电动汽车及其充电设施的发展模式

曾 琦， 韩谷静， 张 宏， 刘涤尘， 钱 薇

(1. 国家电网湖南省电力公司 益阳供电分公司，湖南 益阳 413002；2.武汉纺织大学 电子与电气工程学院，湖北 武汉 430200; 3.国家电网湖南省电力公司 检修公司，湖南 长沙 410015；4.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；5.密西根州立大学，密西根州东兰辛 48824 美国)

电动汽车及其充电设施的发展模式

曾 琦1， 韩谷静2， 张 宏3， 刘涤尘4， 钱 薇5

(1. 国家电网湖南省电力公司 益阳供电分公司，湖南 益阳 413002；2.武汉纺织大学 电子与电气工程学院，湖北 武汉 430200; 3.国家电网湖南省电力公司 检修公司，湖南 长沙 410015；4.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；5.密西根州立大学，密西根州东兰辛 48824 美国)

随着环境问题与能源危机的日益严峻，电动汽车和可再生能源技术被认为是解决这些难题的必要手段。现在全球尤其是我国的电动汽车市场占有率还比较小，电动汽车的形式和充电站的建设仍处于一个具有很多不确定性的探索阶段。如何规划电动汽车的配套设施不仅直接决定了我国电动汽车的推广应用，也关系到电力系统运行的稳定性。从电动汽车的类型着手，介绍了充电设施可依据的形式、规模和时机等实际问题；探讨了充电站与可再生能源的有机结合以经济地调控电动汽车的电能；最后剖析了电动汽车入网的可行性以及有待突破的关键技术。

电动汽车； 充电； 分布式能源

0 引言

在最近的二三十年，工业生产总值和国民生活水平发生了翻天覆地的变化。其中很重要的一个标志是汽车已经进入了越来越多的家庭。然而，粗放型发展造成了对环境的负面压力。车辆的日益增多消耗了大量的石油，而且内燃机的不完全燃烧所排放的尾气又加剧了环境污染。能源危机与环境污染已经成为我国乃至全球关注的热点问题之一。要实现节能减排、可持续发展，电动汽车以及新能源技术被认为是必然的选择之一。电动汽车的能量转换效率将从内燃机的30%提高到大约60%～70%[1]。但是，现阶段电动汽车尚未普及使用，市场占有率较小。要推广电动汽车市场，需要有便捷的充电设施支撑，充电设施的建设离不开电网的支持。

一方面，电网需要对新建充电设施的区域增加装机容量，对电动汽车充电行为进行调控；另一方面，电动汽车也将对电网造成全方位的影响。有不少文献探讨电动汽车大多是在电网低谷时充电，而在电网负荷峰值时可向电网回馈其电池组的储能[2-4]。这就是电动汽车入网(V2G - Vehicle to Grid)，即“有序充电”、“削峰填谷”，这样反而有希望为电力系统的稳定经济运行助一臂之力。

现有文献侧重于电网方面的研究，较少剖析电动汽车入网需要解决的实际难题。电动汽车的充电行动在时间和空间上有一定的不可控性，对配电网的调度管理提出了新的挑战。如果控制不当，大容量的充放电行为可能引发配电网过载以及系统失稳。这些影响催生了智能电网，即结合传感技术和信息通迅实时控制分布式发电，合理控制电动汽车的充放电行为，尽量平缓电动汽车对电网的冲击。电网对电动汽车的支持也将大力推动电网中新能源的高科技产业化。对国家经济而言，这将意味着新型技术附加型产业代替传统的廉价劳动力密集型产业，其中很重要的新型产业就是汽车和电力电子工业。不仅如此，这也会带动其他相关的制造业、信息产业以及金融业的全面飞跃。

那么，充电设施需依据哪些电动汽车的形式和容量来设计，要解决哪些实际问题？如何有效利用新能源技术应对电动汽车对电网扩容的需求？电动汽车向电网卖电还有多远，又存在哪些关键的应用问题？本文将以国外电动汽车与电网的发展情况为参考，并结合我国实际深入浅出地回答以上问题。“它山之石可以攻玉”，故希望为发展电动汽车、建设下一代新型电网的决策起到抛砖引玉的作用，尽量避免我国在基础设施建设中走太多弯路。

1 电动汽车类型

电网扩容和基础设施建设应该以哪些电动汽车类型和容量为目标？先简单扫描一下我国应当考虑哪些类型的主流电动汽车产品[2]2279：

(1)纯电动汽车(EV-Electric Vehicle)，如福特Focus和日产Leaf。它们将电池组的直流电能通过逆变器来驱动电机。电池组主要通过充电器来补充电能。电动车虽然结构更精简，但现阶段里程数受电池容量的限制，且如果用慢充方式，其深度充电时间过长。

(2)混合动力(Hybrid EV，HEV)，如丰田Prius和福特Fusion混合动力车。它们是在传统内燃机车的基础上整合了纯电动车中的电池及电力电子装置，所以控制方式比传统汽车和纯电动都复杂。这类汽车没有配备从电网给电池充电的功能，只在汽车下坡、减速制动或者内燃机发电时通过变流器给电池充电，故只能在一定的低速区间完全由电能驱动。混合动力相比内燃机车很大程度地提高了效率，减小了尾气排放。在规划汽车产品和充电站时，应考虑到这种不影响电网行为的混合动力车在中国将会占据一定的市场份额。而且，为了降低国产混合动力车的价格,我国应该自主生产其中昂贵的车用功率器件，包括未来的宽禁带高温半导体[5]。

(3)插电式混合动力汽车(Plug-in HEV, 简称PHEV)，比如Prius插电式电动车、通用Volt和福特C-Max(最近几年在混合动力汽车基础上发展起来的)。顾名思义，就是可充电的混合动力。按能量传递路径，混合动力汽车分为串联型、并联型和串并联型[6]。图1为以2013款Prius为代表的串并联型插电式混合动力汽车的原理图。从结构上看，它与上面提到的非充电型混合动力汽车类似，只多了一个交直流转换的充电器。当然，其电池容量比传统混合电动汽车的大，成本也相应地更高。图示的结构包含2个永磁电机，即一个60 kW的驱动电机和42 kW的发电机。双向的变流器用于驱动2个电机并向电池充电。内燃机、驱动电机和发电机靠动力分配装置(又名行星齿轮)的耦合来汇总和分配三者的出力。驱动轮的齿轮只由驱动电机的齿轮带动。内燃机并不直接关联车速，只运行在效率较高的转速；或者在一定的低速范围内，控制系统会停止内燃机而完全靠电机来行驶。因此，插电式混合动力汽车可以实现在一定里程内不依赖汽油(故名全电里程或续驶能力)，在电池的电能不够时可由汽油供应能量。而与纯电动汽车比，插电式混合动力汽车不仅有充电功能，又保留了传统车加油方便快捷这一灵活性。

图1 串并联型插电式混合动力汽车原理图

(4)此外还有燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle)及其衍生物插电式燃料电池汽车。除由电网充电外，插电式燃料电池汽车的另一能量来源是高压氢气产生的能量。目前成本还很昂贵，所以已经投产的居民用车很少。

综上所述，广义的电动汽车包括混合动力在内的各种以大功率电池组为动力的汽车[7]。而本文将沿用更熟知的狭义定义指代可入网充电的汽车——纯电动汽车与插电式混合动力汽车。二者必然是未来的发展方向，尤其适合于中国市场，因为居民日常行驶的区段多以城区为主。相比高速，城区速度较低，加上红绿灯路口的起停，因而传统汽车的内燃机能量转换效率就比较有限。在我国[8-9]和一些发达国家[10]，政府为了鼓励环保汽车，对购买和使用电动汽车有退税优惠等政策倾斜。混合动力刚开始逐渐增多，其市场份额没有达到预期的比例，以致传统车商对电动汽车的投入还比较保守。美国电力研究院曾预计到2020年PHEV在所有汽车的占有量达到35%[3]5674。但是，到2014年为止，美国纯电动和插电式电动车总的积累销售量少于30万辆，无以实现2011年定下的至2015年底达到100万辆的目标[11]。其中一个原因是成本和价格仍比同等级的传统汽车高很多，另一个不利于电动汽车的障碍是充电设施不多。然而，充电设施的建设又在很大程度上依赖于汽车市场的走向。

2 充电设施

2.1充电与换电设施对比

首先，充电站的模式应该采用充电还是换电如今这一争论已初见端倪。现有的充电时间使得特斯拉和以色列的Better Place都尝试过换电模式，他们却最终铩羽而归。换电是用充满电的电池组来更换需要充电的电池组,它相比于慢充用时要短；换电模式的电动车起价低于充电模式,它可利用夜间低谷电价集中充电，故比充电站的充电成本低。换电模式看似适用于公共交通、物流及出租车队，但对家用汽车并不方便。其实，换电模式没有充分考虑到电池的实际困难。各种电动汽车中电池组都没有完全统一的标准，以至于换电站对各种成本不菲的电池均需储备。反复拆装可能造成接口接触的机械性能下降，而且电池与电池管理系统的拆装失误或者不匹配都易引起安全事故,那样车商与换电站的保修权责很难协调，更何况换电的基础设施投入成本也高[8]2。所以国家电网公司从2011年的主推“换电”转变为2014年的主导“充电”。

2.2快充与慢充设施对比

首先简要比较一下表1中充电器大致的功率分类[3, 12]5673。

1级充电器属于车载充电器，可以直接使用普通的家用单相110 V(北美)或220 V(中国)交流插座。车载式充电器配有前置功率因数校正器，把交流电转换成直流从而给电池组充电。输出电流为12～20 A，最大功率约为1.9 kW，故适用于长夜慢充。

2级充电器仍是车载充电器，通过电动车服务设备(Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE)与单相或三相电网连接。EVSE是一种插头，除功率导线以外还附加了通信和安全信号/协议，以保护用户与充电设备的安全。此类充电器输出电流/功率从17 A/4 kW到80 A/19.2 kW不等。企业、居民楼、商场等的公共停车场宜采用此方式。车载充电器的空间、重量、发热和成本限制了所能整流的最大功率，所以75 A以上电流的应该采用以下的3级非车载充电。

表1 充电器基本分类

3级充电器直接以直流快充方式充电[13]，在30 min内将电池充到80%的容量，适用于快充充电站。直流充电需要充电桩识别所充电池的电压、容量和电荷状态(SOC，State of Charge)等信息。虽然目前还在探索阶段，但直流充电站是未来值得研究的一个方向。一个附加的优点是因无需配备车载充电器，电动汽车本身的重量稍微减轻了。

文献[12, 14-15]2151总结了慢充、快充等各种类型对于消费者的适用性，指出大部分的用户会在家充电。因此，可以有计划地发展小区及办公区公共停车场的1级、2级充电设备，而快充充电站并非电动汽车大规模推广的先决条件。充电桩的建设规模和时机与电动汽车的销售趋势相协调，以它国为鉴并兼顾我国市场的特点。文献[16]的模型根据油价、电价、汽车历史售价等信息预测插电式混合动力汽车销售量及其负荷曲线。充电站的分布考虑交通量[17-18]和服务半径[19]，并结合电动汽车运行特点[20-21]而定。电动汽车的全电里程是影响充电站服务半径的重要因素，故服务半径以单次充电全电里程(甚至更短)为最小距离。各区域的电动汽车使用量和我国居民平均每天的行驶里程决定了充电需求量。依据电动汽车的全电里程、电池容量(如表2所示)和各种充电器的功率可估算行驶里程所需的电量和功率。虽然用户的充电行为不完全可控，但是随着未来云端大数据的发展，大量实时的统计数据将成为可能[22]。文献[23]例举了丰田汉兰达和通用Volt在40 km的全电里程内需要平均约15～17 kW·h的能量，对应20～23 kW·h的电池(此数据是基于一般的PHEV最高电荷状态约在95%，最低约20%。也就是说，每次充放电只有75%左右的总能量或放电深度)。对于快充充电桩的功率选择，文献[15]818分析了充电时间和充电器成本2个变量与充电功率的关系，得出合适的快充功率是40～50 kW。

表2 现有的几种PHEV和EV的充电特性及对充电设施的要求

2.3无线充电设施

从1978年开始就有文献研究无线充电技术[24]。适用于电动汽车的一种方式是电磁感应，即在停车位或地面下安装原边线圈，汽车底盘上安装副边线圈，通过类似高频变压器的交变磁场传递电能。为减小电源容量和提高输出功率，另一种是在此基础上加入补偿网络、形成磁场共振来传递能量[22, 25-30]68。后者不要求线圈对应，可同时对多个设备充电。因为不用插拔电源，停车充电变得更便捷；随时充电减小了深度充放电的机率；磁隔离方式也防止了触电隐患。不足之处是原、副边线圈固有的气隙使充电器的效率和功率密度还比较低，而且磁耦合度还依赖于线圈对准的程度。不过，可升降的原边基座能让两边线圈更靠近而提高充电效率。当然，停车充电没有完全消除全电里程的焦虑，因而另一种实现是行驶充电[24, 30-31]137，3370，即在公路下沿路都有原边线圈，由车底的副边线圈在行进中收集原边的电能。无线充电技术可能使电池容量减小20%[25]4，减少快充充电站的需求量[12]2151，对电网有积极的影响。

3 充电设施与分布式新能源有机结合

图2 光伏充电站示意图

如果电动汽车的电能来源于煤电，那么整个能量链仍不是真正意义上的零排放。大型电站一般远离居民聚集的城区。分布式可再生能源(如光伏和风能)发电构建灵活，又是耗不尽的能源，是对主流电网很环保的补充[32-36]。

以图 2所示的光伏充电站[37-38]为例，它首先将太阳能转化为直流电能，再经逆变器后，以电动车服务设备为接口输出给电动车。当光能不足时，充电站可从电网取电；而当产电过剩时，多余电量卖给电网[39]。文献[23]3讨论了充满一辆车跑40 km所需的光伏板的大小，在冬天最少为78 m2，而夏天日照最强的天气里只需约1/4的大小。

许多公司在尝试绿色环保的分布式发电。例如，谷歌已在其总部安装了9 MW·h/天光伏并网发电系统。目前光伏电板尚未全面普及，一是其转换效率仍较低，二是成本仍很高。

类似地，并网型风电充电站，既能独立供电，又可与电网交互电能[40]。不同于光伏，风能在夜晚也能供电。目前风电技术日趋成熟，可用率已达95%以上，已是一种安全可靠的能源。光伏、风电、燃料电池等这些分布式电源将给电网带来的影响有：1)得益于可再生能源中的各种储能方式[41-43]，发电与用电不再需要实时平衡。这将有效地利用电力设备，降低供电成本，提高系统运行稳定性。2)同时，分布式发电是对电能质量管理的挑战，包括继电保护、电压控制和谐波监控等方面[44]。3)如果分布式电源将容余电能回馈给电网，电力公司需要向用户买电或支付能源信用点。双向用电计量将带来用配电网的升级[3, 45]5674。4)电力储备与潮流的协调管理将很大程度上依赖于智能信息网的数据分析。未来的智能通信网可根据电池电量为电动汽车提供最近、最经济的充电站点信息[46-47]。5)各种新能源的涌现使电力市场更加多源化。电力行业的效益将不仅是粗放型发展模式下的产电量或者筹电量，而是能源生产销售的投入产出比[48]。

4 电动汽车入网的挑战

目前，关于电动汽车对电网的影响仍处于探索阶段。文献[49-52]从不同角度分析了电动汽车对电网的影响。众多电动汽车充电主要在工业负荷降低的夜间，这样既能达到环保的目的，又能改善电力负荷曲线和提高电网的经济效益。然而，大量的充电行为有一定的随机性，以致电力供应需要增加一定裕量，具体的容量增长视每国情况和预测模型而不同。比如，文献[53]乐观地预计美国到2050年有一半的汽车是插电式混合动力汽车，只需8%的电力需求增加(对应4%的容量增长)。为提高设备效率和利用率、减少电网建设改造的投资，文献[54-55]提出根据分时电价为用户制定经济的充电方案，合理调节电动汽车的充电行为来降低峰谷差。更进一步的研究是将电动汽车作为备用电源，根据电网需求主动参与调节电网的峰谷负荷[56]。此外，电动汽车入网的其他应用包括调控频率[57]、平滑可再生能源的间隙功率输入[58]、补偿无功和谐波电流[59]。然而，实现电动汽车入网需要解决以下实际问题：

首先，无论是对于快充还是电动汽车入网，电池成本和寿命是最大的瓶颈。电池组是电动汽车最昂贵的部件，而且现阶段其持续放电里程和寿命还比较有限。比如100 km的全电里程要求10 kW·h的电能，考虑变流器的转换效率为96%，锂离子电池的能源效率90%和80%的放电深度，共需要有15 kW·h的电池电量来补偿在电池和变流器的能耗及有限的放电深度。这样一个15 kW·h的电池组需要6千欧元[60]。锂离子电池的寿命约为10年/24万km，且前提是它们没有经常被过充或过放、没有一直在高温下运行[61]。制约电池组寿命的另一难题是组内各节电池的平衡问题。比如，一个锂离子电池组一般是由几十节锂电池串联而成，老化后各节电池不可避免地呈现出不同的充放电特性。国外有不少学者提出了各种电池平衡的方法[62-64]。工业应用最多的电池平衡主要仍以耗能型为主，也就是各组电池间的平衡通过电阻放电达到电池组中每节电池的平衡。德州仪器公司推出了基于升降压直流逆变电路(buck-boost converter)的电池平衡控制芯片，其电路损耗理论上要比耗能型的低，但也不是完全无损的。文献[65]比较了几种商业化电动汽车电池的性能参数，总结了锂离子电池性能指标。锂离子的能量是第二代Prius中所用的镍氢电池的2～3倍，但液态电解质锂离子电池继续扩容的最大挑战是如何保证安全稳定性、循环寿命和成本。文献[66]归纳了各种高能量密度固态锂电池，指出固体电解质代替电解液发展全固态锂离子电池是解决电池安全问题的根本途径。因为全固态锂离子电池在提高能量密度、拓展工作温度范围和延长使用寿命上有较大的空间，而且单体内可层叠串联，可采用印刷、涂布、卷对卷等新型技术进行大面积生产，有望显著提高生产效率从而降低成本。

其次，需要通过一定规模的长时间试点运行，深入分析电动汽车和配电网各自的运行成本和实际收益，并确立汽车产商对电池组的保修模型。汽车卖电貌似能收回一些成本，但电动汽车慢充的时间仍很长，而且一般家庭用车时均在用电高峰时段，而闲置时电价也是低谷。锂电池的深度放电次数大概是2 000～4 000次。考虑未来电池的成本大概是300美元/kW·h和3 000次80%充放电深度的生命周期，以美国原电池生产商A123的16 kW·h的电池组为样本，用户卖电的最大年净收益只有10～120美元[3]5674。而文献[67]基于瑞典2008年的市场模型的仿真则显示无利润可言。大量电动汽车的入网将提高输配电和稳定电网的成本，导致汽车卖电的收益降低。而且从能源利用的角度，充放电的能量损耗(或者效率)应作为很重要的衡量标准。

再次，需要用试点所得数据来充分论证电网对电动汽车充放电的协调控制。回馈电能可能造成变压器和输电线的过载，电压失调，加重峰荷需求和影响配电系统的动态稳定性[3, 68-70]5674。这就需要变压器和输电线都预留更多的设计安全裕量，投资成本因而随之增加。在文献[71]针对法国的一台160 kVA低压变压器老化模型中，变压器老化率因电动汽车入网而呈平方倍地增加。文献[49]26讨论了不同的插电式汽车普及水平对配电网投资和网损的影响，得出当电动汽车占所有车辆总和的60%时，配电网需要为此增加将近15%的投入，而在非高峰时段的网损可能增加到近40%。文献[72]指出如果电动汽车成为英国的主流车辆，将需要相当多的电网投资。为减小汽车入网对配电网的负面影响，文献[73]提出了在智能配电网中基于需求响应的控制策略；文献[70]371讨论了插入式电动汽车的协调充电方式，以实现最小化系统功率损耗。

最后，虽然理论上电动汽车可以作为微电网的储能单元，但是电动汽车经常地参与电网调节需要更多长期的实际数据和行业标准[74]。汽车中运行的温度、温度和机械震动等条件相对很恶劣，面临的冲击性负荷也很频繁，以致车用标准的电池及其控制系统的成本更高。可能切合实际的一种方式是利用分布式新能源中的能量存储器(如电池组、超级电容和超导储能等)集中调节，比如文献[68]513提到高峰时用就近的储能装置给电动车充电，而储能装置可由光伏或低谷时的电能充电。如果将储能装置和逆变器构成的系统控制为虚拟同步机[75]，还能模仿传统同步机为电力系统提供虚拟惯性与阻尼。此外，如果将汽车中的旧电池回收处理再用于分布式电源中，也将是延长电池使用价值的一种很好的尝试[76]。

5 结论

(1)纯电动汽车与插电式混合动力汽车具有节能环保、低谷充电等优点。在常规能源告急和生态环境恶化的双重压力下，它们将是未来的发展方向。和纯电动相比，插电式混合动力汽车虽然造价更高，却无续航焦虑，其电池容量更小、寿命更高，对充电速度的要求更低，因而更易普及。与此同时，当前市场占有率最大的混合动力汽车也将作为节能减排的有效方式长期存在，而不会只是电动汽车的过渡产品。混合动力和插电式混合动力汽车的普及也将为纯电动的长远发展做铺垫。

(2)在电网规划中可以有规划地发展小区及公共停车场的慢充设施，而快充充电站与各种电动汽车的市场趋势逐步协同发展。充电设施可采用光伏和风能等分布式新能源供电，并通过分布式新能源中的储能装置来平滑电网的负荷波动。这种充电站与新能源的互联方式低碳经济相得益彰。

(3)就电动汽车进一步向电网回馈电能的命题，本文从应用角度分析了需要攻克的难点。其中最首要的是电池组的研发。唯有电池技术取得突破，电动汽车入网才有更大的应用空间。电动汽车入网还需要通过一定规模的试点运行，评估电动汽车和配电网的成本、收益和调控能力，确立车商对电池组的保修模型和行业标准。

尽管电动汽车的推广任重而道远，但前景十分可观。加之我国政府在治理环境污染和推动新型产业方面的力度，未来的智能电网将会为这些新技术的应用保驾护航。

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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。

国家电网公司大电网重大专项资助项目(SGCC-MPLG029-2012)。

曾琦(1980-)，男，高级经济师，研究方向为电力营销与市场开拓、电动汽车与充电桩、分布式电源、电能替代与节能管理等。韩谷静(1981-)，女，副教授，研究方向为新能源发电和电力电子技术。张宏(1980-)，女，硕士，副高级工程师，研究方向为高压直流输电、电力系统保护。刘涤尘(1953-)，男，教授/博士生导师，研究方向为电力自动监控技术、电力系统稳定与控制、电力电子技术在电力系统的应用等。钱薇(1980-)，女，博士，主要研究方向为交直流变流器、汽车电气化等。