电动汽车充电模式分析

刘群峰

1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206

2.杭州市电力局，浙江杭州 310009

进入21 世纪以来，我国能源安全和环境保护问题日益突出。我国石油进口依赖度逐年提高，作为石油消耗的主体，预测到2020 年我国燃油汽车石油消耗量将达到55%[1]。此外，环境保护方面，机动车尾气污染已经成为城市最主要的污染源。为实现经济社会可持续发展，国家提出节能减排战略，减少汽车尾气排放，改善城市环境已成为政府的首要任务。根据我国能源、资源的禀赋特点，纯电动汽车是我国新能源汽车发展的主要取向，它对降低石油进口依赖，提高能源安全，实现能源多元化、清洁化意义重大。近年来，电动汽车产业培育和发展作为国网公司落实国家新能源政策、建设统一坚强智能电网的重要组成部分，已在多个省市开展了一系列电动汽车充换电技术、基础设施建设、运营模式的研究与实践工作，试点建设取得了一批丰硕成果。当前电动汽车推广使用仍在示范运行阶段，电动汽车充电模式及方式还需进一步试点研究，本文简要分析电动汽车充电模式和供电需求，对不同电动汽车以及不同发展阶段电动汽车使用的充电方式提出浅见。

1 电动汽车主流充换电模式

电动汽车以蓄电池储能作为驱动力，由于电池储能水平短期内难以突破，与内燃机汽车500km 的设计续航里程相比，电动汽车续航里程是一个明显的短板。电池的动力特性决定了当前电动汽车小型化、轻量型和低配置的发展方向，选择适合的电能供应方案可以弥补电动汽车续航里程不足的短板，是电动汽车使用的关键问题。电动汽车电能供应有四种主要模式：快速充电、慢速充电、电池更换、非接触式充电等。

1.1 快速充电模式

快速充电模式采用公共充电设施对电池充电，也即非车载充电模式。充电设施有一体式直流充电机、分体式直流充电机两种类型。按现有电池充电技术水平，电池充电容辆0.5C，电池深度充放电情况下充满时间约为2 小时，理论上最高可减少至半小时。一般布置于市区内部、高速公路、城际公路等，为客户提供快速充电服务。

主要优点：技术较为成熟，接口标准要求较低；充电速度快，增加电动汽车长途续航能力，是一种有效的补充方案。

主要缺点：充电功率较大，接口和用电安全提高，电池散热成为重要因素；电池不能深度充电，一般为电池容量的80%左右，容易损害电池寿命，需要承担更多的电池折旧成本；短时用电消耗大，对配电网要求较高，基础设施配套需求巨大；一般在白天和傍晚时间段充电，属于城市电力负荷高峰时段，对城市电网的安全性是一种威胁，而且不享受夜间电价打折；快速充电模式技术较为成熟，接口标准逐渐统一。

1.2 慢速充电模式

慢速充电模式采用车载充电设备对电池充电，也即车载充电模式或插电式充电模式。与快速充电模式相比，慢速充电模式功率低，约6.6kW，同时充电时间加长，一般为8 小时～10小时。

主要优点：慢速充电技术成熟，技术门槛低，使用方便，容易推广普及；充电设施配置简单，占地较小，投资少；电池充电过程缓和，电池能够深度充满，续航能力更长；充电时电池发热温和，不易发生高温短路或爆炸危险，安全性较高；接口和相关标准较低；充电功率相对低，对配电网要求降低，基础设施配套需求小；一般选择夜间充电，可避开傍晚用电高峰期，享受低谷电价优惠，节能效果较好。

主要缺点：充电时间长，续航里程有限，使用受到限制；充电设用于有慢速充电需求的停车场所，如住宅小区停车场，社会公共停车场等。

1.3 电池更换模式

电池更换模式采用动力电池更换迅速补充车辆电能，电池更换可在3 分钟以内完成，理论上无限提升了车辆续航里程。

主要优点：电池更换客户感受接近传统的加油站加油；用户只需购买裸车，电池采用租赁，大幅降低了车辆价格；采用适合的充电方式保证电池的健康以及电池效能的发挥，电池集中管理便于集中回收和维护，减小环境污染；选择夜间用电低谷时段慢速充电，降低服务机构运行成本，对电网起到错峰填谷作用。

主要缺点：基础设施建设成本较高，占用场地大，电网配套要求高；需解决电动车更换电池方便问题，例如电池设计安装位置、电池拆卸难易程度等；需要电动汽车行业众多标准的严格统一，包括电池本身外形和各项参数的标准化，电池和电动车接口的标准化，电池和外置充电设备接口的标准化等；电池更换容易导致电池接口接触不良等问题，对电池及车辆接口的安全可靠要求提高；电池租赁带来的资产管理、物流配送、计价收费等一系列问题，运作复杂性和成本提高。

2 各类型电动汽车供电需求

各类型电动汽车的运行特点和供电需求各有差别差异，以下做具体分析：

2.1 公交车辆、社会运营车辆

运行特点是：运行时间较长，运营里程不固定，中途不能停运。供电需求是：一次充电至少应满足单程运行，应提供电能快速补充或其他动力补充，可利用停运时段快速充电，需要特定的充电设施和场所。适用的模式是：慢速充电结合快速充电，技术条件允许的情况下可采用电池更换。

2.2 景区观光、城市环卫车辆

运行特点是：使用区域固定，单程较短（统计数据表明，环卫车辆平均每车每日运行距离约为100km）。供电需求是：一次充电基本可以满足全天运行需要，一般在夜间停运期间充电，也可利用停运时段充电，有较固定的充电场所。适用的模式是：慢速充电。

2.3 市政车辆、邮政车辆

运行特点是：一般在城区使用，单程较短。供电需求是：一次充电基本满足往返运行里程，一般在夜间停运期间充电，也可利用停运时段充电，有较固定的充换电场所。适用的模式是：慢速充电结合快速充电。

2.4 政府公务车、企业商务车

运行特点是：一般用于短途使用，有长途使用的需求，行驶里程不固定。供电需求是：一般在夜间停运期间充电，在必要时需快速充电或换电。适用的模式是：慢速充电结合快速充电或电池更换。

2.5 出租车

运行特点是：运营时间一般不间断，运行时间和里程较长，行驶区域不固定，需及时快速补充电能，尽可能增加运营时间，提高经济效益。供电需求是：一次充电续驶里程难以满足当日运行需要，根据续驶里程应提供必要的充电设施，尽可能缩短供电时间。适用的模式是：电池更换。

2.6 私家车

运行特点是：一般用于家庭出行和上下班使用，里程较短，夜间基本停运。供电需求是：一次充电基本满足全天运行需要，一般在夜间停运期间充电，在必要时应快速充换电。适用的模式是：慢速充电结合快速充电或电池更换。

3 不同发展阶段充换电适用模式

从电动汽车商业运营的示范运行、成熟推广、引领提升三阶段的发展历程来看，受经济环境、发展水平、注重面不同，电动汽车各阶段充换电适用模式也有所差别。

3.1 示范运行阶段

在示范运行阶段，运行车辆较少，电动汽车配套基础设施、各项关键技术、服务维修体系还未形成，电动汽车社会服务水平较低。车辆使用范围主要以特定对象为主的机构，一般消费群体例如私人家庭难以产生有效的使用需求。示范运行的电动汽车需要政府补贴支持，以公交车、市政工程、邮政环卫、政府公务用车、景区观光车辆等为主，逐渐带动社会用车的增长。充电模式一般应采用整车充电方式，逐渐引入电池更换技术。在大型城市和风景名胜等有条件、有需求的区域，建设电动汽车充换站，试行电池租赁，在前期电池购买成本较高的情况下，大幅降低客户面临首次成本。在部分公交首末站等场所建设充电站，利用夜间用电低谷时段集中慢速充电，同步在居民小区、道路、停车场、景区等场所配套建设充电桩。

3.2 成熟推广阶段

在成熟推广阶段，电动汽车配套基础设施、各项关键技术、服务维修体系等趋于成熟，电动汽车保有量增加，运行使用和服务机构的综合成本较为合理，电动汽车厂家和型号增加，产业链已形成和完整，购置、售后及维修养护等方面社会化服务便捷，对一般性个体消费者的吸引力增加。电动汽车使用领域积极向出租车推广，并向中、低端私人家庭用车领域延伸。电动汽车规划及时编制修订，电动汽车基础设施建设从大城市、风景区向市郊、二、三线城市普及延伸，大城市间的公路主干道建设充换电设施，城际互联得以实现，区域服务网络基本形成。电池租赁业务逐步社会化，定价水平较燃油消费大幅降低。

3.3 引领提升阶段

相对于成熟推广阶段，本阶段电动汽车配套的法规、政策基本完善，电动汽车配套基础设施、各项关键技术、服务维修体系等已成熟，全国服务网络及售后、维护体系形成，相关衍生产品推出带动相关产业发展并形成完整产业链。电动汽车得到大规模应用，社会保有量特别是私人家庭用车激增。电动汽车综合成本进一步降低，服务机构基本实现保本甚至盈利。

4 电动汽车充电设施发展现状

目前，电动汽车充电设施各项关键技术已趋成熟，在政府部门支持下，电力供应商主导了充电基础设施和服务网络的建设运营，推动电动汽车产业的发展， 电动汽车示范工作得到稳步推进。国家电网公司提出了“换电为主、插充为辅、集中充电，统一配送”的总体思路，对电动汽车大规模推广应用起到了积极作用。据统计，至2012 年8 月，投入示范运行纯电动汽车总量超万，几个骨干整车厂的插电式深度混合动力乘用车的研发取得很好成绩，动力电池产业集群初见端倪，动力电池的研发与产业化水平进步很快，电动汽车城际互联工程验收通过。

以换电为主导模式的试点城市杭州市。截至2012 年底，累计建设69 座充换电站（配送站）、620 个交流充电桩，城区15 分钟充换电服务圈基本成型，各县（市、区）布点实现全覆盖。863 课题基本完成研发并进入示范运行阶段，成功开发了全自动底盘换电技术和新电池箱承载系统、专用机器人。常态化运行的节能与新能源汽车已有1 732 辆，其中公交、出租、电力、邮政、快递、政府机关等公共领域用车1 398 辆，私人用车334 辆。投入运营出租车200 辆，行驶里程1529 万公里。电动汽车进入私人家庭，其中137 辆为私人租赁，80 辆为私人购买。

以充电为主导模式的试点城市深圳市。截至2012 年10 月底，已建成充电站17 座，各类新能源汽车总数已达3390 辆，其中公交车2 050 辆、电动出租车300 辆、燃料电池车62 辆、公务车20 辆、家用车超过958 辆。与之配套的充电设施也正在加紧建设中。

5 结论

电动汽车产业发展是我国“十二五”重点规划项目，也是我国汽车和相关产业难得的机遇和挑战。电动汽车充电模式以及充电设施建设是整个产业健康发展的基础和前提，应在政策支持指导下结合电动汽车发展阶段、车辆种类和运行特点科学规划、合理布局、统一标准，为电动汽车提供更完善的充电服务。

[1]滕乐天.电动汽车充电机（站）设计[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]郝娟，李强，岳建华.电动汽车充电站充电模式探讨[J].内蒙古电力技术，2010，28(S2)：7-9.

[3]岳思，李艳.电动汽车充电模式及方式浅析[J].通信电源技术，2012，29(S2)：38-40.

[4]刘潇潇，廉国海.电动汽车充电设施商业化运营模式研究[J].湖南电力，2011，2：59-62.