電動汽車充電站布局規(guī)劃淺析

1、 第37卷第10期2009年10 月Vol . 37No . 10Oct . 2009電動汽車充電站布局規(guī)劃淺析徐凡, 俞國勤, 顧臨峰, 張華1231(1. 上海久隆電力科技有限公司, 上海200070; 2. 上海電力公司, 上海3. 上海市電力公司滬南供電分公司, 摘要:, , 提出了發(fā)展電動汽車對充電技術(shù)的要求, , 并對其布局規(guī)劃提出了原則性建議。關(guān)鍵詞:電動汽車; ; 作者簡介:徐凡2 , , 從事電力企業(yè)科技研究與管理工作。中圖分類號:T :B 文章編號:100129529(2009 1021678205Ten t a ti ve ana lysis of l ayout of

2、electr i ca l veh i cle charg i n g st a ti on sXU Fan , YU Guo 2qin , G U L in 2feng , ZHAN G Hua1231(1. Shanghai J iul ong Electric Power Science &Technol ogy Co . , L td . , Shanghai 200070, China;2. ShanghaiMunici pal Electric Power Company, Shanghai 200025, China; 3. Hunan Power Supp ly Com

3、pany, S MEPC, Shanghai 200030, China Abstract:The charging stati on is considered as the i m portant infrastructure for electrical vehicle devel opment . The charging de mand of the electrical vehicle was analyzed, and require ments of charging technol ogy were p r oposed . Fac 2t ors influencing la

4、yout of electrical vehicle charging stati ons were investigated, and suggesti ons on general p rinci p les of the layout were put for ward .Key words:electrical vehicle; charging stati on; layout and p lanning建設(shè)電動汽車充電站是電動汽車產(chǎn)業(yè)推廣的前提和基石, 在拓展電力市場需求的同時, 完善高效的能源供給網(wǎng)絡(luò)是電動汽車廣泛應(yīng)用的必要條件之一。電動汽車的充電系統(tǒng)是發(fā)展電動汽車的重要基礎(chǔ)支撐

5、系統(tǒng), 也是電動汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。充電站的建設(shè)需要根據(jù)電動汽車的充電需求, 結(jié)合電動汽車充電模式進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)劃和設(shè)計。料電池汽車以及能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模示范。2007年6月, 國家電網(wǎng)公司在國家電網(wǎng)公司“十一五”節(jié)能減排綜合性工作方案中就規(guī)劃在北京、上海等試點省市開展公交車、出租車、工程搶險車、垃圾清運車等電動化改造、試點運營和建設(shè)充電站等工作。預(yù)計到“十一五”末, 國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)電動公交車運行將達(dá)到420條線路、4200輛車, 電動出租車達(dá)到535輛。國家電網(wǎng)籌建的首批“示范”電動汽車充電站, 服務(wù)對象不僅僅是純電動公交車, 還包括未來商業(yè)化前景更大的純電動轎車

6、。一旦國家電網(wǎng)公司正式啟動電動汽車充電站全國網(wǎng)絡(luò)的建設(shè), 勢必會極大地推動我國電動汽車行業(yè)的發(fā)展。目前, 我國有不少城市和地區(qū)已經(jīng)開始電動汽車充電站建設(shè), 但還沒有形成一套成熟的布局規(guī)劃體系, 更沒有形成充電站的規(guī)模建設(shè)。隨著電動汽車的不斷發(fā)展進(jìn)步, 充電站的規(guī)劃和建設(shè)將步入規(guī)?；?、網(wǎng)絡(luò)化時代, 進(jìn)行充電站布局研究1我國充電站建設(shè)現(xiàn)狀2007年12月14日, 國家發(fā)改委新修訂的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2007年本 , 在原有鼓勵建設(shè)燃?xì)馄嚰託庹竟こ痰幕A(chǔ)上, 首次提出鼓勵建設(shè)新能源汽車充電站工程, 為電動汽車產(chǎn)業(yè)化提供了現(xiàn)實依據(jù)。在2008年8月初“首屆綠色能源汽車發(fā)展高峰論壇”上, 科技部計

7、劃通過連續(xù)3年, 在國內(nèi)10個以上有條件的大城市, 進(jìn)行千輛新能源汽車的試驗, 開展千輛級混合動力汽車、純電動汽車和燃 徐凡, 等電動汽車充電站布局規(guī)劃淺析1679迫在眉睫。2影響電動汽車充電站布局的因素2. 1電動汽車充電量的總體需求電動汽車充電量的總體需求是影響充電站布局的關(guān)鍵因素。只有充電量達(dá)到一定規(guī)模之后,充電站才可能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)地大規(guī)模布點。電動汽車充電量與電動汽車保有量及車輛的日均行駛里程、單位里程能耗水平等相關(guān)。以上海市為例, 預(yù)測, 到2020達(dá)到73. 7億k W h, 。2. 2在不同的運行模式下, 電動汽車對其續(xù)駛能力和充電時間要求也不同, 從而影響著充電的方式和電能的消耗,

8、 充電站建設(shè)方式和功率需求也將受到直接影響。根據(jù)不同的用戶類型, 電動汽車可以分為以下幾類:(1 示范區(qū)用車。如果為示范運行配備的車輛數(shù)有限, 則為了提高車輛運營效率, 建議采用更換電池組的方式, 但是這就需要增加電池組的投資; 如果配備的車輛能夠滿足運營要求, 建議采用整車充電方式, 這樣就可以降低電池組的投資, 減少電池更換操作造成的工作量。鑒于示范區(qū)用車數(shù)量少, 運行范圍相對集中, 可以在示范區(qū)內(nèi)建立集中的大型充電站(電池更換點 , 實現(xiàn)規(guī)?；\作。(2 集團(tuán)車隊。建議采用整車充電方式。這類電池的容量較小, 充電時間不會太長, 電池的成本較低, 補(bǔ)充電能的方式只要方便使用者即可。對于充電

9、站而言, 車輛進(jìn)入充電站的運行機(jī)制也會影響著充電站功率需求。車輛進(jìn)入充電隊列時間越集中, , 充電站功率需求將越大。, 最大限, 而電網(wǎng)公司則可借此調(diào)節(jié)電網(wǎng)。2. 3電動汽車能源供給方式對于能源供給方式的選擇, 現(xiàn)今普遍存在整車充電系統(tǒng)(包括常規(guī)充電、快速充電兩種模式 和地面充電系統(tǒng)兩種模式。(1 整車充電系統(tǒng):常規(guī)充電蓄電池在放電終止后, 應(yīng)立即充電(在特殊情況下也不應(yīng)超過24h , 充電電流相當(dāng)?shù)? 大小約為15A, 這種充電方式稱為常規(guī)充電(普通充電 。常規(guī)蓄電池的充電方法都采用小電流的恒壓或恒流充電, 一般充電時間為58h, 甚至長達(dá)10至20多h 。常規(guī)充電模式的優(yōu)點為:1 盡管充電

10、時間較長, 但所用功率和電流的額定值并不關(guān)鍵, 因此充電器和安裝成本比較低;2 可充分利用電力低谷時段進(jìn)行充電, 降低充電成本;3 可提高充電效率和延長電池的使用壽命。常規(guī)充電模式的主要缺點為充電時間過長, 當(dāng)車輛有緊急運行需求時難以滿足。(2 整車充電系統(tǒng):快速充電常規(guī)蓄電池的充電方法一般時間較長, 給實際使用帶來許多不便。為了縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時間, 同時, 盡量降低蓄電池正負(fù)極板的極化, 以提高蓄電池使用效率, 國內(nèi)外一直都在不斷地研究和開發(fā)快速充電方法和技術(shù)?？焖俪潆婋姵氐某霈F(xiàn), 為純電動汽車的商業(yè)化提供了技術(shù)支持?？焖俪潆娪址Q應(yīng)急充電, 是以較大電流短時間在電動汽車停車的20m

11、 in 2h, 為其提供短時充電服務(wù), 一般充電電流為150400A ?？焖俪潆娔Ｊ降膬?yōu)點為:1 充電時間短;2 充電電池壽命長(可充電2000次以上 ; 3 沒有記憶性, 可以大容量充電及放電, 在是由于他們的行駛里程和路徑可預(yù)估, 可充分利用夜間停運時段進(jìn)行充電, 滿足下一次的行駛里程需要。集團(tuán)車隊一般可充分利用集團(tuán)的固定停車場建立充電站, 主要利用夜間谷電充電。(3 社會車輛。根據(jù)車輛運營的目的采取適合的方式。比如, 出租車和載客大巴車, 需要及時快速補(bǔ)充電能, 盡量增加運營時間, 獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益, 建議在始發(fā)站點建立專用充電站或電池更換點, 提高運營效率; 用于上下班的私家車, 停

12、放時間和位置相對確定, 可充分利用?？康臅r間進(jìn)行充電, 因此, 可以依托停車場所, 建立簡易充電設(shè)施提供充電服務(wù), 這樣, 不用興建大規(guī)模的集中充電站, 可以大大降低成本。(4 微型車輛。根據(jù)個體實際情況決定采用整車充電方式或電池組更換方式的充電方式。這 16802009, 37(10幾分鐘內(nèi)就可充電至70%80%;4 由于充電在短時間內(nèi)(約為1015m in 就能使電池儲電量達(dá)到80%90%, 與加油時間相仿, 因此, 建設(shè)相應(yīng)充電站時可不配備大面積停車場。但是, 相對常規(guī)充電模式, 快速充電也存在一定的缺點:1 充電器充電效率較低, 且相應(yīng)的工作和安裝成本較高;2 由于采用快速充電, ,

13、求, 。(3 又稱機(jī)械充電, 通過電池租賃方式, 直接更換電動汽車的電池組。蓄電池更換站為續(xù)駛里程長而又沒能及時充電的客戶提供更換蓄電池的服務(wù), 對卸載下的電池采用地面充電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充充電。這種模式下, 備用電池組存儲空間及如何真正實現(xiàn)電池快速更換是問題考慮的關(guān)鍵。由于電池組重量較大, 更換電池的專業(yè)化要求較強(qiáng), 更換站需配備專業(yè)人員借助專業(yè)機(jī)械來快速完成電池的更換、充電和維護(hù)。采用這種模式, 具有如下優(yōu)點:1 電動汽車用戶可租用充滿電的蓄電池, 更換已經(jīng)耗盡的蓄電池, 有利于提高車輛使用效率, 也提高了用戶使用的方便性和快捷性;2 對更換下來的蓄電池可以利用低谷時段進(jìn)行充電, 降低了充電成本

14、, 提高了車輛運行經(jīng)濟(jì)性;3 從另一個方面看, 解決了充電時間乃至蓄存電荷量、電池質(zhì)量、續(xù)駛里程長及價格等難題;4 由于電池的更換、充電和維護(hù)工作由專業(yè)人員完成, 可以及時發(fā)現(xiàn)電池組中單電池的問題, 進(jìn)行維修工作, 對于電池的維護(hù)工作將具有積極意義, 電池組放電深度的降低也將有利于提高電池的壽命。這種模式面臨的最大障礙不是技術(shù)上的, 而是管理上的, 要解決的幾個主要問題是:電池與電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)化; 電動汽車的設(shè)計改進(jìn)、充電站的建設(shè)和管理, 以及電池的流通管理等。以上3種充電模式各有自身的特點和適用范圍。在實際應(yīng)用中, 可以將上述三種方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合, 以達(dá)到每天的行駛要求, 即設(shè)計車輛續(xù)駛里程

15、適中, 滿足車輛技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和運營的需要。在實際的運行中, 以一定的實際放電深度為基準(zhǔn), 能滿足下一個往返需求的, 則繼續(xù)行駛; 電池容量不能滿足要求而時間允許的, 可進(jìn)行快速充電; 時間緊的, 可進(jìn)行電池快速更換。但這種綜合運行方, 必, 對于運營的。動力電池特性不同種類動力電池具有不同的充電特性, 最佳充電率在0. 22. 0C 之間。電池系統(tǒng)額定電壓相同的情況下, 最高充電電壓由于電池種類、結(jié)構(gòu)型式上的區(qū)別也體現(xiàn)出一定的差別。充電電流越大、充電電壓越高, 單車充電功率需求越大, 導(dǎo)致充電站容量需求越大。對于不同種類的電池, 充電方法及充電控制策略也不同。應(yīng)根據(jù)其電池特性不同采用不同的充電方

16、法, 如恒流法、恒壓法、恒流限壓法及特定曲線法等。電池組充電控制的策略, 無論側(cè)重于電池安全, 還是保證最佳續(xù)駛里程, 或是兩者間折中, 確定的充電參數(shù)都存在一定差異。2. 5充電時間不同運行模式的電動汽車對充電時間提出了不同的要求, 而充電時間的不同需要不同的充電方式來滿足。在對充電時間要求不高的情況下, 可在停運時間利用電力低谷進(jìn)行常規(guī)充電, 延長車輛的續(xù)駛里程, 如夜間停止運行的公交車輛、公務(wù)車、特種車輛或社會車輛等; 在充電時間較為緊迫的情況下, 需要采用快速充電或電池組快速更換及時實現(xiàn)電能補(bǔ)充, 如出租車和在線路上運行的公務(wù)車或社會車輛等。2. 6充電場所及其他環(huán)境條件動力電池充放電

17、工作效率受充電場所及環(huán)境條件的影響, 尤其是受環(huán)境溫度的影響。在常溫下, 電池充電接受能力較強(qiáng), 隨著環(huán)境溫度的降低, 其充電接受能力逐漸降低。低溫時電池放電效率降低, 在同樣的運行機(jī)制和行駛里程下, 車輛能耗高、電池放電深度大。同樣, 在低溫下動力電池充電效率也降低。因此, 隨環(huán)境溫度降低, 充電站功率需求將增加。建設(shè)充電站時應(yīng)盡可能保證其環(huán)境溫度有利于電池充電要求。2. 7充電技術(shù)發(fā)展對充電站的要求 徐凡, 等電動汽車充電站布局規(guī)劃淺析1681(1 充電快速化在目前動力電池不能直接提供更多續(xù)駛里程的情況下, 如果能夠?qū)崿F(xiàn)電池充電快速化, 從某種意義上也就解決了電動汽車?yán)m(xù)駛里程短這個致命弱點

18、。對電動車用動力蓄電池的充電快速化要求不同于對常規(guī)蓄電池的要求, 它應(yīng)具有充電時間短、充電效率高以及對蓄電池使用壽命影響小的特點。(2 充電通用性在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi), 、鎳氫類電池, 。此外, 即使是同一類型的電池, 也存在不同的電壓等級。公共場所的充電裝置必須具有適應(yīng)多種類型蓄電池系統(tǒng)和適應(yīng)各種電壓等級的能力, 即充電系統(tǒng)需要具有充電廣泛性, 具備多種類型蓄電池的充電控制算法, 可與各類電動汽車上的不同蓄電池系統(tǒng)實現(xiàn)充電特性匹配, 能夠針對不同的電池進(jìn)行充電。在電動汽車商業(yè)化的早期, 就應(yīng)該制定相關(guān)政策措施, 規(guī)范公共場所用充電裝置與電動汽車的充電接口、充電規(guī)范和接口協(xié)議等。(3 充電

19、智能化制約電動汽車發(fā)展及普及的最關(guān)鍵問題之一是儲能電池的性能和應(yīng)用水平。與電動車身、驅(qū)動電機(jī)、控制技術(shù)等方面的發(fā)展相比, 電池的充、放電技術(shù)仍很落后, 需要在優(yōu)化現(xiàn)有電池智能化充電方法和開發(fā)新型高性能電池等方面努力。優(yōu)化電池智能化充電方法的目標(biāo)是要實現(xiàn)無損電池的充電, 監(jiān)控電池的放電狀態(tài), 避免過放電現(xiàn)象, 從而達(dá)到延長電池的使用壽命和節(jié)能的目的。同時, 對電池進(jìn)行實時的或定期自動檢測、診斷和維護(hù), 最大限度的保證電池的可靠運行。(4 電能轉(zhuǎn)換高效化提高充電裝置的電能轉(zhuǎn)換效率, 采用高效充電裝置對降低電動汽車運行能耗具有重要意義。不同類型充電裝置機(jī)的電能轉(zhuǎn)換效率存在巨大差別。對于充電站, 從電

20、能轉(zhuǎn)換效率和建造成本上考慮, 應(yīng)優(yōu)先選擇具有電能轉(zhuǎn)換效率高, 建造成本低等諸多優(yōu)點的充電裝置, 如集中隔離型充電裝置等。(5 充電集成化目前電動汽車充電系統(tǒng)是作為一個獨立的輔助子系統(tǒng)而存在的, 但是隨著電動汽車技術(shù)的不斷成熟, 本著子系統(tǒng)小型化和多功能化的要求, 以及電池可靠性和穩(wěn)定性要求的提高, 充電系統(tǒng)將和電動汽車能量管理系統(tǒng)集成為一個整體, 集成傳輸晶體管、, 無、集成化更高的充, , 提高。3電動汽車充電站布局包括“需求”和“可能性”兩個因素。衡量充電站需求的主要指標(biāo)是交通量與服務(wù)半徑兩個要素, 決定可能性與否關(guān)鍵在于交通、環(huán)保及區(qū)域配電能力等外部環(huán)境條件與該地區(qū)的建設(shè)規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃。

21、3. 1充電站分布與電動汽車交通密度和充電需求的分布盡可能一致交通密度是指在單位長度車道上, 某一瞬間所存在的車輛數(shù), 一般用輛車道表示。根據(jù)定義, 密度基本上是在一段道路上測得的瞬時值, 它不僅隨時間的變化而變動, 也隨測定區(qū)間的長度而變化。為此, 常將瞬時密度用某總計時間的平均值表示。該區(qū)域的電動汽車交通密度越大, 說明在區(qū)域內(nèi)運行的電動汽車數(shù)量越大, 從而對充電站點的需求也會越大。充電需求是指一定數(shù)量的電動汽車在特定時間和特定地點對充電的需求。充電需求和交通密度密切相關(guān), 但又受到電動汽車的運行方式的制約。例如, 對于電動公交車來說, 其起(終 點站為其充電需求區(qū)域, 會增加其運營線路上

22、的電動汽車交通密度; 企業(yè)班車以企業(yè)所在地為其充電需求區(qū)域, 會增加其行駛線路上的電動汽車交通密度。充電站網(wǎng)點數(shù)量控制應(yīng)考慮與充電需求的分布盡可能保持一致, 應(yīng)與各區(qū)域的電動汽車交通密度成正比。3. 2充電站的布局應(yīng)符合充電站服務(wù)半徑要求電動汽車充電站的分布可以參考建設(shè)部城(1995 中的加油站服市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范務(wù)半徑規(guī)定, 結(jié)合電動汽車自身的運行特點以及各區(qū)域的計算服務(wù)半徑按實際需要設(shè)定。由于各交通區(qū)域的交通密度不一樣, 反映充電站網(wǎng)點密度的服務(wù)半徑也各不相同。 16822009, 37(10動力電池的續(xù)駛能力是影響充電站服務(wù)半徑的另一大因素。目前, 電動汽車動力電池的理論單次充電行駛

23、里程在150200k m 左右, 實際上, 考慮電池的壽命老化、交通擁堵等現(xiàn)實因素, 從保證電動汽車使用者連續(xù)行駛角度出發(fā), 充電站的服務(wù)半徑應(yīng)以電動汽車單次充電行駛里程100k m (甚至更短 計算。只有這樣才能有效保障電動汽車的持續(xù)行駛能力。3. 3規(guī)劃要求, 。充電站的選址定點應(yīng)結(jié)合地區(qū)建設(shè)規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃, 以網(wǎng)點總體布局規(guī)劃為宏觀控制依據(jù), 經(jīng)過對布局網(wǎng)點及其周圍地區(qū)規(guī)劃選址方案的比較, 確定網(wǎng)點設(shè)置用地。從長遠(yuǎn)考慮, 充電站的設(shè)置應(yīng)有與城市規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃相匹配的統(tǒng)籌規(guī)劃。政府應(yīng)對充電站的建設(shè)應(yīng)采取市場準(zhǔn)入制度, 根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃及電動汽車推廣應(yīng)用情況對充電站布局建設(shè)做出科學(xué)規(guī)劃安排,

24、 防止出現(xiàn)“一窩蜂”的重復(fù)投資現(xiàn)象, 減少投資浪費。3. 4充電站的設(shè)置應(yīng)充分考慮本區(qū)域的輸配電網(wǎng)現(xiàn)狀電動汽車充電站運營時需要高功率的電力供應(yīng)支撐, 在進(jìn)行充電站布局規(guī)劃時, 應(yīng)與電力供應(yīng)部門協(xié)調(diào), 將充電站建設(shè)規(guī)劃納入城市電網(wǎng)規(guī)劃中。城市電網(wǎng)規(guī)劃是城市電網(wǎng)發(fā)展和改造的總體計劃。將充電站布局規(guī)劃納入到城市電網(wǎng)規(guī)劃中, 可以提高充電站電能供應(yīng)的安全性和穩(wěn)定性, 為充電站運營提供可靠的電力供應(yīng)保障。另外, 由于電動汽車充電設(shè)備是一種非線性負(fù)荷, 工作時產(chǎn)生的諧波電流很高, 諧波注入電網(wǎng)會造成電能質(zhì)量降低等負(fù)面影響。在充電站快速短時充電時, 由于負(fù)荷變化太快, 沖擊電壓也可能對電網(wǎng)造成影響。這些都需要在建設(shè)充電站時予以考慮。以上海地區(qū)為例, 據(jù)預(yù)測, 到2020年電動汽車年電力需求樂觀預(yù)測