使用，里程較短，夜間基本停運(yùn)。供電需求是：一次充電基本滿足全天運(yùn)行需要，一般在夜間停運(yùn)期間充電，在必要時應(yīng)快速充換電。適用的模式是：慢速充電結(jié)合快速充電或電池更換。

3 不同發(fā)展階段充換電適用模式

從電動汽車商業(yè)運(yùn)營的示范運(yùn)行、成熟推廣、引領(lǐng)提升三階段的發(fā)展歷程來看，受經(jīng)濟(jì)環(huán)境、發(fā)展水平、注重面不同，電動汽車各階段充換電適用模式也有所差別。

3.1 示范運(yùn)行階段

在示范運(yùn)行階段，運(yùn)行車輛較少，電動汽車配套基礎(chǔ)設(shè)施、各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、服務(wù)維修體系還未形成，電動汽車社會服務(wù)水平較低。車輛使用范圍主要以特定對象為主的機(jī)構(gòu)，一般消費(fèi)群體例如私人家庭難以產(chǎn)生有效的使用需求。示范運(yùn)行的電動汽車需要政府補(bǔ)貼支持，以公交車、市政工程、郵政環(huán)衛(wèi)、政府公務(wù)用車、景區(qū)觀光車輛等為主，逐漸帶動社會用車的增長。充電模式一般應(yīng)采用整車充電方式，逐漸引入電池更換技術(shù)。在大型城市和風(fēng)景名勝等有條件、有需求的區(qū)域，建設(shè)電動汽車充換站，試行電池租賃，在前期電池購買成本較高的情況下，大幅降低客戶面臨首次成本。在部分公交首末站等場所建設(shè)充電站，利用夜間用電低谷時段集中慢速充電，同步在居民小區(qū)、道路、停車場、景區(qū)等場所配套建設(shè)充電樁。

3.2 成熟推廣階段

在成熟推廣階段，電動汽車配套基礎(chǔ)設(shè)施、各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、服務(wù)維修體系等趨于成熟，電動汽車保有量增加，運(yùn)行使用和服務(wù)機(jī)構(gòu)的綜合成本較為合理，電動汽車廠家和型號增加，產(chǎn)業(yè)鏈已形成和完整，購置、售后及維修養(yǎng)護(hù)等方面社會化服務(wù)便捷，對一般性個體消費(fèi)者的吸引力增加。電動汽車使用領(lǐng)域積極向出租車推廣，并向中、低端私人家庭用車領(lǐng)域延伸。電動汽車規(guī)劃及時編制修訂，電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)從大城市、風(fēng)景區(qū)向市郊、二、三線城市普及延伸，大城市間的公路主干道建設(shè)充換電設(shè)施，城際互聯(lián)得以實(shí)現(xiàn)，區(qū)域服務(wù)網(wǎng)絡(luò)基本形成。電池租賃業(yè)務(wù)逐步社會化，定價水平較燃油消費(fèi)大幅降低。

3.3 引領(lǐng)提升階段

相對于成熟推廣階段，本階段電動汽車配套的法規(guī)、政策基本完善，電動汽車配套基礎(chǔ)設(shè)施、各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、服務(wù)維修體系等已成熟，全國服務(wù)網(wǎng)絡(luò)及售后、維護(hù)體系形成，相關(guān)衍生產(chǎn)品推出帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展并形成完整產(chǎn)業(yè)鏈。電動汽車得到大規(guī)模應(yīng)用，社會保有量特別是私人家庭用車激增。電動汽車綜合成本進(jìn)一步降低，服務(wù)機(jī)構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)保本甚至盈利。

4 電動汽車充電設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

目前，電動汽車充電設(shè)施各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已趨成熟，在政府部門支持下，電力供應(yīng)商主導(dǎo)了充電基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)運(yùn)營，推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 電動汽車示范工作得到穩(wěn)步推進(jìn)。國家電網(wǎng)公司提出了“換電為主、插充為輔、集中充電，統(tǒng)一配送”的總體思路，對電動汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用起到了積極作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2012 年8 月，投入示范運(yùn)行純電動汽車總量超萬，幾個骨干整車廠的插電式深度混合動力乘用車的研發(fā)取得很好成績，動力電池產(chǎn)業(yè)集群初見端倪，動力電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化水平進(jìn)步很快，電動汽車城際互聯(lián)工程驗(yàn)收通過。

以換電為主導(dǎo)模式的試點(diǎn)城市杭州市。截至2012 年底，累計(jì)建設(shè)69 座充換電站（配送站）、620 個交流充電樁，城區(qū)15 分鐘充換電服務(wù)圈基本成型，各縣（市、區(qū)）布點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全覆蓋。863 課題基本完成研發(fā)并進(jìn)入示范運(yùn)行階段，成功開發(fā)了全自動底盤換電技術(shù)和新電池箱承載系統(tǒng)、專用機(jī)器人。常態(tài)化運(yùn)行的節(jié)能與新能源汽車已有1 732 輛，其中公交、出租、電力、郵政、快遞、政府機(jī)關(guān)等公共領(lǐng)域用車1 398 輛，私人用車334 輛。投入運(yùn)營出租車200 輛，行駛里程1529 萬公里。電動汽車進(jìn)入私人家庭，其中137 輛為私人租賃，80 輛為私人購買。

以充電為主導(dǎo)模式的試點(diǎn)城市深圳市。截至2012 年10 月底，已建成充電站17 座，各類新能源汽車總數(shù)已達(dá)3390 輛，其中公交車2 050 輛、電動出租車300 輛、燃料電池車62 輛、公務(wù)車20 輛、家用車超過958 輛。與之配套的充電設(shè)施也正在加緊建設(shè)中。

5 結(jié)論

電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展是我國“十二五”重點(diǎn)規(guī)劃項(xiàng)目，也是我國汽車和相關(guān)產(chǎn)業(yè)難得的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。電動汽車充電模式以及充電設(shè)施建設(shè)是整個產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的基礎(chǔ)和前提，應(yīng)在政策支持指導(dǎo)下結(jié)合電動汽車發(fā)展階段、車輛種類和運(yùn)行特點(diǎn)科學(xué)規(guī)劃、合理布局、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為電動汽車提供更完善的充電服務(wù)。

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