電動汽車充電模式與充電站建設(shè)分析研究

1、電動汽車充電模式與充電站建設(shè)研究簡介電動汽車是一種發(fā)展前景廣闊的綠色交通工具，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段。電動汽車充 電站為電動汽車運行提供能量補(bǔ)給，是發(fā)展電動汽車所必須的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施。本文首先對電動汽車的 充電需求進(jìn)行了分析，同時提出電動汽車發(fā)展對充電技術(shù)的要求。在此基礎(chǔ)上，比較研究了幾種類型的充 電模式的優(yōu)缺點。最后，從電能外部接入角度對充電站的建設(shè)做了初步研究。一、引言電動汽車以電代油，能夠?qū)崿F(xiàn) 零排放”，噪音低，是解決能源和環(huán)境問題的重要手段。隨著石油資源的緊 張和電池技術(shù)的發(fā)展，電動汽車在性能和經(jīng)濟(jì)性方面已經(jīng)接近甚至優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車，并開始在世界范圍 內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用。以電動汽

2、車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢已經(jīng)成為普遍共 識。充電系統(tǒng)為電動汽車運行提供能量補(bǔ)給，是電動汽車的重要基礎(chǔ)支撐系統(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)。在充電系統(tǒng)中，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。本文主要從電能外部接入和配套設(shè)施資金投入方面對充電站的建設(shè)做了初步 研究。二、電動汽車充電需求分析隨著電動汽車融入社會生產(chǎn)和生活，其對電能的需求將影響城市現(xiàn)有的供配電體系，進(jìn)而影響著電動汽車 充電系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展。電動汽車充電站的建設(shè)方式、建設(shè)容量等主要受以下因素的影響：2.1 電動汽車充電量的總體需求電動汽車充電

3、量與電動汽車保有量及車輛的日均行駛歷程、單位里程能耗水平等相關(guān)。以上海市為例，根 據(jù)有關(guān)資料分析顯示，到 2020年電動汽車市場預(yù)計達(dá)到 7萬多輛，日電量總消費達(dá)到1840萬kWh2.2 電動汽車運行模式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，直接影響充電站的建設(shè)方式和功率 需求。在公交運行模式下，由于公交車通常都有專門的停車場所，因此可在公交首末站停車場所建設(shè)充電站，利 用夜間低谷時段進(jìn)行常規(guī)充電；公交電動車一次充電續(xù)駛里程至少應(yīng)滿足單程運行里程，緊急情況下應(yīng)能 實現(xiàn)電能的快速補(bǔ)充。在出租車運行模式下，根據(jù)其一次充電后的續(xù)駛里程，應(yīng)在其相應(yīng)的出行范圍內(nèi)提供必要的充電設(shè)施

4、。在 營運時段，應(yīng)能通過快速充電或電池組快速更換完成電能補(bǔ)充。在公務(wù)車或社會車輛運行模式下，電動車輛由單位、部門的駕駛員或社會大眾駕駛，應(yīng)在公務(wù)車集中的區(qū) 域或居民小區(qū)建設(shè)相應(yīng)的充電設(shè)施。此外，對于充電站而言，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，充電站電力負(fù)荷將越大，充電站功率需求將越大。2.3 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0.22.0 C之間變化。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。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

5、的充電方法。12.4 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。在電動汽車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；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。2.5 充電場所及其他環(huán)境條件動力電池充放電工作效率受充電場所及其他環(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。因此，隨環(huán)境溫度降低，充電站功 率需求將增加。因而，建設(shè)充電站時應(yīng)盡可能保證其環(huán)境不受人為溫度條件的影響。 色三、電

6、動汽車發(fā)展對充電技術(shù)的要求盡管電動汽車的充電站建設(shè)受到上述因素的不同影響，其建設(shè)方式和建設(shè)要求需根據(jù)實際情況而確定。但 隨著電動汽車的逐步推廣和產(chǎn)業(yè)化以及電動汽車技術(shù)的日益發(fā)展，電動汽車對充電站的技術(shù)要求表現(xiàn)出了 一致的趨勢，要求充電站盡可能向以下目標(biāo)靠近：3.1 充電快速化相比發(fā)展前景良好的饃氫和鋰離子動力蓄電池而言，傳統(tǒng)鉛酸類蓄電池以其技術(shù)成熟、成本低、電池容量 大、跟隨負(fù)荷輸出特性好和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，但同樣存在著比能量低、一次充電續(xù)駛里程短的問題。因 此，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。

7、3.2 充電通用化在多種類型蓄電池、多種電壓等級共存的市場背景下，用于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。因此， 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。3.3 充電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。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

8、長電池的使用壽命和節(jié) 能的目的。充電智能化的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面：優(yōu)化的、智能充電技術(shù)和充電機(jī)、充電站；電池電量的計算、指導(dǎo)和智能化管理；電池故障的自動診斷和維護(hù)技術(shù)等。3.4 電能轉(zhuǎn)換高效化電動汽車的能耗指標(biāo)與其運行能源費緊密相關(guān)。降低電動汽車的運行能耗，提高其經(jīng)濟(jì)性，是推動電動汽 車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素之一。對于充電站，從電能轉(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。3.5 充電集成化本著子系統(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

9、管、電流檢測和反向放電保護(hù)等功能，無需外部組件即可實現(xiàn)體 積更小、集成化更高的充電解決方案，從而為電動汽車其余部件節(jié)約出布置空間，大大降低系統(tǒng)成本，并 可優(yōu)化充電效果，延長電池壽命。四、電動汽車充電模式比較研究4根據(jù)電動汽車動力電池組的技術(shù)和使用特性，電動汽車的充電模式存在一定的差別。對于充電方案的選 擇，現(xiàn)今普遍存在常規(guī)充電、快速充電和電池組快速更換系統(tǒng)三種模式。4.1 常規(guī)充電概念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 ,這種充電叫做常規(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

10、充電時間為58小時，甚至長達(dá)1O至20多個小時。優(yōu)缺點常規(guī)充電模式的優(yōu)點為：盡管充電時間較長，但因為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；可充分利用電力低谷時段進(jìn)行充電，降低充電成本；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。適用范圍這種充電模式通常適用于：設(shè)計電動汽車的續(xù)駛里程盡可能大，需滿足車輛一天運營需要，僅僅利用晚間停運時間充電；由于常規(guī)充電以相當(dāng)?shù)偷碾娏鳛樾铍姵爻潆?，因此在家里、停車場和公共充電站都可以進(jìn)行；常規(guī)充電站一般規(guī)模較大，以便能夠同時為多輛電動汽車進(jìn)行充電。4.2 快速充電概念常規(guī)蓄電池的

11、充電方法一般時間較長，給實際使用帶來許多不便?？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20分鐘至2小時內(nèi)，為其提供短時充電服務(wù)，一般充電電流為 150400A o優(yōu)缺點快速充電模式的優(yōu)點為：充電時間短；充電電池壽命長 < 可充電2000次以上）；沒有記憶性，可以大容量充電及放電，在幾分鐘內(nèi)就可充70%80%的電；由于充電在短時間內(nèi)約為10-15分鐘）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：充電器充電效率較低

12、，且相應(yīng)的工作和安裝成本較高；由于采用快速充電，充電電流大，這就對充電技術(shù)方法以及充電的安全性提出了更高的要求，同時計量收 費設(shè)計也需特別考慮。適用范圍這種充電模式適用情況為：電動汽車?yán)m(xù)駛里程適中，即在車輛運行的間隙進(jìn)行快速補(bǔ)充電，來滿足運營需要；由于相應(yīng)的大電流需求可能會對公用電網(wǎng)產(chǎn)生有害的影響，因而快速充電模式只適用于專用的充電站。4.3 機(jī)械充電概念即電池組快速更換系統(tǒng)。通過直接更換電動汽車的電池組來達(dá)到為其充電的目的。由于電池組重量較大，更換電池的專業(yè)化要求較強(qiáng)，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)。優(yōu)缺點采用這種模式，具有如下優(yōu)點：電動汽車用戶可租用充滿電的蓄電

13、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；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，提高了車輛運行經(jīng)濟(jì)性；從另一個側(cè)面來看，也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；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。這種模式應(yīng)用面臨的幾個主要問題是：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。6適用范圍這種模式適用條件為：車輛電池組設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化和易更換；車輛運營中需要及時更換電池來滿足運行，充電

14、站中電池充電和車輛可實現(xiàn)專業(yè)化快速分開；由于電池組快速更換需要專業(yè)化進(jìn)行，因而電池組快速更換模式只適用于專用的充電站。綜上所述，以上|3種充電模式各有自身的特點和適用范圍。|因此,|在應(yīng)用中，可以將上述3種方法進(jìn)行 有機(jī)結(jié)合，以達(dá)到實際的行駛要求。五、充電站的建設(shè)充電站中可為電動汽車提供充電服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施包括獨立設(shè)施和獨立設(shè)備。獨立設(shè)施是指擁有數(shù)目較多且 位置相對集中的充電終端，由專人專營的充電服務(wù)中心，類似目前的汽車加油站。獨立設(shè)備是充電終端位 置相對分散，兼作泊車用途的充電服務(wù)點，如居民小區(qū)、社會停車場等處安裝的充電設(shè)備。充電站的建設(shè)包括充電站的外部接入、內(nèi)部布局、資金投入等內(nèi)容。本文主要

15、對充電站的電能外部接入、 資金投入等問題進(jìn)行了研究。5.1 充電站外部接入方式的影響因素充電站的外部接入方式受到許多因素的影響，包括供電可靠性、建設(shè)規(guī)模、建設(shè)成本等。供電可靠性要求供電可靠性是指供電系統(tǒng)持續(xù)供電的能力，是考核供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。反映了電力工業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)電能需求的滿足程度，已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的標(biāo)準(zhǔn)之一。充電站的外部接入在電力安 全方面應(yīng)滿足供電可靠性要求。建設(shè)規(guī)模電動汽車充電站的建設(shè)規(guī)模是指充電站的占地面積、電力負(fù)荷容量、電壓等級、站內(nèi)充電機(jī)的型號數(shù)量 等。這些因素直接影響到外部接入的電力設(shè)備選型。充電站建設(shè)規(guī)模越大，對外部接入的要求也越高。建設(shè)成本電動汽車

16、充電站的建設(shè)成本是指充電站在投入使用前的所有建設(shè)費用和投入的總和。其中，電力外部接入 建設(shè)費用占有一定的比例。在保障供電運行可靠性和靈活性要求的基礎(chǔ)之上，充電站的外部接入應(yīng)選建設(shè) 成本低、經(jīng)濟(jì)性好的電氣接線方式及配電設(shè)備。5.2 各類充電站的外部接入方式獨立設(shè)施獨立充電設(shè)施包括多為商業(yè)運營，充電終端數(shù)目多，其停電影響比較大，可考慮由兩回路電源供電，供電變壓器亦應(yīng)有兩臺（兩臺變壓器不一定在同一變電所 >。從供用電的安全可靠性及充電站投資成本兩方面 綜合考慮，可采取雙路高壓電源進(jìn)線單母線分段的外部接線方式。獨立設(shè)備對于獨立充電設(shè)備，如居民小區(qū)停車場、社會停車場等處安裝的電動汽車充電終端等，其

17、供電可靠性要求 要低于獨立充電設(shè)施，并且從實際情況考慮，往往不具備條件新建專門的供電變壓器等，只能利用原有的 供電配套設(shè)施進(jìn)行改造。必須根據(jù)充電設(shè)備安裝點現(xiàn)有的負(fù)荷容量來考慮，包括谷電的負(fù)荷。具體方案應(yīng) 根據(jù)實際的供電設(shè)施、小區(qū)的建筑環(huán)境具體來確定。5.3 充電站電力配套資金的投入常規(guī)充電典型常規(guī)充電站的規(guī)模根據(jù)目前電動汽車常規(guī)充電的數(shù)據(jù)資料，一般以2040 輛電動汽車來配置一個充電站，這種配置是考慮充分利用晚間谷電進(jìn)行充電，缺點是充電設(shè)備利用率低。在高峰時也考慮充電，則可以6080 輛電動來配制一個充電站，缺點是充電成本上升，增加高峰負(fù)荷。充電站電力配套的典型配置 < 前提充電柜具有諧

18、波等處理功能）a方案：建造配電站設(shè)計2路10KV電纜進(jìn)線配3*70mm電纜），2臺500KVA 變壓器，24路380V出線。其中二路為快速充電專用出線 配4*120mm 電纜、50M長、4回路），二路為機(jī)械充電或備用出線， 其余為常規(guī)充電出線 < 配4*70mm 電纜、50M長、20回路）b方案：設(shè)計2路10KV電纜線 < 配3*70mm 電纜），設(shè)置2臺500KVA 用戶箱變，每臺箱變配 4路380V出 線配4*240mm電纜、20M長、8回路），每路出線設(shè)置一臺4回路電纜分支箱向充電柜供電 <配4*70mm 電纜、50M 長、24回路）?？焖俪潆姷湫涂焖俪潆娬镜囊?guī)模根據(jù)目

19、前電動汽車快速充電的數(shù)據(jù)資料，一般以同時向8輛電動汽車充電來配置一個充電站。充電站電力配套的典型配置a方案、建造配電站設(shè)計 2路10KV電纜進(jìn)線配3*70mm 電纜），2臺500KVA 變壓器，10路 380V 出線配4*120mm 電纜、50M 長、10回路）。b方案、設(shè)計2路10KV電纜線 < 配3*70mm 電纜），設(shè)置2臺500KVA用戶箱變，每臺箱變配 4路 380V 出線，供充電站配4*120mm 電纜、50M 長、8回路）。機(jī)械充電機(jī)械充電站的規(guī)模小型機(jī)械充電站可以結(jié)合常規(guī)充電站建設(shè)同時考慮，可以根據(jù)需要選擇更大容量的變壓器。大型機(jī)械充電 站一般以80100 組充電電池同時充電配置一個大型機(jī)械充電站，主要適用于出租車行業(yè)或電池租賃行 業(yè)，一天不間斷充可以完成對400組電池的充電。充電站電力配套的典型配置 < 大型機(jī)械充電站）配電站2路10KV電纜進(jìn)線配3*240mm電纜），2臺1600KVA 變壓器，10路380V出線配4*240mm 電纜、50M 長、10 回路）。便攜式充電 別墅具備三相四線表計，獨立的停車庫，