新型電力系統(tǒng)中新能源電動汽車充電樁能效提升策略探究

何 林

(國網(wǎng)四川省電力公司 宜賓市敘州供電分公司,四川 宜賓 644002)

0 引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,新能源電動汽車因其在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢,正逐漸成為交通領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。作為新能源電動汽車的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,新能源電動汽車充電樁的能效對于整個電力系統(tǒng)的能耗和環(huán)境具有重要影響。目前,新能源電動汽車充電樁充電能效和便捷方面的瓶頸,成為眾多車主入手新能源電動汽車的顧慮,限制了新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文針對電力系統(tǒng)中新能源電動汽車充電樁的能效提升方法進(jìn)行深入研究,旨在揭示影響充電樁能效的因素,并提出提高能效的方法建議。

1 新能源電動汽車充電樁發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

隨著全球?qū)Νh(huán)保和能源轉(zhuǎn)型的重視,新能源電動汽車已成為交通領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。新能源電動汽車充電樁作為新能源電動汽車的基礎(chǔ)設(shè)施,對于推動新能源電動汽車的普及和應(yīng)用具有重要作用。工業(yè)和信息化部曾提出,到2025年實(shí)現(xiàn)車樁比2∶1,到2030年實(shí)現(xiàn)車樁比1∶1。然而,2023年1月,中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示:2022年新能源電動汽車持續(xù)爆發(fā)式增長,產(chǎn)銷分別達(dá)到705.8萬輛和688.7萬輛,同比增長96.9%和93.4%。其中,純電動汽車銷量為536.5萬輛,同比增長81.6%[1]。2022年,我國充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量達(dá)到520萬臺,同比增長近100%。其中,公共充電基礎(chǔ)設(shè)施增長約65萬臺,累計數(shù)量達(dá)到180萬臺;私人充電基礎(chǔ)設(shè)施增長約190萬臺,累計數(shù)量超過340萬臺[2]。從車樁比來看,截至2022年年底,我國的車樁比僅約為2.5∶1?？梢?我國的充電樁基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展還相對滯后,未來我國充電樁還將面臨很大的增長需求壓力。

隨著新能源電動汽車技術(shù)的日趨成熟,新能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展,我國對作為其配套的新能源電動汽車充電樁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也提出了新的要求。2023年6月19日,《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步構(gòu)建高質(zhì)量充電基礎(chǔ)設(shè)施體系的指導(dǎo)意見》發(fā)布。該意見提出,到 2030 年,基本建成覆蓋廣泛、規(guī)模適度、結(jié)構(gòu)合理、功能完善的高質(zhì)量充電基礎(chǔ)設(shè)施體系,有力支撐新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展,有效滿足人民群眾出行充電需求[3]。習(xí)近平總書記指出,能源保障和安全事關(guān)國計民生,是須臾不可忽視的“國之大者”[4]。面對新能源電動汽車和充電樁的快速崛起,國家電網(wǎng)公司作為對其提供電力保障的供電企業(yè)之一,在研究充電樁充電技術(shù)問題上迎難而上,鼓勵下屬單位技術(shù)專家重點(diǎn)投入新能源充電樁技術(shù)創(chuàng)新研究。因此,鑒于充電樁發(fā)展現(xiàn)狀、問題及環(huán)境趨勢,本文主要從電力系統(tǒng)中充電樁能效提升技術(shù)方面入手展開研究。

2 影響新能源電動汽車充電樁能效的因素分析

2.1 電力系統(tǒng)發(fā)展不均衡

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功率和頻率等條件都會影響充電樁的能效。在不穩(wěn)定或低質(zhì)量的電力系統(tǒng)環(huán)境下,充電樁可能需要更長的時間來為電池充電,并且降低充電效率。

目前,我國各地電力系統(tǒng)發(fā)展不均衡,沿海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和中西部經(jīng)濟(jì)相對落后地區(qū)的電力系統(tǒng)條件存在一定的差距,主要因?yàn)檠睾５冉?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和中西部經(jīng)濟(jì)相對落后地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同。沿海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)人口密集,用電需求量較大,因此,其電力系統(tǒng)建設(shè)投資規(guī)模較大,電力系統(tǒng)的設(shè)施條件相對較好,自動化程度和智能化水平較高,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動控制,供電可靠性也相對較好;而中西部經(jīng)濟(jì)相對落后地區(qū)人口稀少,用電需求量較小,因此,電力系統(tǒng)建設(shè)投資規(guī)模較小,電力系統(tǒng)的設(shè)施則相對較為落后,自動化程度和智能化水平也較低,難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動控制,供電可靠性也較差。此外,電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也會對充電樁的能效產(chǎn)生影響,如在電力需求高峰期,電力系統(tǒng)的負(fù)荷較大,電能質(zhì)量低,充電樁的能效也會相應(yīng)降低。因此,電力系統(tǒng)條件是影響充電樁能效的主要原因之一。

2.2 電池充電效率

電池的充電效率會直接影響充電樁的能效。目前,市面上最常用的新能源電動汽車電池是鋰離子電池[5]。理論上,100%的電池充電效率意味著每單位容量的電池可以完全充滿,而不會產(chǎn)生任何浪費(fèi)。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,由于鋰電池本身的質(zhì)量、充電設(shè)備的性能以及環(huán)境溫度等因素的影響,電池的充電效率往往達(dá)不到100%。此外,電池的種類和狀態(tài)也會影響充電效率。例如,一些電池可能需要更長的時間來充電,而其他電池則可能需要更短的充電時間。因此,電池充電效率也是影響充電樁能效的主要原因之一。

2.3 新能源充電樁設(shè)備性能

新能源充電樁設(shè)備的性能對新能源電動汽車充電能效有著直接的影響。高性能的新能源充電樁可以在更短的時間內(nèi)為電池充滿電,從而減少電能浪費(fèi)。此外,充電設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率也會影響充電樁的能效。然而,我國現(xiàn)行充電技術(shù)采用的是2015年發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)。這項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)核心基于2011年第一代直流充電技術(shù)體系,受限于當(dāng)時技術(shù)成熟度不足、應(yīng)用場景缺乏等因素,在安全性、互操作性、可擴(kuò)展性等方面存在問題,已不適用于當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要,難以滿足用戶高品質(zhì)充電需求,影響了電網(wǎng)安全運(yùn)行[6]。雖然各界充滿了對充電樁充電技術(shù)的研究,但發(fā)展方向依然不明確,尚未發(fā)布相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。因此,充電樁設(shè)備性能也是影響充電樁能效的主要原因之一。

2.4 充電方式

充電方式(如恒壓充電、恒流充電)的選擇也會影響充電樁的能效。恒流充電方式可以減少充電時間,提高充電效率;而恒壓充電方式則可以在保證電池安全的前提下,充分利用電池的容量。選擇合適的充電方式也是提高充電樁能效的關(guān)鍵,因此,筆者認(rèn)為充電方式也是影響充電樁能效的主要原因之一。

3 新能源電動汽車充電樁能效提升措施建議

3.1 新型電力系統(tǒng)改造

要想電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況滿足充電樁提升能源的條件,需要對充電樁接入的電力系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,構(gòu)建新型電力系統(tǒng),使其電壓和頻率、容量、安全性以及智能化水平等方面滿足新能源充電樁能效需求。

(1)如果電力系統(tǒng)頻率波動較大,將影響充電樁的性能和壽命。通過電力系統(tǒng)升級改造提高電力系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定性,確保電力系統(tǒng)頻率與充電樁的要求一致,以延長充電樁使用壽命和滿足電動汽車的充電需求。

(2)充電樁需要足夠的電力系統(tǒng)容量來支持其運(yùn)行。如果電力系統(tǒng)容量不足,充電樁的充電速度和效率可能會受到影響,同時也有可能對電力系統(tǒng)造成過載或不穩(wěn)定。通過電力系統(tǒng)升級改造提高電力系統(tǒng)的容量,以滿足充電樁不斷增長的容量需求。

(3)隨著新能源電動汽車的普及和充電樁的建設(shè),電力供應(yīng)的安全性、便捷性和高效性備受關(guān)注,這不僅對電力企業(yè)的電力供應(yīng)系統(tǒng)和設(shè)備提出了更高的要求,也加大了電力企業(yè)的供電壓力和負(fù)擔(dān)。通過電力系統(tǒng)升級改造提高電力系統(tǒng)的安全性,確保充電樁具備安全可靠的充電功能。

(4)充電樁的能效提升需要電力系統(tǒng)智能化技術(shù)的支持。通過電力系統(tǒng)升級改造提高智能化水平,采用智能化的策略和技術(shù)手段,如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等,可以實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整充電樁的運(yùn)行狀態(tài),優(yōu)化充電策略,以提高充電效率和充電質(zhì)量。

(5)充電樁的能效提升需要電力系統(tǒng)中儲能設(shè)備的接入。儲能設(shè)備可以在用電高峰期存儲電能,并在用電低谷期釋放電能,以平衡電力系統(tǒng)負(fù)荷和提高電力利用效率,通過優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式,在充電樁附近配置儲能設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的智能調(diào)度和優(yōu)化利用,提升充電樁的能效。

3.2 推廣智能新能源充電技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 自動調(diào)整控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

自動調(diào)整控制系統(tǒng)主要是基于電池特性曲線進(jìn)行電壓自動調(diào)節(jié),在充電過程中保持恰當(dāng)?shù)碾妷鹤兓?實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)電壓的智能控制系統(tǒng)。在充電過程中,電壓會隨著充電時間的推移逐漸達(dá)到最大值,并出現(xiàn)負(fù)增長,這是控制系統(tǒng)根據(jù)電池特性曲線所設(shè)定的充電策略導(dǎo)致的。充電樁自動調(diào)整可以確保在電池充滿之前,電壓變化的幅度逐漸減小,無論是在高溫或低溫環(huán)境下,還是在不同充電功率下,都能夠自動調(diào)整電壓變化率,以適應(yīng)不同條件下的電池充電需求。此外,充電樁自動調(diào)整控制系統(tǒng)還可以提供更準(zhǔn)確的電池充電狀態(tài)判斷,通過控制系統(tǒng)計算充電過程中電池電壓的變化率,可以實(shí)時監(jiān)測電池充電狀態(tài),并在電池充滿時及時停止充電,避免過度充電帶來的安全風(fēng)險。通過自動調(diào)整控制系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,以最大化充電效率和減少能量浪費(fèi)。

3.2.2 新能源無線充電技術(shù)的推廣應(yīng)用

新能源無線充電技術(shù)主要利用磁耦合原理,即在發(fā)射器和接收器之間形成的磁場來傳輸電能。目前主流的無線充電技術(shù)主要包括電磁感應(yīng)式和磁共振式兩種。其中,電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)利用變化的磁場產(chǎn)生電流,從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸;磁共振式無線充電技術(shù)則利用諧振原理,使發(fā)射器和接收器在相同的頻率上產(chǎn)生共振,從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸。通過無線充電技術(shù),用戶只需將電動汽車停放在無線充電區(qū)域,無須連接電纜即可實(shí)現(xiàn)充電,大大提高了充電的便利性和安全性。此外,無線充電技術(shù)的充電效率較高,一般情況下可達(dá)到有線充電的80%以上,同時避免了因電纜連接不當(dāng)導(dǎo)致的能源浪費(fèi)。通過無線充電技術(shù)的推廣應(yīng)用,可大大提高新能源電動汽車充電樁的安全性和能效效率。

3.3 優(yōu)化新能源充電樁自身能效控制

推廣應(yīng)用多階段充電技術(shù)以及PWM控制技術(shù)。通過采用多階段充電技術(shù)控制充電電流,將充電過程分為多個階段,以達(dá)到優(yōu)化充電效率和保護(hù)電池的目的。同時,通過采用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流的精確調(diào)節(jié),通過改變PWM信號的占空比,可以調(diào)整輸出電流或電壓的大小。多階段充電技術(shù)以及PWM控制技術(shù)等先進(jìn)的電力電子技術(shù)和控制策略,可實(shí)現(xiàn)對充電樁能效的優(yōu)化,提高充電樁的能效,同時降低設(shè)備運(yùn)行溫度,延長設(shè)備使用壽命。

3.4 新能源電動汽車充電樁典型案例分析驗(yàn)證實(shí)效

南瑞集團(tuán)是國家電網(wǎng)公司直屬科研產(chǎn)業(yè)單位。2021年8月22日,南瑞主導(dǎo)發(fā)起的IEC TS 62196-7電動汽車傳導(dǎo)式充電車輛適配器國際標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)成功,標(biāo)志著中國提出的ChaoJi充電技術(shù)邁入了國際標(biāo)準(zhǔn)制定與全球產(chǎn)業(yè)應(yīng)用新階段,對新能源汽車發(fā)展具有里程碑意義。

如今,在天津市武清區(qū)京滬高速泗村店服務(wù)區(qū)(北京方向)的ChaoJi充電站,新能源車主就可以體驗(yàn)到ChaoJi充電技術(shù)帶來的“超級快感”——充滿一輛60 kW·h新能源汽車僅需10分鐘,耗時僅為傳統(tǒng)充電樁的1/5,大大提升了充電樁的使用能效。2023年9月23日,杭州第19屆亞運(yùn)會開幕,在亞運(yùn)會停車場,杭州亞運(yùn)村首個無線充電樁投入運(yùn)用,相較傳統(tǒng)充電樁,無線充電站不用手動插拔充電槍,避免了觸電風(fēng)險;同時,減去了外漏接頭,即使在雷雨天也不用擔(dān)心充電樁漏電,提高了充電樁使用能效。

4 結(jié)語

本文研究了電力系統(tǒng)中新能源電動汽車充電樁的能效問題,通過對充電樁發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢、影響充電樁能效提升的因素分析,找到影響能效的主要原因,針對主要原因,研究分析對應(yīng)技術(shù)措施解決策略,并施與其他輔助措施,實(shí)現(xiàn)對充電樁能效的有效提升。最后,通過典型案例驗(yàn)證了本文提出的充電樁能效提升策略的有效性。然而,實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些目前無法解決的因素影響充電樁的能效,需要進(jìn)一步研究和探討,未來研究方向包括探索更為先進(jìn)的新能源技術(shù)和新能源替代。