集約式柔性公共充電模式研究

麥煒杰，潘一軍，李志剛，萬(wàn)新航

(1.深圳奧特迅電力設(shè)備股份有限公司, 廣東 深圳 518057；2.深圳市鵬電躍能能源技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518034)

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)是汽車(chē)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向，我國(guó)投入了龐大的資金和動(dòng)用了大量的社會(huì)資源引導(dǎo)充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)來(lái)加快電動(dòng)汽車(chē)的普及進(jìn)度。

大量的研究表明，電動(dòng)汽車(chē)的充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展具有重要意義，其直接影響了車(chē)輛使用的便利性與電力系統(tǒng)配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。文獻(xiàn)[1]建立了同時(shí)考慮充電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力最大化與配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗最小化的電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[2]研究了電動(dòng)汽車(chē)充電站選址對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。此外，分布式發(fā)電滲透率越來(lái)越高的情況下，大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)接入配電網(wǎng)導(dǎo)致電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，迫切需要進(jìn)行及時(shí)消納[3]。這對(duì)配電網(wǎng)中分布式發(fā)電的合理調(diào)度提出了更高的要求，文獻(xiàn)[3]基于主動(dòng)配電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了含電動(dòng)汽車(chē)充電和分布式電源的優(yōu)化重構(gòu)模型以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行；文獻(xiàn)[4]提出了一種基于分層控制的有序充電控制架構(gòu)，能夠與傳統(tǒng)電網(wǎng)控制架構(gòu)融合的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)范圍內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)和分布式可再生電源的協(xié)同有序控制。為了減小電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響，文獻(xiàn)[5]對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電站負(fù)荷進(jìn)行建模研究，考慮了充電站負(fù)荷的各種隨機(jī)性因素影響，得到了反映充電站時(shí)變性的靜態(tài)負(fù)荷模型，并給出了其不同滲透率情況下的日負(fù)荷曲線(xiàn)；文獻(xiàn)[6]提出了一種電動(dòng)汽車(chē)智能充電的調(diào)度策略；文獻(xiàn)[7]建立了實(shí)時(shí)電價(jià)下含V2G功能的電動(dòng)汽車(chē)?yán)硇猿浞烹娔Ｐ停?duì)電動(dòng)汽車(chē)充放電運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了仿真計(jì)算和分析。文獻(xiàn)[8]針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的運(yùn)營(yíng)模式和用戶(hù)多樣化需求，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的充電設(shè)施柔性管理解決方案。

但是，大量的研究仍然沒(méi)有徹底解決充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的一系列問(wèn)題，包括車(chē)樁不匹配、充電排隊(duì)時(shí)間長(zhǎng)、充電樁利用率不高、充電運(yùn)營(yíng)商盈利難、重復(fù)建設(shè)等。目前，據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)樁比大約為3:1，遠(yuǎn)未達(dá)到車(chē)樁比1:1的國(guó)家目標(biāo)，這意味著目前充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)思想以及充電模式還存在改進(jìn)和創(chuàng)新的空間。

本文首先詳細(xì)描述了國(guó)內(nèi)外的新能源汽車(chē)發(fā)展情況，然后基于我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展情況，深度分析了充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展過(guò)程中的問(wèn)題。針對(duì)所描述的問(wèn)題，對(duì)充電模式進(jìn)行創(chuàng)新，提出采用基于充電堆技術(shù)的集約式柔性公共充電模式。

1 背景

1.1 我國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展情況

我國(guó)高度重視新能源汽車(chē)的發(fā)展，習(xí)近平總書(shū)記明確指出，“發(fā)展新能源汽車(chē)是我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的必由之路。” 李克強(qiáng)總理指出，“加快發(fā)展節(jié)能與新能源汽車(chē)，是促進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的緊迫任務(wù)，也是推動(dòng)綠色發(fā)展、培育新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)的重要舉措。”馬凱副總理在西安調(diào)研時(shí)強(qiáng)調(diào)，要“努力促進(jìn)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展”，2017 年7月4日，馬凱副總理在北京調(diào)研新能源汽車(chē)行業(yè)時(shí)指出，要“統(tǒng)籌規(guī)劃、創(chuàng)新發(fā)展，推動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)做優(yōu)做強(qiáng)”。新能源汽車(chē)成為了汽車(chē)產(chǎn)業(yè)應(yīng)對(duì)能源安全、氣候變化、環(huán)境保護(hù)和結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要突破口，也是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已被納入“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)[9]，《中國(guó)制造 2025》已經(jīng)把新能源汽車(chē)和智能汽車(chē)列為國(guó)家制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，發(fā)展新能源汽車(chē)已上升為國(guó)家戰(zhàn)略[10]。按照“十三五”發(fā)展規(guī)劃，到 2020年，我國(guó)新能源汽車(chē)將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)銷(xiāo)量200萬(wàn)輛、累計(jì)保有量500萬(wàn)輛的目標(biāo)。

近兩年，我國(guó)新能源汽車(chē)爆發(fā)性增長(zhǎng)，根據(jù)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2016年我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)51.7萬(wàn)輛和50.7萬(wàn)輛，連續(xù)兩年產(chǎn)銷(xiāo)量居世界第一。我國(guó)累計(jì)已推廣量新能源汽車(chē)超過(guò)100萬(wàn)輛，占全球市場(chǎng)保有量的50%以上，中國(guó)已成為全球新能源汽車(chē)最重要的市場(chǎng)。比亞迪、吉利、北汽等企業(yè)進(jìn)入全球新能源汽車(chē)乘用車(chē)銷(xiāo)量前10位，國(guó)產(chǎn)新能源客車(chē)技術(shù)水平達(dá)到世界領(lǐng)先，并已銷(xiāo)往全球30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。同時(shí)，我國(guó)新能源車(chē)技術(shù)水平也得到顯著提升。目前，動(dòng)力電池單體能量密度相比2012年提高了1.7倍，價(jià)格下降了60%，純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性以及舒適性，相比幾年前都有了大幅度提升，基本能夠滿(mǎn)足人們?nèi)粘３鲂行枰?，社?huì)認(rèn)可度也有明顯提高。

1.2 全球新能源汽車(chē)發(fā)展情況

在國(guó)際上，新能源汽車(chē)和自動(dòng)駕駛技術(shù)一直被認(rèn)為是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的主要趨勢(shì)，全球新能源汽車(chē)需求正在急劇增長(zhǎng)，市場(chǎng)如火如荼，日產(chǎn)Leaf總銷(xiāo)量已超25萬(wàn)輛，特斯拉Model3尚未正式上市訂單便已超50萬(wàn)輛，產(chǎn)能不足成為多款車(chē)型銷(xiāo)量瓶頸。全球各大汽車(chē)集團(tuán)也紛紛披露了未來(lái)在新能源領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃。

大眾集團(tuán)計(jì)劃到2025年上市30款電動(dòng)汽車(chē)；福特在其五年戰(zhàn)略當(dāng)中提到，2020年，福特全球新能源車(chē)銷(xiāo)量將占福特總銷(xiāo)量的10%～25%；寶馬目前在電氣化領(lǐng)域擁有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其在 2016年共銷(xiāo)售超過(guò)10萬(wàn)輛新能源汽車(chē)，并計(jì)劃在2025年之前將新能源汽車(chē)的銷(xiāo)售比例提升至 15%～25%，日產(chǎn)、雷諾、三菱三大汽車(chē)品牌未來(lái)將共享平臺(tái)打造純電動(dòng)車(chē)型，日產(chǎn)計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)零排放的車(chē)輛超過(guò)20%；戴姆勒計(jì)劃到2025年推出10款電動(dòng)車(chē)型；而沃爾沃日前宣布，自2019年起，沃爾沃汽車(chē)所有新上市車(chē)型均將配備電動(dòng)機(jī)。這標(biāo)志著沃爾沃汽車(chē)將終結(jié)純內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，電氣化技術(shù)成為其未來(lái)發(fā)展的核心。自此，沃爾沃成為首個(gè)全面采用電氣化技術(shù)的豪華汽車(chē)制造商。

各國(guó)政府也紛紛宣布發(fā)展新能源汽車(chē)的政策，挪威、荷蘭自2025年起禁止燃油汽車(chē)銷(xiāo)售，德國(guó)、印度2030年后將禁售燃油車(chē)(傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē))，法國(guó)2040年前全面禁售汽油車(chē)和柴油車(chē)。新能源汽車(chē)的未來(lái)前景極為廣闊，全球?qū)⒂瓉?lái)新能源汽車(chē)的快速發(fā)展時(shí)期。

1.3 我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展情況

充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)直接影響到使用新能源汽車(chē)使用的便利性，已經(jīng)引起了各級(jí)政府和整個(gè)行業(yè)的高度關(guān)注，馬凱副總理再三強(qiáng)調(diào)：要下大力氣解決充電基礎(chǔ)設(shè)施的“短板”問(wèn)題，破解新能源汽車(chē)發(fā)展關(guān)鍵瓶頸制約，要加快充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。國(guó)家和各級(jí)政府也紛紛出臺(tái)推動(dòng)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的政策，2015年10月9日，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局、工業(yè)和信息化部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布了《電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015-2020年)》[11]，以引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。我國(guó)正在建設(shè)覆蓋城市公共領(lǐng)域、高速沿線(xiàn)、私人小區(qū)、單位內(nèi)部等區(qū)域的充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟(充電聯(lián)盟)統(tǒng)計(jì)[12]，截止到2016年12月，公共類(lèi)充電樁建設(shè)、運(yùn)營(yíng)數(shù)量接近15萬(wàn)個(gè)，相較于2015年末4.9萬(wàn)個(gè)凈增2倍以上，中國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施公共類(lèi)充電設(shè)施保有量全球第一，深圳、北京、上海等地已建成了規(guī)?；某潆姺?wù)網(wǎng)絡(luò)，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到穩(wěn)步推進(jìn)。

1.4 我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展情況

目前，國(guó)內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)模式主要有兩種：一種是根據(jù)投放車(chē)輛實(shí)際需求建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施，即按剛需建設(shè)；一種是按規(guī)劃建設(shè)。充電基礎(chǔ)設(shè)施的種類(lèi)主要包括交流充電樁、固定功率直流充電機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)充電堆。一般情況下，按剛需建設(shè)的充電基礎(chǔ)設(shè)施利用率較高，但按規(guī)劃建設(shè)的充電設(shè)施利用率極低。根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，國(guó)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的充電樁整體利用率僅為 1.46%。人民日?qǐng)?bào)也在今年發(fā)表了專(zhuān)題文章《充電這事有點(diǎn)煩》[13]，指出行業(yè)里存在的“一邊是充電樁利用率不高，一邊是新能源車(chē)充電難”的現(xiàn)象，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)成為推廣新能源汽車(chē)的瓶頸。

電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展主要存在以下問(wèn)題：

(1) 充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要占用大量社會(huì)資源充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)涉及到場(chǎng)地、配電增容及電網(wǎng)改造、建設(shè)投資、政府財(cái)政補(bǔ)貼等多個(gè)方面，在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展初期，電動(dòng)汽車(chē)的滲透率并不高，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與占用社會(huì)資源的矛盾尚不突出。但是隨著電動(dòng)汽車(chē)快速發(fā)展，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的滲透率達(dá)到一定比例時(shí)，這種矛盾將會(huì)集中爆發(fā)，嚴(yán)重阻礙新能源汽車(chē)的發(fā)展。

下面看幾個(gè)典型數(shù)據(jù)：

深圳市汽車(chē)保有量已達(dá)到320多萬(wàn)輛，而深圳市停車(chē)位數(shù)量只有110多萬(wàn)個(gè)。 在大城市中，停車(chē)位是一種緊缺資源，“一車(chē)一樁”模式完全無(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)充電需求。以深圳為例，即使所有的停車(chē)位都建設(shè)了充電樁，也無(wú)法滿(mǎn)足全市汽車(chē)全電動(dòng)化之后充電需求。

2017年深圳市電網(wǎng)負(fù)荷峰期曾達(dá)到1 714.76萬(wàn)千瓦，創(chuàng)出年內(nèi)新高。我們?nèi)园础耙卉?chē)一樁”模式測(cè)算，仍然假設(shè)深圳市實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)全電動(dòng)化，如果充電樁取7 kW的額定功率和0.5的同時(shí)率系數(shù)進(jìn)行測(cè)算，充電基礎(chǔ)設(shè)施所需的配電容量將高達(dá) 1 050萬(wàn)千瓦，基本相當(dāng)于再造一個(gè)城市電網(wǎng)。

(2) 現(xiàn)有充電基礎(chǔ)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)大功率充電需求

隨著動(dòng)力電池技術(shù)的不斷突破，電池能量密度和充電倍率的持續(xù)提升，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程將不斷增加，充電時(shí)間不斷縮短，大功率充電的應(yīng)用很快就會(huì)出現(xiàn)。圖1給出了傳導(dǎo)式充電的發(fā)展趨勢(shì)，從圖1可以看出，在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的初期階段，充電功率較小，一般僅有幾個(gè)千瓦，一般采用交流充電方式；隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，充電功率不斷加大，當(dāng)充電功率為幾十千瓦時(shí)，交流充電和直流充電兩種方式共存；隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，充電功率不斷加大，充電方式基本以直流充電為主，未來(lái)大功率直流充電將成為電動(dòng)汽車(chē)補(bǔ)充能量的主要方式之一。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)式充電發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 Development trend of EV conductive charging

目前，國(guó)外多個(gè)主流車(chē)企都已在研制適用于大功率充電的車(chē)型，如戴姆勒新規(guī)劃的車(chē)型單次充電可以續(xù)駛700公里，寶馬的“Charge Now”計(jì)劃提出了“充電5分鐘，續(xù)駛百公里”的理念，國(guó)際電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化組織專(zhuān)門(mén)成立了大功率充電工作組(High Power Charging, HPC)，研究大功率充電技術(shù)的相關(guān)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式。據(jù)估計(jì)，未來(lái)電動(dòng)乘用車(chē)的大功率充電功率將高達(dá)350 kW，而電動(dòng)巴士的大功率充電甚至可能達(dá)到 1 MW。由于受到國(guó)標(biāo)充電槍最大輸出電流只有 250 A的限制，目前直流充電設(shè)備的單個(gè)充電口最大輸出功率只能達(dá)到187.5 kW，完全無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)大功率充電的需求。

(3) 現(xiàn)有充電基礎(chǔ)設(shè)施直流輸出電壓無(wú)法滿(mǎn)足所有車(chē)輛電壓范圍

根據(jù)GB/T18487.1-2015的規(guī)定，直流充電設(shè)備的輸出電壓范圍可分為 3檔：200～500 V，350～700 V，500～950 V，目前電動(dòng)乘用車(chē)的電壓平臺(tái)一般為三百多伏，電動(dòng)大巴的電壓平臺(tái)一般為五百多伏，工作電壓超過(guò)750 V的電動(dòng)汽車(chē)暫時(shí)還沒(méi)有，故目前建設(shè)的充電設(shè)備一般分為500 V和750 V兩種規(guī)格，500 V直流充電設(shè)備只能為電動(dòng)乘用車(chē)充電，750 V充電設(shè)備一般可兼容電動(dòng)大巴和電動(dòng)乘用車(chē)的電壓需求，但仍然存在以下問(wèn)題：

① 不能兼容高電壓平臺(tái)車(chē)輛的充電需求

按照規(guī)劃，未來(lái)大功率充電的最高充電電壓可能高達(dá)1 000 V，目前建設(shè)的充電設(shè)備均無(wú)法滿(mǎn)足其需求。

② 750 V充電設(shè)備為電動(dòng)乘用車(chē)充電時(shí)，功率損失較大

圖2為A公司的一款750 V/15 kW智能充電模塊輸出電壓/電流曲線(xiàn)，從圖2可以看出，其輸出電壓為 300～750 V，基本可以覆蓋電動(dòng)大巴和電動(dòng)乘用車(chē)的電壓范圍。其輸出電壓在625～750 V時(shí)，最大輸出功率可以達(dá)到 15 kW；當(dāng)其輸出電壓在550～625 V時(shí)，其最大輸出電流可以達(dá)到24 A，最大輸出功率隨著電壓降低線(xiàn)性減??；當(dāng)其輸出電壓低于 550 V，其最大輸出電流隨著電壓降低回縮，最大輸出功率隨著輸出電壓降低加速減小。當(dāng)其為電動(dòng)大巴充電時(shí)，其最大輸出功率接近15 kW，然而當(dāng)其為電動(dòng)乘用車(chē)充電時(shí)，其最大輸出功率不到7 kW(以E6為例，充電終止電壓為338 V左右)，其功率損失超過(guò)了50%。

圖2 某款充電模塊輸出電壓/電流曲線(xiàn)Fig.2 Output voltage-current curve of a charging module

③ 750 V充電設(shè)備為電動(dòng)乘用車(chē)充電時(shí)，轉(zhuǎn)換效率較低

圖3為A公司的750 V/15 kW智能充電模塊在不同輸出電壓下的效率曲線(xiàn)，從圖中可以看出，當(dāng)其為輸出電壓在600 V以上時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率基本可以保持在95%左右，當(dāng)其工作輸出電壓為300 V時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率大約降低了 5%，這將對(duì)運(yùn)營(yíng)商產(chǎn)生重大影響。

圖3 某款充電模塊在不同輸出電壓下的效率曲線(xiàn)Fig.3 Efficiency curve of a charging module with different output voltages

(4) 電動(dòng)汽車(chē)大小充電功率長(zhǎng)期共存，功率固化充電設(shè)備無(wú)法適應(yīng)其需要

電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展迅猛，車(chē)型眾多，不同車(chē)型充電功率差異較大，當(dāng)前一般從十幾千瓦到一百多千瓦不等，未來(lái)甚至?xí)霈F(xiàn)數(shù)百千瓦的大功率充電需求，功率固化的充電設(shè)備無(wú)法自動(dòng)匹配其所需的充電功率，要么因功率過(guò)小延長(zhǎng)充電時(shí)間，給用戶(hù)造成不便；要么因功率過(guò)大導(dǎo)致設(shè)備利用率低下。

2 集約式柔性公共充電模式

結(jié)合中國(guó)國(guó)情，要解決充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展過(guò)程中的上述問(wèn)題，只能走資源集約化發(fā)展道路，這需要在電動(dòng)汽車(chē)充電方面開(kāi)展創(chuàng)新研究，包括充電技術(shù)創(chuàng)新和充電模式創(chuàng)新。馬凱副總理2017年7月在北京調(diào)研新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)時(shí)也強(qiáng)調(diào)要抓好四個(gè)創(chuàng)新：“電池創(chuàng)新、充電創(chuàng)新、整車(chē)創(chuàng)新、機(jī)制創(chuàng)新”，指出充電創(chuàng)新要“瞄準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和大功率化，加快研發(fā)先進(jìn)充電技術(shù)。加強(qiáng)設(shè)施建設(shè)，創(chuàng)新商業(yè)模式?！?/p>

集約式柔性公共充電模式應(yīng)是一種社會(huì)資源高效利用、高度兼容、能夠適應(yīng)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的一種安全、高效的充電模式。

2.1 電動(dòng)汽車(chē)充電功率發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)展集約式柔性公共充電模式，首先應(yīng)該與電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)保持一致，其中對(duì)充電設(shè)施影響最大的兩個(gè)因素，分別是電動(dòng)汽車(chē)充電電壓平臺(tái)和電動(dòng)汽車(chē)最大允許充電電流。

推廣電動(dòng)汽車(chē)，在很大問(wèn)題上是要解決用戶(hù)的“里程焦慮”和“充電焦慮”兩大問(wèn)題。

(1) 電能能量密度發(fā)展趨勢(shì)

電池能量密度的提升有助于消除用戶(hù)的“里程焦慮”。目前，我國(guó)純電動(dòng)乘用車(chē)的動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量密度為150 Wh/kg左右。根據(jù)我國(guó)《汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》的目標(biāo)，到2020年，動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量密度將達(dá)到260 Wh/kg左右，到2025年，動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量密度將達(dá)到350 Wh/kg左右[14]。

根據(jù)上述規(guī)劃，預(yù)測(cè)2017年至2025年動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度的變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 動(dòng)力電池系統(tǒng)比能量密度與充電倍率變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend of specific energy density and charging rate of power battery system

電動(dòng)汽車(chē)充電電壓平臺(tái)的提升有利于提高車(chē)輛電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換效率，故其電壓存在著提升的需求，但車(chē)輛電壓平臺(tái)的改變對(duì)車(chē)輛影響較大，改動(dòng)周期一般較長(zhǎng)，但最終仍然會(huì)朝著更高的電壓發(fā)展，以減少單位里程的電耗。

而隨著電池密度的提升，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池儲(chǔ)電量達(dá)到 80～100 kWh，每百公里電耗控制在15 kWh以下，則電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程可以達(dá)到500公里以上，基本可以消除用戶(hù)的“里程焦慮”。目前國(guó)內(nèi)比亞迪 E6和騰勢(shì)等品牌的續(xù)航里程已經(jīng)達(dá)到400 km，國(guó)外整車(chē)制造商在 2020年前規(guī)劃的純電動(dòng)車(chē)型里程也在400～500 km，而部分國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)品牌(如特斯拉Model X，P100d)的續(xù)航里程已達(dá)到500 km 以上。

(2) 電池充電倍率發(fā)展趨勢(shì)

電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)站點(diǎn)密度和電池充電倍率的提升均有助于消除用戶(hù)的“充電焦慮”。

目前，電動(dòng)汽車(chē)的充電倍率接近2 C，基本30分鐘可充滿(mǎn)車(chē)輛80%的電量。功率型電池可以實(shí)現(xiàn)更高的充電倍率，但因其能量密度過(guò)低，并不適合安裝在乘用車(chē)上，故本文不做分析。根據(jù)調(diào)研國(guó)內(nèi)主流電池企業(yè)獲取的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2020年，純電動(dòng)汽車(chē)的充電倍率將達(dá)到5 C左右。此時(shí)充電至80%電量所需時(shí)間僅為10分鐘左右，充電5分鐘，續(xù)駛里程可增加近 200 km，基本與目前的加油時(shí)間相當(dāng)，充電等待時(shí)間用戶(hù)已完全可以接受。

預(yù)測(cè)2017年-2025年動(dòng)力電池系統(tǒng)充電倍率的變化趨勢(shì)如圖4所示。

(3) 電動(dòng)汽車(chē)充電功率發(fā)展趨勢(shì)

表1列出了2016年7款銷(xiāo)量較高的電動(dòng)汽車(chē)充電參數(shù)。

表1 幾款電動(dòng)汽車(chē)充電參數(shù)Table1 Examples of EV charging parameters

結(jié)合前面分析的動(dòng)力電池能量密度和充電倍率發(fā)展趨勢(shì)，推出電動(dòng)汽車(chē)平均充電功率發(fā)展趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 電動(dòng)汽車(chē)充電功率和平均充電功率變化趨勢(shì)圖Fig.5 Trend of EV charging power and average charging power

2.2 電動(dòng)汽車(chē)柔性充電堆

深圳奧特迅在 2014年底推出了一種全新的充電技術(shù)——電動(dòng)汽車(chē)矩陣式柔性充電堆，并通過(guò)了中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的新產(chǎn)品鑒定，鑒定結(jié)論是“整體技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，功率分配技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白”。電動(dòng)汽車(chē)矩陣式柔性充電堆的技術(shù)核心為“功率共享、按需分配”，其工作原理如圖6所示。

圖6 電動(dòng)汽車(chē)充電堆工作原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of operating principle for EV charging complex

電動(dòng)汽車(chē)充電堆本質(zhì)上是把充電堆內(nèi)部的功率模塊融合為一個(gè)“共享功率池”，充電堆所對(duì)應(yīng)的所有充電終端“共享”功率池內(nèi)的功率模塊，其工作原理如下：

電動(dòng)汽車(chē)將所需的充電需求通知給充電終端，充電終端根據(jù)需求向智能調(diào)度模塊申請(qǐng)所需功率，智能調(diào)度模塊根據(jù)“共享功率池”內(nèi)的可分配模塊數(shù)量調(diào)度給對(duì)應(yīng)的充電終端，充電終端控制、調(diào)節(jié)分配的充電模塊按電動(dòng)汽車(chē)需求的電壓、電流為其充電。由于“共享功率池”的存在，很好地適應(yīng)了電動(dòng)汽車(chē)大小功率長(zhǎng)期共存的現(xiàn)象，解決了充電設(shè)備無(wú)法自動(dòng)匹配功率的難題。

同時(shí)，由于充電堆將整站充電模塊整合在一起，可以很容易地實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)充電需求，故能很好地適應(yīng)充電技術(shù)未來(lái)大功率充電的發(fā)展方向。

要實(shí)現(xiàn)解決充電設(shè)備更寬的輸出電壓范圍、更高的恒功率區(qū)間比以及全范圍更高的轉(zhuǎn)換效率，必須在充電模塊的電路拓?fù)浞矫孢M(jìn)行創(chuàng)新。目前，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)在研究的多種兩級(jí)整流串并輸出控制方案，即通過(guò)變壓器兩個(gè)副邊繞組分別連接整流橋后，通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)控制，分別實(shí)現(xiàn)低壓區(qū)間的大電流輸出和高壓區(qū)間的高電壓輸出，且大幅提升充電模塊的輸出電壓范圍和恒功率區(qū)間占比，并能實(shí)現(xiàn)全電壓范圍的高轉(zhuǎn)換效率。

電動(dòng)汽車(chē)充電堆采用高度集成化設(shè)計(jì)和多重功率自動(dòng)分配策略，可以在充電準(zhǔn)備階段、充電過(guò)程中根據(jù)車(chē)輛需求動(dòng)態(tài)調(diào)整分配功率，也可根據(jù)配電變壓器實(shí)時(shí)功率對(duì)整站進(jìn)行必要的功率限制，并且可以將充電、配電、監(jiān)控設(shè)備集成在一個(gè)集裝箱內(nèi)，在廠(chǎng)內(nèi)即完成安裝調(diào)試，大幅縮短現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)周期和場(chǎng)地占用。

采用電動(dòng)汽車(chē)充電堆技術(shù)大幅提升了充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可規(guī)劃性，其高度安全、高度集中、高度兼容、高效轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，使得像建設(shè)加油站一樣建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展集約式柔性公共充電模式成為可能，1 000平方米的土地即可建設(shè)一座配電容量為1 600 kVA、裝機(jī)功率為2 160 kW的集約式柔性公共充電站，其能滿(mǎn)足近2 000輛社會(huì)乘用車(chē)的充電需求，同時(shí)可以很好地兼容大功率充電、充電弓等技術(shù)方案。圖7為集約式柔性公共充電站的典型布置圖。

圖7 集約式柔性公共充電站示意圖Fig.7 Schematic diagram of Intensive FlexiblePublic EV Charging Station

2.3 集約式柔性公共充電模式

將基于充電堆技術(shù)的集約式柔性公共充電站像加油站一樣建于城市的各個(gè)角落，形成規(guī)?；侠聿渴?，重構(gòu)城市空間及資源布局，有利于公共空間的節(jié)約與利用、規(guī)劃統(tǒng)一，既符合市民出行習(xí)慣又滿(mǎn)足市民的充電需求，使充電如加油一樣便利。為城市打造安全、便捷、低碳的公共充電網(wǎng)絡(luò)，使公共充電模式成為一種可能，對(duì)我國(guó)汽車(chē)由“加油”向“充電”轉(zhuǎn)型，將起到巨大的推動(dòng)作用。

發(fā)展集約式柔性公共充電模式，可：

1) 大幅節(jié)省城市公共資源；

2) 提升城市及電網(wǎng)安全；

3) 使公共充電模式成為可能；

4) 解決充電難問(wèn)題，推動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3 結(jié)論

電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展迫切需要公共領(lǐng)域充電設(shè)施的建設(shè)，以消除電動(dòng)車(chē)主“充電焦慮”的問(wèn)題。而基于充電堆技術(shù)的集約式柔性公共充電模式，有效地解決了電動(dòng)汽車(chē)差異化的充電需求，適應(yīng)了電動(dòng)汽車(chē)大功率充電的發(fā)展趨勢(shì)，能夠兼容充電槍、充電弓等多種方案，大規(guī)模推廣集約式柔性公共充電模式，有助于城市電網(wǎng)、場(chǎng)地等社會(huì)資源高效利用，并主推電動(dòng)汽車(chē)快速推廣。

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