電動(dòng)汽車(chē)及其充電設(shè)施的發(fā)展模式

曾 琦， 韓谷靜， 張 宏， 劉滌塵， 錢(qián) 薇

(1. 國(guó)家電網(wǎng)湖南省電力公司 益陽(yáng)供電分公司，湖南 益陽(yáng) 413002；2.武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430200; 3.國(guó)家電網(wǎng)湖南省電力公司 檢修公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；4.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；5.密西根州立大學(xué)，密西根州東蘭辛 48824 美國(guó))

電動(dòng)汽車(chē)及其充電設(shè)施的發(fā)展模式

曾 琦1， 韓谷靜2， 張 宏3， 劉滌塵4， 錢(qián) 薇5

(1. 國(guó)家電網(wǎng)湖南省電力公司 益陽(yáng)供電分公司，湖南 益陽(yáng) 413002；2.武漢紡織大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430200; 3.國(guó)家電網(wǎng)湖南省電力公司 檢修公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；4.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；5.密西根州立大學(xué)，密西根州東蘭辛 48824 美國(guó))

隨著環(huán)境問(wèn)題與能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻，電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源技術(shù)被認(rèn)為是解決這些難題的必要手段。現(xiàn)在全球尤其是我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)占有率還比較小，電動(dòng)汽車(chē)的形式和充電站的建設(shè)仍處于一個(gè)具有很多不確定性的探索階段。如何規(guī)劃電動(dòng)汽車(chē)的配套設(shè)施不僅直接決定了我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的推廣應(yīng)用，也關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。從電動(dòng)汽車(chē)的類(lèi)型著手，介紹了充電設(shè)施可依據(jù)的形式、規(guī)模和時(shí)機(jī)等實(shí)際問(wèn)題；探討了充電站與可再生能源的有機(jī)結(jié)合以經(jīng)濟(jì)地調(diào)控電動(dòng)汽車(chē)的電能；最后剖析了電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)的可行性以及有待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

電動(dòng)汽車(chē)； 充電； 分布式能源

0 引言

在最近的二三十年，工業(yè)生產(chǎn)總值和國(guó)民生活水平發(fā)生了翻天覆地的變化。其中很重要的一個(gè)標(biāo)志是汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入了越來(lái)越多的家庭。然而，粗放型發(fā)展造成了對(duì)環(huán)境的負(fù)面壓力。車(chē)輛的日益增多消耗了大量的石油，而且內(nèi)燃機(jī)的不完全燃燒所排放的尾氣又加劇了環(huán)境污染。能源危機(jī)與環(huán)境污染已經(jīng)成為我國(guó)乃至全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)以及新能源技術(shù)被認(rèn)為是必然的選擇之一。電動(dòng)汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)換效率將從內(nèi)燃機(jī)的30%提高到大約60%～70%[1]。但是，現(xiàn)階段電動(dòng)汽車(chē)尚未普及使用，市場(chǎng)占有率較小。要推廣電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，需要有便捷的充電設(shè)施支撐，充電設(shè)施的建設(shè)離不開(kāi)電網(wǎng)的支持。

一方面，電網(wǎng)需要對(duì)新建充電設(shè)施的區(qū)域增加裝機(jī)容量，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電行為進(jìn)行調(diào)控；另一方面，電動(dòng)汽車(chē)也將對(duì)電網(wǎng)造成全方位的影響。有不少文獻(xiàn)探討電動(dòng)汽車(chē)大多是在電網(wǎng)低谷時(shí)充電，而在電網(wǎng)負(fù)荷峰值時(shí)可向電網(wǎng)回饋其電池組的儲(chǔ)能[2-4]。這就是電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)(V2G - Vehicle to Grid)，即“有序充電”、“削峰填谷”，這樣反而有希望為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行助一臂之力。

現(xiàn)有文獻(xiàn)側(cè)重于電網(wǎng)方面的研究，較少剖析電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)需要解決的實(shí)際難題。電動(dòng)汽車(chē)的充電行動(dòng)在時(shí)間和空間上有一定的不可控性，對(duì)配電網(wǎng)的調(diào)度管理提出了新的挑戰(zhàn)。如果控制不當(dāng)，大容量的充放電行為可能引發(fā)配電網(wǎng)過(guò)載以及系統(tǒng)失穩(wěn)。這些影響催生了智能電網(wǎng)，即結(jié)合傳感技術(shù)和信息通迅實(shí)時(shí)控制分布式發(fā)電，合理控制電動(dòng)汽車(chē)的充放電行為，盡量平緩電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的支持也將大力推動(dòng)電網(wǎng)中新能源的高科技產(chǎn)業(yè)化。對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)而言，這將意味著新型技術(shù)附加型產(chǎn)業(yè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的廉價(jià)勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)，其中很重要的新型產(chǎn)業(yè)就是汽車(chē)和電力電子工業(yè)。不僅如此，這也會(huì)帶動(dòng)其他相關(guān)的制造業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)以及金融業(yè)的全面飛躍。

那么，充電設(shè)施需依據(jù)哪些電動(dòng)汽車(chē)的形式和容量來(lái)設(shè)計(jì)，要解決哪些實(shí)際問(wèn)題？如何有效利用新能源技術(shù)應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)擴(kuò)容的需求？電動(dòng)汽車(chē)向電網(wǎng)賣(mài)電還有多遠(yuǎn)，又存在哪些關(guān)鍵的應(yīng)用問(wèn)題？本文將以國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的發(fā)展情況為參考，并結(jié)合我國(guó)實(shí)際深入淺出地回答以上問(wèn)題。“它山之石可以攻玉”，故希望為發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)、建設(shè)下一代新型電網(wǎng)的決策起到拋磚引玉的作用，盡量避免我國(guó)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中走太多彎路。

1 電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)型

電網(wǎng)擴(kuò)容和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)應(yīng)該以哪些電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)型和容量為目標(biāo)？先簡(jiǎn)單掃描一下我國(guó)應(yīng)當(dāng)考慮哪些類(lèi)型的主流電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品[2]2279：

(1)純電動(dòng)汽車(chē)(EV-Electric Vehicle)，如福特Focus和日產(chǎn)Leaf。它們將電池組的直流電能通過(guò)逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電池組主要通過(guò)充電器來(lái)補(bǔ)充電能。電動(dòng)車(chē)雖然結(jié)構(gòu)更精簡(jiǎn)，但現(xiàn)階段里程數(shù)受電池容量的限制，且如果用慢充方式，其深度充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

(2)混合動(dòng)力(Hybrid EV，HEV)，如豐田Prius和福特Fusion混合動(dòng)力車(chē)。它們是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的基礎(chǔ)上整合了純電動(dòng)車(chē)中的電池及電力電子裝置，所以控制方式比傳統(tǒng)汽車(chē)和純電動(dòng)都復(fù)雜。這類(lèi)汽車(chē)沒(méi)有配備從電網(wǎng)給電池充電的功能，只在汽車(chē)下坡、減速制動(dòng)或者內(nèi)燃機(jī)發(fā)電時(shí)通過(guò)變流器給電池充電，故只能在一定的低速區(qū)間完全由電能驅(qū)動(dòng)?；旌蟿?dòng)力相比內(nèi)燃機(jī)車(chē)很大程度地提高了效率，減小了尾氣排放。在規(guī)劃汽車(chē)產(chǎn)品和充電站時(shí)，應(yīng)考慮到這種不影響電網(wǎng)行為的混合動(dòng)力車(chē)在中國(guó)將會(huì)占據(jù)一定的市場(chǎng)份額。而且，為了降低國(guó)產(chǎn)混合動(dòng)力車(chē)的價(jià)格,我國(guó)應(yīng)該自主生產(chǎn)其中昂貴的車(chē)用功率器件，包括未來(lái)的寬禁帶高溫半導(dǎo)體[5]。

(3)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(Plug-in HEV, 簡(jiǎn)稱(chēng)PHEV)，比如Prius插電式電動(dòng)車(chē)、通用Volt和福特C-Max(最近幾年在混合動(dòng)力汽車(chē)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的)。顧名思義，就是可充電的混合動(dòng)力。按能量傳遞路徑，混合動(dòng)力汽車(chē)分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并聯(lián)型[6]。圖1為以2013款Prius為代表的串并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的原理圖。從結(jié)構(gòu)上看，它與上面提到的非充電型混合動(dòng)力汽車(chē)類(lèi)似，只多了一個(gè)交直流轉(zhuǎn)換的充電器。當(dāng)然，其電池容量比傳統(tǒng)混合電動(dòng)汽車(chē)的大，成本也相應(yīng)地更高。圖示的結(jié)構(gòu)包含2個(gè)永磁電機(jī)，即一個(gè)60 kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和42 kW的發(fā)電機(jī)。雙向的變流器用于驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)并向電池充電。內(nèi)燃機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)靠動(dòng)力分配裝置(又名行星齒輪)的耦合來(lái)匯總和分配三者的出力。驅(qū)動(dòng)輪的齒輪只由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的齒輪帶動(dòng)。內(nèi)燃機(jī)并不直接關(guān)聯(lián)車(chē)速，只運(yùn)行在效率較高的轉(zhuǎn)速；或者在一定的低速范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)會(huì)停止內(nèi)燃機(jī)而完全靠電機(jī)來(lái)行駛。因此，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)在一定里程內(nèi)不依賴(lài)汽油(故名全電里程或續(xù)駛能力)，在電池的電能不夠時(shí)可由汽油供應(yīng)能量。而與純電動(dòng)汽車(chē)比，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)不僅有充電功能，又保留了傳統(tǒng)車(chē)加油方便快捷這一靈活性。

圖1 串并聯(lián)型插電式混合動(dòng)力汽車(chē)原理圖

(4)此外還有燃料電池汽車(chē)(Fuel Cell Vehicle)及其衍生物插電式燃料電池汽車(chē)。除由電網(wǎng)充電外，插電式燃料電池汽車(chē)的另一能量來(lái)源是高壓氫氣產(chǎn)生的能量。目前成本還很昂貴，所以已經(jīng)投產(chǎn)的居民用車(chē)很少。

綜上所述，廣義的電動(dòng)汽車(chē)包括混合動(dòng)力在內(nèi)的各種以大功率電池組為動(dòng)力的汽車(chē)[7]。而本文將沿用更熟知的狹義定義指代可入網(wǎng)充電的汽車(chē)——純電動(dòng)汽車(chē)與插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。二者必然是未來(lái)的發(fā)展方向，尤其適合于中國(guó)市場(chǎng)，因?yàn)榫用袢粘Ｐ旭偟膮^(qū)段多以城區(qū)為主。相比高速，城區(qū)速度較低，加上紅綠燈路口的起停，因而傳統(tǒng)汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率就比較有限。在我國(guó)[8-9]和一些發(fā)達(dá)國(guó)家[10]，政府為了鼓勵(lì)環(huán)保汽車(chē)，對(duì)購(gòu)買(mǎi)和使用電動(dòng)汽車(chē)有退稅優(yōu)惠等政策傾斜?；旌蟿?dòng)力剛開(kāi)始逐漸增多，其市場(chǎng)份額沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的比例，以致傳統(tǒng)車(chē)商對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的投入還比較保守。美國(guó)電力研究院曾預(yù)計(jì)到2020年P(guān)HEV在所有汽車(chē)的占有量達(dá)到35%[3]5674。但是，到2014年為止，美國(guó)純電動(dòng)和插電式電動(dòng)車(chē)總的積累銷(xiāo)售量少于30萬(wàn)輛，無(wú)以實(shí)現(xiàn)2011年定下的至2015年底達(dá)到100萬(wàn)輛的目標(biāo)[11]。其中一個(gè)原因是成本和價(jià)格仍比同等級(jí)的傳統(tǒng)汽車(chē)高很多，另一個(gè)不利于電動(dòng)汽車(chē)的障礙是充電設(shè)施不多。然而，充電設(shè)施的建設(shè)又在很大程度上依賴(lài)于汽車(chē)市場(chǎng)的走向。

2 充電設(shè)施

2.1充電與換電設(shè)施對(duì)比

首先，充電站的模式應(yīng)該采用充電還是換電如今這一爭(zhēng)論已初見(jiàn)端倪?，F(xiàn)有的充電時(shí)間使得特斯拉和以色列的Better Place都嘗試過(guò)換電模式，他們卻最終鎩羽而歸。換電是用充滿(mǎn)電的電池組來(lái)更換需要充電的電池組,它相比于慢充用時(shí)要短；換電模式的電動(dòng)車(chē)起價(jià)低于充電模式,它可利用夜間低谷電價(jià)集中充電，故比充電站的充電成本低。換電模式看似適用于公共交通、物流及出租車(chē)隊(duì)，但對(duì)家用汽車(chē)并不方便。其實(shí)，換電模式?jīng)]有充分考慮到電池的實(shí)際困難。各種電動(dòng)汽車(chē)中電池組都沒(méi)有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以至于換電站對(duì)各種成本不菲的電池均需儲(chǔ)備。反復(fù)拆裝可能造成接口接觸的機(jī)械性能下降，而且電池與電池管理系統(tǒng)的拆裝失誤或者不匹配都易引起安全事故,那樣車(chē)商與換電站的保修權(quán)責(zé)很難協(xié)調(diào)，更何況換電的基礎(chǔ)設(shè)施投入成本也高[8]2。所以國(guó)家電網(wǎng)公司從2011年的主推“換電”轉(zhuǎn)變?yōu)?014年的主導(dǎo)“充電”。

2.2快充與慢充設(shè)施對(duì)比

首先簡(jiǎn)要比較一下表1中充電器大致的功率分類(lèi)[3, 12]5673。

1級(jí)充電器屬于車(chē)載充電器，可以直接使用普通的家用單相110 V(北美)或220 V(中國(guó))交流插座。車(chē)載式充電器配有前置功率因數(shù)校正器，把交流電轉(zhuǎn)換成直流從而給電池組充電。輸出電流為12～20 A，最大功率約為1.9 kW，故適用于長(zhǎng)夜慢充。

2級(jí)充電器仍是車(chē)載充電器，通過(guò)電動(dòng)車(chē)服務(wù)設(shè)備(Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE)與單相或三相電網(wǎng)連接。EVSE是一種插頭，除功率導(dǎo)線(xiàn)以外還附加了通信和安全信號(hào)/協(xié)議，以保護(hù)用戶(hù)與充電設(shè)備的安全。此類(lèi)充電器輸出電流/功率從17 A/4 kW到80 A/19.2 kW不等。企業(yè)、居民樓、商場(chǎng)等的公共停車(chē)場(chǎng)宜采用此方式。車(chē)載充電器的空間、重量、發(fā)熱和成本限制了所能整流的最大功率，所以75 A以上電流的應(yīng)該采用以下的3級(jí)非車(chē)載充電。

表1 充電器基本分類(lèi)

3級(jí)充電器直接以直流快充方式充電[13]，在30 min內(nèi)將電池充到80%的容量，適用于快充充電站。直流充電需要充電樁識(shí)別所充電池的電壓、容量和電荷狀態(tài)(SOC，State of Charge)等信息。雖然目前還在探索階段，但直流充電站是未來(lái)值得研究的一個(gè)方向。一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)是因無(wú)需配備車(chē)載充電器，電動(dòng)汽車(chē)本身的重量稍微減輕了。

文獻(xiàn)[12, 14-15]2151總結(jié)了慢充、快充等各種類(lèi)型對(duì)于消費(fèi)者的適用性，指出大部分的用戶(hù)會(huì)在家充電。因此，可以有計(jì)劃地發(fā)展小區(qū)及辦公區(qū)公共停車(chē)場(chǎng)的1級(jí)、2級(jí)充電設(shè)備，而快充充電站并非電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模推廣的先決條件。充電樁的建設(shè)規(guī)模和時(shí)機(jī)與電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)售趨勢(shì)相協(xié)調(diào)，以它國(guó)為鑒并兼顧我國(guó)市場(chǎng)的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[16]的模型根據(jù)油價(jià)、電價(jià)、汽車(chē)歷史售價(jià)等信息預(yù)測(cè)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)售量及其負(fù)荷曲線(xiàn)。充電站的分布考慮交通量[17-18]和服務(wù)半徑[19]，并結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行特點(diǎn)[20-21]而定。電動(dòng)汽車(chē)的全電里程是影響充電站服務(wù)半徑的重要因素，故服務(wù)半徑以單次充電全電里程(甚至更短)為最小距離。各區(qū)域的電動(dòng)汽車(chē)使用量和我國(guó)居民平均每天的行駛里程決定了充電需求量。依據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的全電里程、電池容量(如表2所示)和各種充電器的功率可估算行駛里程所需的電量和功率。雖然用戶(hù)的充電行為不完全可控，但是隨著未來(lái)云端大數(shù)據(jù)的發(fā)展，大量實(shí)時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將成為可能[22]。文獻(xiàn)[23]例舉了豐田漢蘭達(dá)和通用Volt在40 km的全電里程內(nèi)需要平均約15～17 kW·h的能量，對(duì)應(yīng)20～23 kW·h的電池(此數(shù)據(jù)是基于一般的PHEV最高電荷狀態(tài)約在95%，最低約20%。也就是說(shuō)，每次充放電只有75%左右的總能量或放電深度)。對(duì)于快充充電樁的功率選擇，文獻(xiàn)[15]818分析了充電時(shí)間和充電器成本2個(gè)變量與充電功率的關(guān)系，得出合適的快充功率是40～50 kW。

表2 現(xiàn)有的幾種PHEV和EV的充電特性及對(duì)充電設(shè)施的要求

2.3無(wú)線(xiàn)充電設(shè)施

從1978年開(kāi)始就有文獻(xiàn)研究無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)[24]。適用于電動(dòng)汽車(chē)的一種方式是電磁感應(yīng)，即在停車(chē)位或地面下安裝原邊線(xiàn)圈，汽車(chē)底盤(pán)上安裝副邊線(xiàn)圈，通過(guò)類(lèi)似高頻變壓器的交變磁場(chǎng)傳遞電能。為減小電源容量和提高輸出功率，另一種是在此基礎(chǔ)上加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、形成磁場(chǎng)共振來(lái)傳遞能量[22, 25-30]68。后者不要求線(xiàn)圈對(duì)應(yīng)，可同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備充電。因?yàn)椴挥貌灏坞娫?，停?chē)充電變得更便捷；隨時(shí)充電減小了深度充放電的機(jī)率；磁隔離方式也防止了觸電隱患。不足之處是原、副邊線(xiàn)圈固有的氣隙使充電器的效率和功率密度還比較低，而且磁耦合度還依賴(lài)于線(xiàn)圈對(duì)準(zhǔn)的程度。不過(guò)，可升降的原邊基座能讓兩邊線(xiàn)圈更靠近而提高充電效率。當(dāng)然，停車(chē)充電沒(méi)有完全消除全電里程的焦慮，因而另一種實(shí)現(xiàn)是行駛充電[24, 30-31]137，3370，即在公路下沿路都有原邊線(xiàn)圈，由車(chē)底的副邊線(xiàn)圈在行進(jìn)中收集原邊的電能。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)可能使電池容量減小20%[25]4，減少快充充電站的需求量[12]2151，對(duì)電網(wǎng)有積極的影響。

3 充電設(shè)施與分布式新能源有機(jī)結(jié)合

圖2 光伏充電站示意圖

如果電動(dòng)汽車(chē)的電能來(lái)源于煤電，那么整個(gè)能量鏈仍不是真正意義上的零排放。大型電站一般遠(yuǎn)離居民聚集的城區(qū)。分布式可再生能源(如光伏和風(fēng)能)發(fā)電構(gòu)建靈活，又是耗不盡的能源，是對(duì)主流電網(wǎng)很環(huán)保的補(bǔ)充[32-36]。

以圖 2所示的光伏充電站[37-38]為例，它首先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電能，再經(jīng)逆變器后，以電動(dòng)車(chē)服務(wù)設(shè)備為接口輸出給電動(dòng)車(chē)。當(dāng)光能不足時(shí)，充電站可從電網(wǎng)取電；而當(dāng)產(chǎn)電過(guò)剩時(shí)，多余電量賣(mài)給電網(wǎng)[39]。文獻(xiàn)[23]3討論了充滿(mǎn)一輛車(chē)跑40 km所需的光伏板的大小，在冬天最少為78 m2，而夏天日照最強(qiáng)的天氣里只需約1/4的大小。

許多公司在嘗試綠色環(huán)保的分布式發(fā)電。例如，谷歌已在其總部安裝了9 MW·h/天光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。目前光伏電板尚未全面普及，一是其轉(zhuǎn)換效率仍較低，二是成本仍很高。

類(lèi)似地，并網(wǎng)型風(fēng)電充電站，既能獨(dú)立供電，又可與電網(wǎng)交互電能[40]。不同于光伏，風(fēng)能在夜晚也能供電。目前風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，可用率已達(dá)95%以上，已是一種安全可靠的能源。光伏、風(fēng)電、燃料電池等這些分布式電源將給電網(wǎng)帶來(lái)的影響有：1)得益于可再生能源中的各種儲(chǔ)能方式[41-43]，發(fā)電與用電不再需要實(shí)時(shí)平衡。這將有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。2)同時(shí)，分布式發(fā)電是對(duì)電能質(zhì)量管理的挑戰(zhàn)，包括繼電保護(hù)、電壓控制和諧波監(jiān)控等方面[44]。3)如果分布式電源將容余電能回饋給電網(wǎng)，電力公司需要向用戶(hù)買(mǎi)電或支付能源信用點(diǎn)。雙向用電計(jì)量將帶來(lái)用配電網(wǎng)的升級(jí)[3, 45]5674。4)電力儲(chǔ)備與潮流的協(xié)調(diào)管理將很大程度上依賴(lài)于智能信息網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析。未來(lái)的智能通信網(wǎng)可根據(jù)電池電量為電動(dòng)汽車(chē)提供最近、最經(jīng)濟(jì)的充電站點(diǎn)信息[46-47]。5)各種新能源的涌現(xiàn)使電力市場(chǎng)更加多源化。電力行業(yè)的效益將不僅是粗放型發(fā)展模式下的產(chǎn)電量或者籌電量，而是能源生產(chǎn)銷(xiāo)售的投入產(chǎn)出比[48]。

4 電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)的挑戰(zhàn)

目前，關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響仍處于探索階段。文獻(xiàn)[49-52]從不同角度分析了電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電網(wǎng)的影響。眾多電動(dòng)汽車(chē)充電主要在工業(yè)負(fù)荷降低的夜間，這樣既能達(dá)到環(huán)保的目的，又能改善電力負(fù)荷曲線(xiàn)和提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。然而，大量的充電行為有一定的隨機(jī)性，以致電力供應(yīng)需要增加一定裕量，具體的容量增長(zhǎng)視每國(guó)情況和預(yù)測(cè)模型而不同。比如，文獻(xiàn)[53]樂(lè)觀(guān)地預(yù)計(jì)美國(guó)到2050年有一半的汽車(chē)是插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，只需8%的電力需求增加(對(duì)應(yīng)4%的容量增長(zhǎng))。為提高設(shè)備效率和利用率、減少電網(wǎng)建設(shè)改造的投資，文獻(xiàn)[54-55]提出根據(jù)分時(shí)電價(jià)為用戶(hù)制定經(jīng)濟(jì)的充電方案，合理調(diào)節(jié)電動(dòng)汽車(chē)的充電行為來(lái)降低峰谷差。更進(jìn)一步的研究是將電動(dòng)汽車(chē)作為備用電源，根據(jù)電網(wǎng)需求主動(dòng)參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷[56]。此外，電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)的其他應(yīng)用包括調(diào)控頻率[57]、平滑可再生能源的間隙功率輸入[58]、補(bǔ)償無(wú)功和諧波電流[59]。然而，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)需要解決以下實(shí)際問(wèn)題：

首先，無(wú)論是對(duì)于快充還是電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)，電池成本和壽命是最大的瓶頸。電池組是電動(dòng)汽車(chē)最昂貴的部件，而且現(xiàn)階段其持續(xù)放電里程和壽命還比較有限。比如100 km的全電里程要求10 kW·h的電能，考慮變流器的轉(zhuǎn)換效率為96%，鋰離子電池的能源效率90%和80%的放電深度，共需要有15 kW·h的電池電量來(lái)補(bǔ)償在電池和變流器的能耗及有限的放電深度。這樣一個(gè)15 kW·h的電池組需要6千歐元[60]。鋰離子電池的壽命約為10年/24萬(wàn)km，且前提是它們沒(méi)有經(jīng)常被過(guò)充或過(guò)放、沒(méi)有一直在高溫下運(yùn)行[61]。制約電池組壽命的另一難題是組內(nèi)各節(jié)電池的平衡問(wèn)題。比如，一個(gè)鋰離子電池組一般是由幾十節(jié)鋰電池串聯(lián)而成，老化后各節(jié)電池不可避免地呈現(xiàn)出不同的充放電特性。國(guó)外有不少學(xué)者提出了各種電池平衡的方法[62-64]。工業(yè)應(yīng)用最多的電池平衡主要仍以耗能型為主，也就是各組電池間的平衡通過(guò)電阻放電達(dá)到電池組中每節(jié)電池的平衡。德州儀器公司推出了基于升降壓直流逆變電路(buck-boost converter)的電池平衡控制芯片，其電路損耗理論上要比耗能型的低，但也不是完全無(wú)損的。文獻(xiàn)[65]比較了幾種商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)電池的性能參數(shù)，總結(jié)了鋰離子電池性能指標(biāo)。鋰離子的能量是第二代Prius中所用的鎳氫電池的2～3倍，但液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池繼續(xù)擴(kuò)容的最大挑戰(zhàn)是如何保證安全穩(wěn)定性、循環(huán)壽命和成本。文獻(xiàn)[66]歸納了各種高能量密度固態(tài)鋰電池，指出固體電解質(zhì)代替電解液發(fā)展全固態(tài)鋰離子電池是解決電池安全問(wèn)題的根本途徑。因?yàn)槿虘B(tài)鋰離子電池在提高能量密度、拓展工作溫度范圍和延長(zhǎng)使用壽命上有較大的空間，而且單體內(nèi)可層疊串聯(lián)，可采用印刷、涂布、卷對(duì)卷等新型技術(shù)進(jìn)行大面積生產(chǎn)，有望顯著提高生產(chǎn)效率從而降低成本。

其次，需要通過(guò)一定規(guī)模的長(zhǎng)時(shí)間試點(diǎn)運(yùn)行，深入分析電動(dòng)汽車(chē)和配電網(wǎng)各自的運(yùn)行成本和實(shí)際收益，并確立汽車(chē)產(chǎn)商對(duì)電池組的保修模型。汽車(chē)賣(mài)電貌似能收回一些成本，但電動(dòng)汽車(chē)慢充的時(shí)間仍很長(zhǎng)，而且一般家庭用車(chē)時(shí)均在用電高峰時(shí)段，而閑置時(shí)電價(jià)也是低谷。鋰電池的深度放電次數(shù)大概是2 000～4 000次?？紤]未來(lái)電池的成本大概是300美元/kW·h和3 000次80%充放電深度的生命周期，以美國(guó)原電池生產(chǎn)商A123的16 kW·h的電池組為樣本，用戶(hù)賣(mài)電的最大年凈收益只有10～120美元[3]5674。而文獻(xiàn)[67]基于瑞典2008年的市場(chǎng)模型的仿真則顯示無(wú)利潤(rùn)可言。大量電動(dòng)汽車(chē)的入網(wǎng)將提高輸配電和穩(wěn)定電網(wǎng)的成本，導(dǎo)致汽車(chē)賣(mài)電的收益降低。而且從能源利用的角度，充放電的能量損耗(或者效率)應(yīng)作為很重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

再次，需要用試點(diǎn)所得數(shù)據(jù)來(lái)充分論證電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充放電的協(xié)調(diào)控制?；仞侂娔芸赡茉斐勺儔浩骱洼旊娋€(xiàn)的過(guò)載，電壓失調(diào)，加重峰荷需求和影響配電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[3, 68-70]5674。這就需要變壓器和輸電線(xiàn)都預(yù)留更多的設(shè)計(jì)安全裕量，投資成本因而隨之增加。在文獻(xiàn)[71]針對(duì)法國(guó)的一臺(tái)160 kVA低壓變壓器老化模型中，變壓器老化率因電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)而呈平方倍地增加。文獻(xiàn)[49]26討論了不同的插電式汽車(chē)普及水平對(duì)配電網(wǎng)投資和網(wǎng)損的影響，得出當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)占所有車(chē)輛總和的60%時(shí)，配電網(wǎng)需要為此增加將近15%的投入，而在非高峰時(shí)段的網(wǎng)損可能增加到近40%。文獻(xiàn)[72]指出如果電動(dòng)汽車(chē)成為英國(guó)的主流車(chē)輛，將需要相當(dāng)多的電網(wǎng)投資。為減小汽車(chē)入網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的負(fù)面影響，文獻(xiàn)[73]提出了在智能配電網(wǎng)中基于需求響應(yīng)的控制策略；文獻(xiàn)[70]371討論了插入式電動(dòng)汽車(chē)的協(xié)調(diào)充電方式，以實(shí)現(xiàn)最小化系統(tǒng)功率損耗。

最后，雖然理論上電動(dòng)汽車(chē)可以作為微電網(wǎng)的儲(chǔ)能單元，但是電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)常地參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)需要更多長(zhǎng)期的實(shí)際數(shù)據(jù)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[74]。汽車(chē)中運(yùn)行的溫度、溫度和機(jī)械震動(dòng)等條件相對(duì)很惡劣，面臨的沖擊性負(fù)荷也很頻繁，以致車(chē)用標(biāo)準(zhǔn)的電池及其控制系統(tǒng)的成本更高?？赡芮泻蠈?shí)際的一種方式是利用分布式新能源中的能量存儲(chǔ)器(如電池組、超級(jí)電容和超導(dǎo)儲(chǔ)能等)集中調(diào)節(jié)，比如文獻(xiàn)[68]513提到高峰時(shí)用就近的儲(chǔ)能裝置給電動(dòng)車(chē)充電，而儲(chǔ)能裝置可由光伏或低谷時(shí)的電能充電。如果將儲(chǔ)能裝置和逆變器構(gòu)成的系統(tǒng)控制為虛擬同步機(jī)[75]，還能模仿傳統(tǒng)同步機(jī)為電力系統(tǒng)提供虛擬慣性與阻尼。此外，如果將汽車(chē)中的舊電池回收處理再用于分布式電源中，也將是延長(zhǎng)電池使用價(jià)值的一種很好的嘗試[76]。

5 結(jié)論

(1)純電動(dòng)汽車(chē)與插電式混合動(dòng)力汽車(chē)具有節(jié)能環(huán)保、低谷充電等優(yōu)點(diǎn)。在常規(guī)能源告急和生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，它們將是未來(lái)的發(fā)展方向。和純電動(dòng)相比，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)雖然造價(jià)更高，卻無(wú)續(xù)航焦慮，其電池容量更小、壽命更高，對(duì)充電速度的要求更低，因而更易普及。與此同時(shí)，當(dāng)前市場(chǎng)占有率最大的混合動(dòng)力汽車(chē)也將作為節(jié)能減排的有效方式長(zhǎng)期存在，而不會(huì)只是電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡產(chǎn)品。混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的普及也將為純電動(dòng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展做鋪墊。

(2)在電網(wǎng)規(guī)劃中可以有規(guī)劃地發(fā)展小區(qū)及公共停車(chē)場(chǎng)的慢充設(shè)施，而快充充電站與各種電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)趨勢(shì)逐步協(xié)同發(fā)展。充電設(shè)施可采用光伏和風(fēng)能等分布式新能源供電，并通過(guò)分布式新能源中的儲(chǔ)能裝置來(lái)平滑電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)。這種充電站與新能源的互聯(lián)方式低碳經(jīng)濟(jì)相得益彰。

(3)就電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)一步向電網(wǎng)回饋電能的命題，本文從應(yīng)用角度分析了需要攻克的難點(diǎn)。其中最首要的是電池組的研發(fā)。唯有電池技術(shù)取得突破，電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)才有更大的應(yīng)用空間。電動(dòng)汽車(chē)入網(wǎng)還需要通過(guò)一定規(guī)模的試點(diǎn)運(yùn)行，評(píng)估電動(dòng)汽車(chē)和配電網(wǎng)的成本、收益和調(diào)控能力，確立車(chē)商對(duì)電池組的保修模型和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

盡管電動(dòng)汽車(chē)的推廣任重而道遠(yuǎn)，但前景十分可觀(guān)。加之我國(guó)政府在治理環(huán)境污染和推動(dòng)新型產(chǎn)業(yè)方面的力度，未來(lái)的智能電網(wǎng)將會(huì)為這些新技術(shù)的應(yīng)用保駕護(hù)航。

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On the Development and Trend of Electric Vehicle and Charging Stations

ZENG Qi1， HAN Gujing2， ZHANG Hong3， LIU Dichen4， QIAN Wei5

(1. State Grid Hunan Electric Power Corporation, Yiyang Division, Yiyang 413002, China; 2. School of Electronic and Electrical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430200, China; 3.State Grid HunanElectric Power Corporation, Maintenance Division, Changsha 410015, China; 4. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China; 5. Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA)

As the problems of environmental deterioration and energy crisis get more severe, electric vehicles and renewable energy technologies are considered as a necessary means for solving these issues. Nowadays, the global share of electric vehicle is still relatively small, especially in China; thereby, the types of electric vehicles and charging stations still need exploring with lots of uncertainty. The construction plan of charge facilities for electric vehicles is of great significance in the application of electric vehicles as well as the stability of grid operation. Starting with the categories of electric vehicles, this paper investigates some practical issues of charging facilities such as the type, size, and timing, etc.; it discusses the integration of renewable energy into charge station so as to manage the electric energy in electric vehicles in a cost-effective way; finally, it analyzes the feasibility of vehicle-to-grid as well as key technologies to be studied in future.

electric vehicle; charge；distributed generation

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.001

TM727

A

1672-0792(2017)10-0001-10

2017-05-07。

國(guó)家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(SGCC-MPLG029-2012)。

曾琦(1980-)，男，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)殡娏I(yíng)銷(xiāo)與市場(chǎng)開(kāi)拓、電動(dòng)汽車(chē)與充電樁、分布式電源、電能替代與節(jié)能管理等。韓谷靜(1981-)，女，副教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電和電力電子技術(shù)。張宏(1980-)，女，碩士，副高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力系統(tǒng)保護(hù)。劉滌塵(1953-)，男，教授/博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ψ詣?dòng)監(jiān)控技術(shù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用等。錢(qián)薇(1980-)，女，博士，主要研究方向?yàn)榻恢绷髯兞髌鳌⑵?chē)電氣化等。