電動車充放電對建筑供電的影響探討

徐偉華 / 陳雙燕

(1.電力規(guī)劃總院有限公司，北京 100120； 2. 中國建筑設計院有限公司，北京 100044)

電動車充放電對建筑供電的影響探討

徐偉華1/ 陳雙燕2

(1.電力規(guī)劃總院有限公司，北京 100120； 2. 中國建筑設計院有限公司，北京 100044)

介紹了汽車電動化的發(fā)展前景和充電樁的選擇方案，探討汽車電動化對建筑供電設計的影響。

電動汽車充放電 建筑供電

0 概述

電動汽車雖有其自身優(yōu)勢及國家政策扶持，但質疑的聲音也時而有之。盡管電動汽車的發(fā)展還面臨不少困難，但有理由對電動汽車的未來保持信心。本文探討了汽車保有量增長、電動汽車與內燃車競爭的前景，并分析了電動汽車對建筑供電的影響。

1 我國汽車保有量展望

以千人汽車保有量為指標，美國約為800輛[1]，歐盟高收入國家和日本約為600輛，韓國約為400輛。2016年底我國千人汽車保有量達140輛，對我國汽車市場達到飽和或接近飽和時的汽車保有量進行預測，我國千人汽車保有量將達到400輛，甚至600～800輛。

通過回顧我國汽車保有量增長的過程，我國汽車保有量從1996年末的1 100.1萬輛增長為2016年末的1.94億輛，近20年千人汽車保有量年均增長率為14.7%。因為2016年我國千人汽車保有量的增長率是12.1%，所以如果以11%的年均增長率去預測未來汽車保有量，以2016年底的人口數(shù)量13.8億人不變進行粗略測算，千人汽車保有量年均增長率取11%，我國千人汽車保有量將分別在2020年、2024年、2027年超過200輛、300輛、400輛。

2 汽車電動化前景

雖然目前電動汽車還存在續(xù)航里程短、充電難、充電慢等問題，但是這些和充電樁、電池相關的技術問題將隨著科技的進步逐步得到解決。除了電動汽車制造廠家的努力外，老百姓對電動汽車的接納和電力系統(tǒng)對電動汽車的支持是影響汽車電動化過程的重要因素。

不管是內燃車還是電動汽車，對于普通百姓而言都只是交通工具，性價比是選購的決定性因素。從全壽命周期看，不管行駛里程是高還是低，購買及使用電動汽車的費用均低于內燃車。以費用計算舉例：1)行駛里程高的用車方式，比如出租車，取電耗20 kW·h /100km、油耗8L/100km，一般工商業(yè)用電平段0.605元/ kW·h、油價6.44元/L，行駛6年、每年行駛15萬km進行測算，雖然電動汽車比內燃車的購車費多了大約19.5萬元，但行駛90萬km的電動汽車比內燃車至少節(jié)約35.5萬元動力費，以充電不耽擱營運時間為前提，開電動汽車的出租司機6年間可以比開內燃車的出租司機多賺16萬元；2)行駛里程低的用車方式，比如某些私家車，由于行駛里程短，“以電代油”所節(jié)約的動力費不足以彌補多付的購置費，如果讓電動汽車通過充、放電為電力系統(tǒng)調頻調峰等服務，以另一種形式提高電動汽車的利用率，目前具備放電功能的車型已存在(如比亞迪e6)，只是電網(wǎng)目前尚不允許電動汽車放電。只有允許電動汽車以合理的價格對外放電，私家車市場的大門才會向電動汽車敞開。從我國富煤貧油少氣的化石能源結構上看，電動汽車電能雙向流動只是時間問題。

有關資料表明，我國每年新增石油消費量的70%以上被新增汽車所消耗[2]，由此可以看出石油行業(yè)對汽車的重視程度。雖然電動汽車用電量不大，未超過全社會用電量的5%，但是電動汽車對于電力行業(yè)的意義在于汽車電動化之后，電動汽車可以為電力系統(tǒng)提供豐富、優(yōu)質的調頻調峰資源。

結合電動汽車的經(jīng)濟性及其與電力系統(tǒng)關系的分析可知，汽車電動化可以實現(xiàn)，但其所需的時間和汽車的正常更替速度有關，盡管《機動車強制報廢標準規(guī)定》取消了私家車強制報廢年限，不過按照成熟市場報廢汽車占汽車保有量6%～8%[3]計算，汽車更替的時間大約是16年。也就是說從電動汽車向電網(wǎng)放電的調度及交易關系理順起到汽車電動化基本完成，大約需要16年。

3 充電樁選擇

1)充電樁類型

充電樁的建設應全力爭取電力系統(tǒng)的支持并獲得民眾的認可。只有處于泊車狀態(tài)的電動汽車具備持續(xù)插電條件，電力系統(tǒng)才有可能將行駛里程不高的私家電動汽車用于調頻調峰。再根據(jù)居住地、工作地、目的地均方便充電的要求，車樁比約為1∶3才較為合理。

當充電樁的數(shù)量顯著多于電動汽車的數(shù)量時，必須盡可能地降低充電樁的成本。如果是大功率變流器車載，那么充電樁可簡化近似于三相配電箱，只有這樣，三相交流充電樁才能為電動汽車提供廉價、便利的大功率充電條件；行駛里程低的電動汽車才有持續(xù)插電的條件接受電力系統(tǒng)調度對外售電；充電服務費才能大幅降低，從而將“以電代油”的收益盡可能多地分享給車主，私家車市場的大門才能向電動汽車敞開。

因此，不是電動汽車本身，而是電力系統(tǒng)和普通百姓的利益決定了三相交流大功率充電方案才是電動汽車充放電的合理方案，這要求充電樁向三相配電箱簡化、大功率四象限變流器為車載。

2)充電樁功率探討

我國高速公路上小型車和大型車分別限速120km/h和100km/h，取百公里電耗分別為20kW·h和140kW·h，如果按上限速度行駛4h考慮續(xù)航里程，則動力電池容量分別為100kW·h和700kW·h。如果按滿足5min之內以10C電流從零開始充入80%的電量考慮充電樁的功率上限，那么小型和大型電動汽車的充電功率上限分別不超過1 000kW和7 000kW。

3)充電樁電壓電流探討

交流充電最高可以采用440V電壓和63A電流[4]的接口，功率為48kW；對于100kW·h的動力電池，100min才能從0%充入80%的電量。

對于100kW·h的動力電池，如果考慮導線截面的約束，適當將電流提高到150A，三相交流400V、690V和1 200V電壓的功率分別為99kW、179kW和312kW，從0%充入80%的電量分別需要49min、27min和15min。如果考慮交流電壓高于額定10%等因素，1 200V電壓等級和150A電流電纜可以提供350kW功率，勉強夠小型電動汽車快速充電用。

對于700kW·h的動力電池而言，功率為350kW時從0%充入80%的電量需96min，也就是說要想滿足大型電動汽車的快速充電要求，還需進一步提高電壓。鑒于10kV配電網(wǎng)已不堪重負，如果采用20kV電壓，那么在10C充電的電流會達到202A，若再采用2根充電槍同時充電，那么單槍的充電電流可以降到150A以下，則充電接口可以按最大50mm2電纜考慮。

4)全碳化硅變流器

雖然上述探討解決了三相交流樁的功率以及實現(xiàn)相應功率的電壓、電流組合，但是如果要避免換電和直流快充的不足來實現(xiàn)汽車全面電動化，還需要合適的電力電子器件支持。碳化硅擊穿電壓的強度約為硅的10，能帶隙、熱導率均約為硅的3倍[5]，碳化硅器件的這些特性使得大功率三相四象限變電流器車載成為可能。

4 對建筑供電的影響

電動汽車對建筑供電的影響源于其潛在著很高的總體充放電功率及其作為電力系統(tǒng)儲能元件的潛力。在設計充電基礎設施時，首先從車主用車便利的角度考慮快速充電的需求，其次考慮滿足電力系統(tǒng)利用電動汽車調頻調峰的需求。

1)對充電樁供電的影響

綜合考慮滿足電動汽車充電和節(jié)能、節(jié)銅等因素，相線截面不宜超過50mm2。

如果要考慮快充需求，即在5min之內充入80%電量，那么應該采用10C電流充電。對于100kW電池的小型汽車，10C電流充電的功率為1 000kW。對于50mm2的電纜，1 200V電壓的輸送功率約為310kW；400V電壓的輸送功率約為100kW。是否采用1 200V電壓還要看電動汽車大功率充電的發(fā)展。

如果不考慮快充需求，那么充電電流≥0.25C。對于100kW電池的小型汽車，0.25C電流充電的功率為25kW，已有車型已能達到40kW。

總之，充電樁供電線路的導線截面，下限是宜按每根充電槍≥25kW考慮，上限可取50mm2。在目前電動汽車處于發(fā)展初期、對充電方法尚存爭議的特殊階段，選擇變壓器時可以考慮多個抽頭。

2)對配電變壓器容量選擇的影響

對于負荷密度低的地區(qū)，滿足至少一輛車能夠快充是設計需要注意的問題，即10kV/0.4kV變壓器的容量≥100kVA。

對于大型停車場，配電變壓器的容量應能夠滿足單臺車快充的需求，但長遠來看，總變電容量滿足電力系統(tǒng)利用電動汽車調頻調峰的需求是設計時需要考慮的問題。在滿足單輛汽車快充功率需求與電動汽車整體作為電儲能元件功率需求的基礎上，如何利用電動汽車的充放電提高供電可靠性、提高配電設施的利用率，值得進一步深入研究，也是設計師水平的體現(xiàn)。

5 結束語

分析我國的化石能源結構特點及汽車市場的飽和度可知，現(xiàn)在是電動汽車發(fā)展很好的機遇期，且建筑供電大致處于電網(wǎng)和電動汽車連接處的有利位置，汽車電動化對于建筑供電而言是難得的發(fā)展與市場機遇。筆者認為，以為處理電動汽車充電對建筑供電影響的關鍵所在：1)充電技術路線的選擇，本文支持交流三相大功率充放電；2)兼顧電動汽車作為交通工具和作為電力系統(tǒng)調頻調峰工具，處理好變電容量的匹配。

[1] 2016年全球汽車行業(yè)市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[EB/OL].http://www.chyxx.com/industry/201607/429684.html， 2016-07-11.

[2] 汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)轉型升級亟需踐行綠色制造[EB/OL].http://www.caam.org.cn/hangye/20150701/1405163599.html. 2015-07-01

[3] 汽車拆解市場蓄勢待發(fā)[EB/OL].http://stock.jrj.com.cn/2014/08/05003617739412.shtml，2014-08-05.

[4] GB/T20234.2-2015電動汽車傳導充電用連接裝置 第2部分 交流充電接口 [S].北京：中國標準出版社，2015.

[5] 性價比：SiC MOSFET比Si MOSFET不只高出一點點[EB/OL]. http://www.eepw.com.cn/article/281267.htm，2015-10-13.

Discussion on Electric Vehicle Charging and Discharging to Buildings Electric Power Supply

Xu Weihua / Chen shuangyan

The prospects of automotive electrification and the choice of charging pile are introduced, and the influence of automotive electrification on building power supply design is discussed.

electric vehicle charging and discharging, building power supply