新型直流充電樁應(yīng)用研究

鄔曉韜

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

我國(guó)環(huán)境污染的主要一個(gè)原因是汽車的尾氣排放。目前，中國(guó)許多城市，如石家莊、太原、上海、北京等地，已成為世界上污染最為嚴(yán)重的城市。到2016年為止，中國(guó)的汽車已經(jīng)達(dá)到了將近2億多輛。我國(guó)的石油儲(chǔ)備量?jī)H僅占全球的3%，但是石油的消耗率卻占到了世界的10%左右，出現(xiàn)了供不應(yīng)求現(xiàn)象。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，石油問(wèn)題已經(jīng)成為被廣泛關(guān)注的問(wèn)題。雖然目前所生產(chǎn)的燃油汽車給我們的日常生活提供了便利，但由此帶來(lái)的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題卻不容小覷。所以，針對(duì)目前我國(guó)的環(huán)境現(xiàn)狀，發(fā)展新能源汽車刻不容緩。

目前，電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要是大量的電池組構(gòu)成的整體。相比于之前一直使用的燃料汽車，電動(dòng)汽車的能量轉(zhuǎn)換效率更好，而且對(duì)環(huán)境所造成的污染是最低的。只有電動(dòng)汽車行業(yè)迅速得到拓展，我國(guó)的能源安全以及環(huán)境問(wèn)題才能夠得到有效保障，使得經(jīng)濟(jì)得到進(jìn)一步發(fā)展。大量應(yīng)用電動(dòng)汽車減少了對(duì)原本就供不應(yīng)求的石油的依賴，并且對(duì)我國(guó)的環(huán)境治理也起到了一定的作用，電動(dòng)汽車的發(fā)展對(duì)于新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大意義。截至2016年底，我國(guó)的電動(dòng)汽車被大量應(yīng)用，是我國(guó)電動(dòng)汽車的上漲期，相比于上一年增長(zhǎng)60%左右。相對(duì)而言，電動(dòng)汽車的充電設(shè)備發(fā)展比較緩慢，這一現(xiàn)象對(duì)于電動(dòng)汽車的發(fā)展而言是極大的絆腳石，因此，發(fā)展電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施刻不容緩。目前，我國(guó)電動(dòng)汽車的充電方式有兩種：

第一種充電方式是直流充電，被稱為“快充”。一般直流充電樁是對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行直接充電，充電速度快，但是電動(dòng)汽車的電池使用時(shí)長(zhǎng)會(huì)受到限制，一般我國(guó)將直流充電樁建立在大型的充電站之中；第二種充電方式是交流充電，交流充電的模式一般被稱為“慢充”。交流充電樁采用這種方式給電動(dòng)汽車充電器充電，它不提供任何電源輸出，只是作為一個(gè)控制開關(guān)。這種充電方式速度慢，而且對(duì)于特殊情況下想要充電的模式有一定的阻礙，但是電池組的使用時(shí)長(zhǎng)受到了一定的保護(hù)，一般交流充電樁被應(yīng)用于超市或者商城等大眾領(lǐng)域，更換電池比較方便，使用起來(lái)比較便利。該種方法盡管所花費(fèi)的成本比較低，比較方便，但是更換電池比較麻煩，需要在指定的地方才能夠更換，并且只能更換特定型號(hào)車的電池，因此對(duì)于人們而言，不是特別的方便。目前，在國(guó)內(nèi)充電樁行業(yè)，絕大多數(shù)充電樁產(chǎn)品依靠國(guó)家電網(wǎng)供電網(wǎng)作為充電電源，屬于單電源型。針對(duì)這種汽車充電的產(chǎn)品，還缺少不同電源之間能夠自動(dòng)切換的新型光伏充電樁。所以，在對(duì)于上述問(wèn)題的解決基礎(chǔ)之上，本項(xiàng)目將開發(fā)一種通用充電樁，可以跟上光伏能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐，使其得到更廣泛的應(yīng)用。因此，我們需要設(shè)計(jì)一種充電速度比較快，并且方便人們使用的新型直流充電樁，方便人類出行，減少環(huán)境污染，使其具有較大的科學(xué)實(shí)用性。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究發(fā)展情況

2009年至2013年，美國(guó)政府相繼頒布相關(guān)政策，提出了需要對(duì)電動(dòng)汽車的充電設(shè)備進(jìn)行迅速的發(fā)展與應(yīng)用。政策頒布之后，五六年間，美國(guó)的充電樁數(shù)量已經(jīng)達(dá)到31674個(gè)。為了方便用戶查詢周邊充電樁的編號(hào)、位置等詳細(xì)信息，美國(guó)的企業(yè)以及充電設(shè)備的運(yùn)營(yíng)商為用戶提供了以智能終端以及網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的多種應(yīng)用；日本特別注重對(duì)于新能源這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用。2015年，日本的公共充電樁已經(jīng)高達(dá)2萬(wàn)多個(gè)，其中以交流充電樁為主，以直流充電樁為輔。日本將直流的充電樁大多放置在商城等公共場(chǎng)合，將交流的充電樁大多放置于停車場(chǎng)或者汽車零銷店內(nèi)；為了使電動(dòng)汽車迅速進(jìn)入市場(chǎng)，德國(guó)也出臺(tái)了一項(xiàng)政策，宣布到2050年電動(dòng)汽車將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用。德國(guó)鼓勵(lì)電動(dòng)汽車的充電裝置廣泛應(yīng)用，并且為了推動(dòng)電動(dòng)汽車的應(yīng)用與發(fā)展，德國(guó)政府投資3億歐元用于建造基礎(chǔ)的充電設(shè)施。

1.2 國(guó)內(nèi)研究發(fā)展情況

在“十五”以及“十一五”這段時(shí)間里，中國(guó)曾經(jīng)推出了很多種計(jì)劃推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展，大約投入了近20億元。2008年，第一臺(tái)電動(dòng)汽車問(wèn)世。同年，中國(guó)在北京奧運(yùn)會(huì)建成了第一個(gè)充電樁。第二年，深圳已經(jīng)將充電樁及充電站投入使用當(dāng)中。一年后，南湖地區(qū)一個(gè)巨大的充電站被正式投入使用。到了2012年，我國(guó)也對(duì)相關(guān)電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了政策方面的支持、對(duì)其中涉及的系列問(wèn)題出臺(tái)了相關(guān)政策。這為我國(guó)電動(dòng)汽車巨大規(guī)模的應(yīng)用提供了重要支持。2014年，國(guó)家電網(wǎng)在全國(guó)建設(shè)了5000多個(gè)充電樁以及200多個(gè)大型的充電樁。數(shù)據(jù)表明，到2015年底，我國(guó)的充電站已經(jīng)將近4000個(gè)，公共的充電樁約5萬(wàn)個(gè)。2016年初，我國(guó)“十三五”政策提出，在后面4年中，我國(guó)財(cái)政部門將會(huì)對(duì)于充電的基礎(chǔ)設(shè)施以及管理應(yīng)用等方面進(jìn)行資金的獎(jiǎng)勵(lì)和補(bǔ)助，短短幾個(gè)月時(shí)間，我國(guó)的充電樁數(shù)目就高達(dá)近20萬(wàn)個(gè)。

截至目前，交流的充電樁在已經(jīng)建成的充電設(shè)備之中占領(lǐng)著主要的地位。但是到2016年，中國(guó)國(guó)際迅速充電站點(diǎn)在高速公路上服務(wù)的公里數(shù)還不到2公里，而且地區(qū)的分布極度不平衡，并不能滿足所有司機(jī)的要求。關(guān)于對(duì)直流交流方面的構(gòu)建不僅僅與我國(guó)的政策有關(guān)，可能與我國(guó)制定的相關(guān)政策比較晚也有相關(guān)的原因。因此，我國(guó)建設(shè)能夠迅速充電的直流充電樁有巨大的意義。

2 充電樁充電的原理

交流充電，即“慢充”，在對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)，其充電樁僅僅只作為其控制的開關(guān)，并不對(duì)電源的輸出與輸入提供任何功能。直流充電，即“快充”，可以直接對(duì)電動(dòng)汽車的充電組進(jìn)行充電，是一種非車載的充電方式，其輸出的電流是可以調(diào)節(jié)的電流。而且電動(dòng)汽車的直流充電樁需要滿足國(guó)標(biāo)。一般而言，車載的充電機(jī)功率比較小，并且直流充電樁可以對(duì)外部輸出比較大的電流和電壓。所以，直流充電樁對(duì)電動(dòng)汽車可以進(jìn)行迅速的充電。

3 直流充電樁建設(shè)的現(xiàn)狀

3.1 建設(shè)的充電樁不夠現(xiàn)代化

由于需要對(duì)我國(guó)大概500萬(wàn)輛的電動(dòng)汽車進(jìn)行維護(hù)并提供便利，因此根據(jù)各部門共同發(fā)布的《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015-2020）》要求，截至2020年需要建成500多萬(wàn)個(gè)分布式充電樁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2018年底，我國(guó)的充電樁數(shù)量達(dá)70多萬(wàn)個(gè)，由于充電樁數(shù)目比較少，因此對(duì)于電動(dòng)汽車的發(fā)展帶來(lái)了一定的限制作用。而且大眾的充電需求沒(méi)有辦法得到滿足，這在很大程度上束縛了大眾使用新能源電動(dòng)汽車的需求，從而在電動(dòng)車領(lǐng)域我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也受到了限制。

3.2 充電設(shè)備利用率不高

由于其充電時(shí)間比較長(zhǎng)，會(huì)引起不便利的情況。加之其位置不太明確，因此充電不太方便，還有些情況是燃油車輛占據(jù)了電動(dòng)汽車的位置，導(dǎo)致其資源的耗費(fèi)，并且在車位上充電還會(huì)給用戶增加費(fèi)用成本。還有些比較偏僻的村莊其高速路服務(wù)區(qū)充電設(shè)施的利用率并沒(méi)有得到改善。盡管有些地區(qū)出現(xiàn)了充電樁數(shù)量增加的情況，但卻忽視了充電樁的高效利用。

3.3 商業(yè)模式需要?jiǎng)?chuàng)新

新能源汽車的收費(fèi)服務(wù)市場(chǎng)商業(yè)模式正逐步從傳統(tǒng)模式向多元化模式轉(zhuǎn)變。充電設(shè)施建成后的安全保護(hù)是一筆昂貴的費(fèi)用。所以，我國(guó)非常有必要提高充電樁的服務(wù)水平以及管理水平，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)有的保護(hù)，減少設(shè)備之中投資者與運(yùn)營(yíng)商之間的投資回報(bào)時(shí)間，減少投資風(fēng)險(xiǎn)。

4 直流充電樁的技術(shù)分析

4.1 均衡充電技術(shù)

一般電動(dòng)汽車的電池組均是由幾個(gè)單體的電池所構(gòu)成。直流的充電系統(tǒng)在充電過(guò)程中，電池不會(huì)充滿電。實(shí)際研究表明，單體電池使用后的容量變化曲線可以得出如下結(jié)論：隨著使用年限的增加，電池組所剩余的體積容量更小，使用的性能也會(huì)降低，因此為了預(yù)防不平衡的現(xiàn)象發(fā)生，需要在使用電池組充電時(shí)注意均衡性，從而使得電池的使用時(shí)間更長(zhǎng)。一般的均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有三種：集中均衡、獨(dú)立均衡和分布均衡。分布式雙向均衡系統(tǒng)，集中與獨(dú)立相結(jié)合，會(huì)改進(jìn)傳統(tǒng)變頻器的均衡方式，提高自動(dòng)化程度，使均衡的應(yīng)用更加高效、靈活、方便，并且系統(tǒng)可以根據(jù)單個(gè)電池的數(shù)量來(lái)確定均衡執(zhí)行單元的個(gè)數(shù)，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。其中很多技術(shù)對(duì)于充電樁的使用具有保護(hù)作用，比如無(wú)線充電技術(shù)以及對(duì)于電池進(jìn)行更換的技術(shù)等。其可以對(duì)電池的充電進(jìn)行保護(hù)，并且實(shí)現(xiàn)了一定的便利作用，使得其應(yīng)用前景更加廣泛。

4.2 雙向充電技術(shù)

一般情況下，雙向的充電技術(shù)對(duì)于汽車的蓄電池或者電網(wǎng)間互相傳輸有一定的作用。使用雙向的變換器就可以在短時(shí)間之內(nèi)將瞬時(shí)功率較快地吸收到比較大的容器之中，而且能夠在負(fù)載需要的瞬時(shí)功率之中，將瞬時(shí)功率提供給負(fù)載，從而降低對(duì)于電網(wǎng)的影響。截至目前，雙向變換器的主要研究有兩個(gè)重點(diǎn)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)、控制策略的研究。

4.3 無(wú)線充電技術(shù)

無(wú)線充電技術(shù)主要是采用電磁場(chǎng)作為中間媒介從而達(dá)到電能之間互相傳輸?shù)?，提高汽車?duì)于電池的充電效率。相比于電動(dòng)汽車的有線充電，無(wú)線充電比較方便，而且操作簡(jiǎn)單，危險(xiǎn)系數(shù)低，但是其存在的缺點(diǎn)是成本比較高，并且無(wú)線充電對(duì)于環(huán)境會(huì)造成一定的污染。

東南大學(xué)開發(fā)的電磁耦合共振技術(shù)可以縮短無(wú)線傳輸距離，這也是國(guó)內(nèi)唯一能實(shí)現(xiàn)0.5m以上千瓦級(jí)無(wú)線電功率傳輸?shù)难芯砍晒?/p>

4.4 電池性能

電池的使用時(shí)長(zhǎng)是我們一直關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。其中電池分為能量互相轉(zhuǎn)換的電池和儲(chǔ)存的電池。為了在電池的技術(shù)及材料方面取得一定的突破，提升電池的密度以及進(jìn)行迅速充電是極為重要的手段之一。

4.5 5G技術(shù)

由于社會(huì)以及通信領(lǐng)域的快速發(fā)展，5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，提供充電服務(wù)的服務(wù)區(qū)利用大量先進(jìn)技術(shù)如5G技術(shù)，使該行業(yè)得到極大的發(fā)展。

5 相關(guān)政策及采取措施

相關(guān)部門對(duì)于新能源汽車的財(cái)政方面進(jìn)行了進(jìn)一步的改變，將在一定的條件下，減少對(duì)其投資與補(bǔ)貼。到2020年，購(gòu)買補(bǔ)貼將全部收回，用于支持充電設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。補(bǔ)貼將從購(gòu)車端轉(zhuǎn)移到用戶端，加強(qiáng)對(duì)消費(fèi)者使用的政策支持。一是為了使充電設(shè)備有秩序安放，并且有一定的管理規(guī)范。對(duì)于商場(chǎng)、停車場(chǎng)等地方需要按照相關(guān)的人流量及車流量建設(shè)充電樁，并且積極發(fā)動(dòng)物業(yè)公司在小區(qū)安裝充電設(shè)備，對(duì)于充電設(shè)備的購(gòu)置安裝提供一定的補(bǔ)助。樁基施工完成后，經(jīng)有關(guān)部門驗(yàn)收合格，對(duì)符合條件的給予補(bǔ)助。二是鼓勵(lì)新能源汽車充電設(shè)施服務(wù)經(jīng)營(yíng)者積極投入使用充電樁。財(cái)政根據(jù)其年度經(jīng)營(yíng)能力，根據(jù)實(shí)際收費(fèi)情況給予適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)和補(bǔ)貼，降低服務(wù)經(jīng)營(yíng)者的實(shí)際經(jīng)營(yíng)成本。三是出臺(tái)收費(fèi)價(jià)格政策，有針對(duì)性地調(diào)整服務(wù)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，按照政府提供的價(jià)格收取費(fèi)用，禁止亂收費(fèi)的現(xiàn)象發(fā)生，并且對(duì)收費(fèi)設(shè)置最高上限，制定嚴(yán)格的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。堅(jiān)持保護(hù)環(huán)境的理念，培養(yǎng)建設(shè)充電樁的思想，并積極投身到該事業(yè)中去。依靠智能化電網(wǎng)，可以對(duì)電動(dòng)汽車以及電網(wǎng)之間實(shí)行雙向的用電轉(zhuǎn)換，降低電動(dòng)汽車充電給電網(wǎng)帶來(lái)的壓力和波動(dòng)。電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能設(shè)備，按照分時(shí)電價(jià)向電網(wǎng)供電，獲取相關(guān)成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，國(guó)家政策的進(jìn)一步出臺(tái)，為了形成環(huán)境保護(hù)、綠色環(huán)保的安全意識(shí)，需要在城市建設(shè)電動(dòng)汽車充電樁。綠色環(huán)保的充電樁建設(shè)節(jié)省了人工的成本問(wèn)題，還大大減輕了資源壓力。本文分析介紹了直流、交流充電樁的原理，并且對(duì)于其總體方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并將直流充電樁嵌入式控制系統(tǒng)分為三個(gè)系統(tǒng)，將各系統(tǒng)的具體功能進(jìn)行了展開分析與討論。目前，沒(méi)有針對(duì)城市的專用電源，對(duì)于汽車的充電問(wèn)題，還缺少對(duì)于不同電源之間如何進(jìn)行自由切換的研究。所以，在上述問(wèn)題的基礎(chǔ)之上，本文將通過(guò)對(duì)于充電樁的原理應(yīng)用，將其廣泛地進(jìn)行推廣。在未來(lái)，充電樁將與智能化的各個(gè)設(shè)備相互聯(lián)系，息息相關(guān)，智能化的電動(dòng)汽車充電站將會(huì)迎來(lái)高清潔、低成本、低耗費(fèi)的信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代?；诖耍瑢?huì)吸引一大批消費(fèi)者投資者前來(lái)使用，從而提高充電樁的使用率以及促進(jìn)其迅速發(fā)展，并且使得新能源電動(dòng)汽車得到廣泛的應(yīng)用。