集约式柔性公共充电模式研究

麦炜杰，潘一军，李志刚，万新航

(1.深圳奥特迅电力设备股份有限公司, 广东 深圳 518057；2.深圳市鹏电跃能能源技术有限公司，广东 深圳 518034)

0 引言

电动汽车是汽车行业未来的发展方向，我国投入了庞大的资金和动用了大量的社会资源引导充电基础设施的建设来加快电动汽车的普及进度。

大量的研究表明，电动汽车的充电网络规划对电动汽车的发展具有重要意义，其直接影响了车辆使用的便利性与电力系统配电网运行的安全性和经济性[1]。文献[1]建立了同时考虑充电网络服务能力最大化与配电系统网络损耗最小化的电动汽车充电网络规划模型；文献[2]研究了电动汽车充电站选址对电力系统电压稳定性的影响。此外，分布式发电渗透率越来越高的情况下，大规模电动汽车接入配电网导致电能质量严重下降，迫切需要进行及时消纳[3]。这对配电网中分布式发电的合理调度提出了更高的要求，文献[3]基于主动配电网的特点，提出了含电动汽车充电和分布式电源的优化重构模型以实现电网优化运行；文献[4]提出了一种基于分层控制的有序充电控制架构，能够与传统电网控制架构融合的基础上，实现配电网范围内电动汽车和分布式可再生电源的协同有序控制。为了减小电动汽车负荷对电网的影响，文献[5]对电动汽车充电站负荷进行建模研究，考虑了充电站负荷的各种随机性因素影响，得到了反映充电站时变性的静态负荷模型，并给出了其不同渗透率情况下的日负荷曲线；文献[6]提出了一种电动汽车智能充电的调度策略；文献[7]建立了实时电价下含V2G功能的电动汽车理性充放电模型，并对电动汽车充放电运行的经济效益进行了仿真计算和分析。文献[8]针对电动汽车充电设施的运营模式和用户多样化需求，提出了一种基于物联网的充电设施柔性管理解决方案。

但是，大量的研究仍然没有彻底解决充电基础设施的建设和运营过程中的一系列问题，包括车桩不匹配、充电排队时间长、充电桩利用率不高、充电运营商盈利难、重复建设等。目前，据中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计，我国电动汽车的车桩比大约为3:1，远未达到车桩比1:1的国家目标，这意味着目前充电基础设施的建设思想以及充电模式还存在改进和创新的空间。

本文首先详细描述了国内外的新能源汽车发展情况，然后基于我国充电基础设施的发展情况，深度分析了充电基础设施发展过程中的问题。针对所描述的问题，对充电模式进行创新，提出采用基于充电堆技术的集约式柔性公共充电模式。

1 背景

1.1 我国新能源汽车发展情况

我国高度重视新能源汽车的发展，习近平总书记明确指出，“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。” 李克强总理指出，“加快发展节能与新能源汽车，是促进汽车产业转型升级、抢占国际竞争制高点的紧迫任务，也是推动绿色发展、培育新的经济增长点的重要举措。”马凯副总理在西安调研时强调，要“努力促进新能源汽车产业持续健康发展”，2017 年7月4日，马凯副总理在北京调研新能源汽车行业时指出，要“统筹规划、创新发展，推动新能源汽车产业做优做强”。新能源汽车成为了汽车产业应对能源安全、气候变化、环境保护和结构升级的重要突破口，也是推动经济可持续发展的重要战略，新能源汽车产业已被纳入“十三五”国家战略新兴产业[9]，《中国制造 2025》已经把新能源汽车和智能汽车列为国家制造强国建设的十大重点领域之一，发展新能源汽车已上升为国家战略[10]。按照“十三五”发展规划，到 2020年，我国新能源汽车将实现产销量200万辆、累计保有量500万辆的目标。

近两年，我国新能源汽车爆发性增长，根据工业和信息化部统计的数据，2016年我国新能源汽车产销51.7万辆和50.7万辆，连续两年产销量居世界第一。我国累计已推广量新能源汽车超过100万辆，占全球市场保有量的50%以上，中国已成为全球新能源汽车最重要的市场。比亚迪、吉利、北汽等企业进入全球新能源汽车乘用车销量前10位，国产新能源客车技术水平达到世界领先，并已销往全球30多个国家和地区。同时，我国新能源车技术水平也得到显著提升。目前，动力电池单体能量密度相比2012年提高了1.7倍，价格下降了60%，纯电动汽车的动力性、经济性、安全性以及舒适性，相比几年前都有了大幅度提升，基本能够满足人们日常出行需要，社会认可度也有明显提高。

1.2 全球新能源汽车发展情况

在国际上，新能源汽车和自动驾驶技术一直被认为是未来汽车发展的主要趋势，全球新能源汽车需求正在急剧增长，市场如火如荼，日产Leaf总销量已超25万辆，特斯拉Model3尚未正式上市订单便已超50万辆，产能不足成为多款车型销量瓶颈。全球各大汽车集团也纷纷披露了未来在新能源领域的发展规划。

大众集团计划到2025年上市30款电动汽车；福特在其五年战略当中提到，2020年，福特全球新能源车销量将占福特总销量的10%～25%；宝马目前在电气化领域拥有较强的技术优势，其在 2016年共销售超过10万辆新能源汽车，并计划在2025年之前将新能源汽车的销售比例提升至 15%～25%，日产、雷诺、三菱三大汽车品牌未来将共享平台打造纯电动车型，日产计划到2020年实现零排放的车辆超过20%；戴姆勒计划到2025年推出10款电动车型；而沃尔沃日前宣布，自2019年起，沃尔沃汽车所有新上市车型均将配备电动机。这标志着沃尔沃汽车将终结纯内燃机时代，电气化技术成为其未来发展的核心。自此，沃尔沃成为首个全面采用电气化技术的豪华汽车制造商。

各国政府也纷纷宣布发展新能源汽车的政策，挪威、荷兰自2025年起禁止燃油汽车销售，德国、印度2030年后将禁售燃油车(传统内燃机汽车)，法国2040年前全面禁售汽油车和柴油车。新能源汽车的未来前景极为广阔，全球将迎来新能源汽车的快速发展时期。

1.3 我国充电基础设施发展情况

充电基础设施的建设直接影响到使用新能源汽车使用的便利性，已经引起了各级政府和整个行业的高度关注，马凯副总理再三强调：要下大力气解决充电基础设施的“短板”问题，破解新能源汽车发展关键瓶颈制约，要加快充电基础设施建设。国家和各级政府也纷纷出台推动充电基础设施建设的政策，2015年10月9日，国家发改委、国家能源局、工业和信息化部、住房城乡建设部联合发布了《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》[11]，以引导电动汽车充电基础设施建设，促进电动汽车产业健康快速发展。我国正在建设覆盖城市公共领域、高速沿线、私人小区、单位内部等区域的充电服务网络，据中国电动汽车充电基础设施促进联盟(充电联盟)统计[12]，截止到2016年12月，公共类充电桩建设、运营数量接近15万个，相较于2015年末4.9万个净增2倍以上，中国充电基础设施公共类充电设施保有量全球第一，深圳、北京、上海等地已建成了规模化的充电服务网络，充电基础设施建设得到稳步推进。

1.4 我国充电基础设施发展情况

目前，国内充电基础设施建设模式主要有两种：一种是根据投放车辆实际需求建设充电基础设施，即按刚需建设；一种是按规划建设。充电基础设施的种类主要包括交流充电桩、固定功率直流充电机、电动汽车充电堆。一般情况下，按刚需建设的充电基础设施利用率较高，但按规划建设的充电设施利用率极低。根据国网公司统计的数据，国网运营的充电桩整体利用率仅为 1.46%。人民日报也在今年发表了专题文章《充电这事有点烦》[13]，指出行业里存在的“一边是充电桩利用率不高，一边是新能源车充电难”的现象，充电基础设施建设已经成为推广新能源汽车的瓶颈。

电动汽车充电基础设施发展主要存在以下问题：

(1) 充电基础设施建设需要占用大量社会资源充电基础设施建设涉及到场地、配电增容及电网改造、建设投资、政府财政补贴等多个方面，在电动汽车发展初期，电动汽车的渗透率并不高，充电基础设施建设与占用社会资源的矛盾尚不突出。但是随着电动汽车快速发展，当电动汽车的渗透率达到一定比例时，这种矛盾将会集中爆发，严重阻碍新能源汽车的发展。

下面看几个典型数据：

深圳市汽车保有量已达到320多万辆，而深圳市停车位数量只有110多万个。 在大城市中，停车位是一种紧缺资源，“一车一桩”模式完全无法满足电动汽车充电需求。以深圳为例，即使所有的停车位都建设了充电桩，也无法满足全市汽车全电动化之后充电需求。

2017年深圳市电网负荷峰期曾达到1 714.76万千瓦，创出年内新高。我们仍按“一车一桩”模式测算，仍然假设深圳市实现了汽车全电动化，如果充电桩取7 kW的额定功率和0.5的同时率系数进行测算，充电基础设施所需的配电容量将高达 1 050万千瓦，基本相当于再造一个城市电网。

(2) 现有充电基础无法满足未来大功率充电需求

随着动力电池技术的不断突破，电池能量密度和充电倍率的持续提升，电动汽车的续驶里程将不断增加，充电时间不断缩短，大功率充电的应用很快就会出现。图1给出了传导式充电的发展趋势，从图1可以看出，在电动汽车发展的初期阶段，充电功率较小，一般仅有几个千瓦，一般采用交流充电方式；随着技术不断进步，充电功率不断加大，当充电功率为几十千瓦时，交流充电和直流充电两种方式共存；随着技术的进一步发展，充电功率不断加大，充电方式基本以直流充电为主，未来大功率直流充电将成为电动汽车补充能量的主要方式之一。

图1 电动汽车传导式充电发展趋势Fig.1 Development trend of EV conductive charging

目前，国外多个主流车企都已在研制适用于大功率充电的车型，如戴姆勒新规划的车型单次充电可以续驶700公里，宝马的“Charge Now”计划提出了“充电5分钟，续驶百公里”的理念，国际电动汽车标准化组织专门成立了大功率充电工作组(High Power Charging, HPC)，研究大功率充电技术的相关技术、标准、应用场景和商业模式。据估计，未来电动乘用车的大功率充电功率将高达350 kW，而电动巴士的大功率充电甚至可能达到 1 MW。由于受到国标充电枪最大输出电流只有 250 A的限制，目前直流充电设备的单个充电口最大输出功率只能达到187.5 kW，完全无法满足未来大功率充电的需求。

(3) 现有充电基础设施直流输出电压无法满足所有车辆电压范围

根据GB/T18487.1-2015的规定，直流充电设备的输出电压范围可分为 3档：200～500 V，350～700 V，500～950 V，目前电动乘用车的电压平台一般为三百多伏，电动大巴的电压平台一般为五百多伏，工作电压超过750 V的电动汽车暂时还没有，故目前建设的充电设备一般分为500 V和750 V两种规格，500 V直流充电设备只能为电动乘用车充电，750 V充电设备一般可兼容电动大巴和电动乘用车的电压需求，但仍然存在以下问题：

① 不能兼容高电压平台车辆的充电需求

按照规划，未来大功率充电的最高充电电压可能高达1 000 V，目前建设的充电设备均无法满足其需求。

② 750 V充电设备为电动乘用车充电时，功率损失较大

图2为A公司的一款750 V/15 kW智能充电模块输出电压/电流曲线，从图2可以看出，其输出电压为 300～750 V，基本可以覆盖电动大巴和电动乘用车的电压范围。其输出电压在625～750 V时，最大输出功率可以达到 15 kW；当其输出电压在550～625 V时，其最大输出电流可以达到24 A，最大输出功率随着电压降低线性减小；当其输出电压低于 550 V，其最大输出电流随着电压降低回缩，最大输出功率随着输出电压降低加速减小。当其为电动大巴充电时，其最大输出功率接近15 kW，然而当其为电动乘用车充电时，其最大输出功率不到7 kW(以E6为例，充电终止电压为338 V左右)，其功率损失超过了50%。

图2 某款充电模块输出电压/电流曲线Fig.2 Output voltage-current curve of a charging module

③ 750 V充电设备为电动乘用车充电时，转换效率较低

图3为A公司的750 V/15 kW智能充电模块在不同输出电压下的效率曲线，从图中可以看出，当其为输出电压在600 V以上时，其转换效率基本可以保持在95%左右，当其工作输出电压为300 V时，其转换效率大约降低了 5%，这将对运营商产生重大影响。

图3 某款充电模块在不同输出电压下的效率曲线Fig.3 Efficiency curve of a charging module with different output voltages

(4) 电动汽车大小充电功率长期共存，功率固化充电设备无法适应其需要

电动汽车发展迅猛，车型众多，不同车型充电功率差异较大，当前一般从十几千瓦到一百多千瓦不等，未来甚至会出现数百千瓦的大功率充电需求，功率固化的充电设备无法自动匹配其所需的充电功率，要么因功率过小延长充电时间，给用户造成不便；要么因功率过大导致设备利用率低下。

2 集约式柔性公共充电模式

结合中国国情，要解决充电基础设施发展过程中的上述问题，只能走资源集约化发展道路，这需要在电动汽车充电方面开展创新研究，包括充电技术创新和充电模式创新。马凯副总理2017年7月在北京调研新能源汽车产业时也强调要抓好四个创新：“电池创新、充电创新、整车创新、机制创新”，指出充电创新要“瞄准标准化、网络化、智能化和大功率化，加快研发先进充电技术。加强设施建设，创新商业模式。”

集约式柔性公共充电模式应是一种社会资源高效利用、高度兼容、能够适应未来技术发展的一种安全、高效的充电模式。

2.1 电动汽车充电功率发展趋势

发展集约式柔性公共充电模式，首先应该与电动汽车传导充电技术的发展趋势保持一致，其中对充电设施影响最大的两个因素，分别是电动汽车充电电压平台和电动汽车最大允许充电电流。

推广电动汽车，在很大问题上是要解决用户的“里程焦虑”和“充电焦虑”两大问题。

(1) 电能能量密度发展趋势

电池能量密度的提升有助于消除用户的“里程焦虑”。目前，我国纯电动乘用车的动力电池系统比能量密度为150 Wh/kg左右。根据我国《汽车产业中长期发展规划》的目标，到2020年，动力电池系统比能量密度将达到260 Wh/kg左右，到2025年，动力电池系统比能量密度将达到350 Wh/kg左右[14]。

根据上述规划，预测2017年至2025年动力电池系统能量密度的变化趋势如图4所示。

图4 动力电池系统比能量密度与充电倍率变化趋势图Fig.4 Trend of specific energy density and charging rate of power battery system

电动汽车充电电压平台的提升有利于提高车辆电机驱动器的转换效率，故其电压存在着提升的需求，但车辆电压平台的改变对车辆影响较大，改动周期一般较长，但最终仍然会朝着更高的电压发展，以减少单位里程的电耗。

而随着电池密度的提升，电动汽车动力电池储电量达到 80～100 kWh，每百公里电耗控制在15 kWh以下，则电动汽车的续驶里程可以达到500公里以上，基本可以消除用户的“里程焦虑”。目前国内比亚迪 E6和腾势等品牌的续航里程已经达到400 km，国外整车制造商在 2020年前规划的纯电动车型里程也在400～500 km，而部分国外电动汽车品牌(如特斯拉Model X，P100d)的续航里程已达到500 km 以上。

(2) 电池充电倍率发展趋势

电动汽车充电基础设施建设站点密度和电池充电倍率的提升均有助于消除用户的“充电焦虑”。

目前，电动汽车的充电倍率接近2 C，基本30分钟可充满车辆80%的电量。功率型电池可以实现更高的充电倍率，但因其能量密度过低，并不适合安装在乘用车上，故本文不做分析。根据调研国内主流电池企业获取的数据，预计到2020年，纯电动汽车的充电倍率将达到5 C左右。此时充电至80%电量所需时间仅为10分钟左右，充电5分钟，续驶里程可增加近 200 km，基本与目前的加油时间相当，充电等待时间用户已完全可以接受。

预测2017年-2025年动力电池系统充电倍率的变化趋势如图4所示。

(3) 电动汽车充电功率发展趋势

表1列出了2016年7款销量较高的电动汽车充电参数。

表1 几款电动汽车充电参数Table1 Examples of EV charging parameters

结合前面分析的动力电池能量密度和充电倍率发展趋势，推出电动汽车平均充电功率发展趋势如图5所示。

图5 电动汽车充电功率和平均充电功率变化趋势图Fig.5 Trend of EV charging power and average charging power

2.2 电动汽车柔性充电堆

深圳奥特迅在 2014年底推出了一种全新的充电技术——电动汽车矩阵式柔性充电堆，并通过了中国电力企业联合会组织的新产品鉴定，鉴定结论是“整体技术水平达到了国内领先水平，功率分配技术填补了国内空白”。电动汽车矩阵式柔性充电堆的技术核心为“功率共享、按需分配”，其工作原理如图6所示。

图6 电动汽车充电堆工作原理示意图Fig.6 Schematic diagram of operating principle for EV charging complex

电动汽车充电堆本质上是把充电堆内部的功率模块融合为一个“共享功率池”，充电堆所对应的所有充电终端“共享”功率池内的功率模块，其工作原理如下：

电动汽车将所需的充电需求通知给充电终端，充电终端根据需求向智能调度模块申请所需功率，智能调度模块根据“共享功率池”内的可分配模块数量调度给对应的充电终端，充电终端控制、调节分配的充电模块按电动汽车需求的电压、电流为其充电。由于“共享功率池”的存在，很好地适应了电动汽车大小功率长期共存的现象，解决了充电设备无法自动匹配功率的难题。

同时，由于充电堆将整站充电模块整合在一起，可以很容易地实现兆瓦级充电需求，故能很好地适应充电技术未来大功率充电的发展方向。

要实现解决充电设备更宽的输出电压范围、更高的恒功率区间比以及全范围更高的转换效率，必须在充电模块的电路拓扑方面进行创新。目前，行业内已经在研究的多种两级整流串并输出控制方案，即通过变压器两个副边绕组分别连接整流桥后，通过串联和并联控制，分别实现低压区间的大电流输出和高压区间的高电压输出，且大幅提升充电模块的输出电压范围和恒功率区间占比，并能实现全电压范围的高转换效率。

电动汽车充电堆采用高度集成化设计和多重功率自动分配策略，可以在充电准备阶段、充电过程中根据车辆需求动态调整分配功率，也可根据配电变压器实时功率对整站进行必要的功率限制，并且可以将充电、配电、监控设备集成在一个集装箱内，在厂内即完成安装调试，大幅缩短现场建设周期和场地占用。

采用电动汽车充电堆技术大幅提升了充电基础设施建设的可规划性，其高度安全、高度集中、高度兼容、高效转换的特点，使得像建设加油站一样建设充电基础设施，发展集约式柔性公共充电模式成为可能，1 000平方米的土地即可建设一座配电容量为1 600 kVA、装机功率为2 160 kW的集约式柔性公共充电站，其能满足近2 000辆社会乘用车的充电需求，同时可以很好地兼容大功率充电、充电弓等技术方案。图7为集约式柔性公共充电站的典型布置图。

图7 集约式柔性公共充电站示意图Fig.7 Schematic diagram of Intensive FlexiblePublic EV Charging Station

2.3 集约式柔性公共充电模式

将基于充电堆技术的集约式柔性公共充电站像加油站一样建于城市的各个角落，形成规模化合理部署，重构城市空间及资源布局，有利于公共空间的节约与利用、规划统一，既符合市民出行习惯又满足市民的充电需求，使充电如加油一样便利。为城市打造安全、便捷、低碳的公共充电网络，使公共充电模式成为一种可能，对我国汽车由“加油”向“充电”转型，将起到巨大的推动作用。

发展集约式柔性公共充电模式，可：

1) 大幅节省城市公共资源；

2) 提升城市及电网安全；

3) 使公共充电模式成为可能；

4) 解决充电难问题，推动新能源汽车产业发展。

3 结论

电动汽车行业的快速发展迫切需要公共领域充电设施的建设，以消除电动车主“充电焦虑”的问题。而基于充电堆技术的集约式柔性公共充电模式，有效地解决了电动汽车差异化的充电需求，适应了电动汽车大功率充电的发展趋势，能够兼容充电枪、充电弓等多种方案，大规模推广集约式柔性公共充电模式，有助于城市电网、场地等社会资源高效利用，并主推电动汽车快速推广。

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