电动汽车充电模式与充电站建设研究

电动汽车充电模式与充电站建设研究[简介]电动汽车是一种发展前景广阔的绿色交通工具，是解决能源和环境问题的重要手段。电动汽车充电站为电动汽车运行提供能量补给，是发展电动汽车所必须的重要配套基础设施。本文首先对电动汽车的充电需求进行了分析，同时提出电动汽车发展对充电技术的要求。在此基础上，比较研究了几种类型的充电模式的优缺点。最后，从电能外部接入角度对充电站的建设做了初步研究。一、引言电动汽车以电代油，能够实现“零排放”，噪音低，是解决能源和环境问题的重要手段。随着石油资源的紧张和电池技术的发展，电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车，并开始在世界范围内逐渐推广应用。以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势已经成为普遍共识。充电系统为电动汽车运行提供能量补给，是电动汽车的重要基础支撑系统，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。在充电系统中，充电站的建设需要根据电动汽车的充电需求，结合电动汽车充电模式进行相应的规划和设计。本文主要从电能外部接入和配套设施资金投入方面对充电站的建设做了初步研究。二、电动汽车充电需求分析随着电动汽车融入社会生产和生活，其对电能的需求将影响城市现有的供配电体系，进而影响着电动汽车充电系统的建设和发展。电动汽车充电站的建设方式、建设容量等主要受以下因素的影响：2.1电动汽车充电量的总体需求电动汽车充电量与电动汽车保有量及车辆的日均行驶历程、单位里程能耗水平等相关。以上海市为例，根据有关资料分析显示，到2020年电动汽车市场预计达到7万多辆，日电量总消费达到1840万kWh。2.2电动汽车运行模式在不同的运行模式下，电动汽车对其续驶能力和充电时间要求也不同，直接影响充电站的建设方式和功率需求。在公交运行模式下，由于公交车通常都有专门的停车场所，因此可在公交首末站停车场所建设充电站，利用夜间低谷时段进行常规充电；公交电动车一次充电续驶里程至少应满足单程运行里程，紧急情况下应能实现电能的快速补充。在出租车运行模式下，根据其一次充电后的续驶里程，应在其相应的出行范围内提供必要的充电设施。在营运时段，应能通过快速充电或电池组快速更换完成电能补充。在公务车或社会车辆运行模式下，电动车辆由单位、部门的驾驶员或社会大众驾驶，应在公务车集中的区域或居民小区建设相应的充电设施。此外，对于充电站而言，车辆进入充电站的运行机制也会影响着充电站功率需求。车辆进入充电队列时间越集中，充电站电力负荷将越大，充电站功率需求将越大。2.3动力电池特性不同种类动力电池具有不同的充电特性，最佳充电率在0.2～2.0C之间变化。电池系统额定电压相同的情况下，最高充电电压由于电池种类、结构型式上的区别也体现出一定的差别。对于不同种类的电池，充电方法及充电控制策略也不同。应根据其电池特性不同采用不同的充电方法。[1]2.4充电时间不同运行模式的电动汽车对充电时间提出了不同的要求，而充电时间的不同需要不同的充电方式来满足。在电动汽车对充电时间要求不高的情况下，可在停运时间利用电力低谷进行常规充电，延长车辆的续驶里程；在充电时间较为紧迫的情况下，需要采用快速充电或电池组快速更换及时实现电能补充。2.5充电场所及其他环境条件动力电池充放电工作效率受充电场所及其他环境条件的影响，尤其是受环境温度的影响。在常温下，电池充电接受能力较强，随着环境温度的降低，其充电接受能力逐渐降低。因此，随环境温度降低，充电站功率需求将增加。因而，建设充电站时应尽可能保证其环境不受人为温度条件的影响。[2]三、电动汽车发展对充电技术的要求尽管电动汽车的充电站建设受到上述因素的不同影响，其建设方式和建设要求需根据实际情况而确定。但随着电动汽车的逐步推广和产业化以及电动汽车技术的日益发展，电动汽车对充电站的技术要求表现出了一致的趋势，要求充电站尽可能向以下目标靠近：3.1充电快速化相比发展前景良好的镍氢和锂离子动力蓄电池而言，传统铅酸类蓄电池以其技术成熟、成本低、电池容量大、跟随负荷输出特性好和无记忆效应等优点，但同样存在着比能量低、一次充电续驶里程短的问题。因此，在目前动力电池不能直接提供更多续驶里程的情况下，如果能够实现电池充电快速化，从某种意义上也就解决了电动汽车续驶里程短这个致命弱点。3.2充电通用化在多种类型蓄电池、多种电压等级共存的市场背景下，用于公共场所的充电装置必须具有适应多种类型蓄电池系统和适应各种电压等级的能力，即充电系统需要具有充电广泛性，具备多种类型蓄电池的充电控制算法，可与各类电动汽车上的不同蓄电池系统实现充电特性匹配，能够针对不同的电池进行充电。因此，在电动汽车商业化的早期，就应该制定相关政策措施，规范公共场所用充电装置与电动汽车的充电接口、充电规范和接口协议等。3.3充电智能化制约电动汽车发展及普及的最关键问题之一是储能电池的性能和应用水平。优化电池智能化充电方法的目标是要实现无损电池的充电，监控电池的放电状态，避免过放电现象，从而达到延长电池的使用寿命和节能的目的。充电智能化的应用技术发展主要体现在以下方面：优化的、智能充电技术和充电机、充电站；电池电量的计算、指导和智能化管理；电池故障的自动诊断和维护技术等。3.4电能转换高效化电动汽车的能耗指标与其运行能源费紧密相关。降低电动汽车的运行能耗，提高其经济性，是推动电动汽车产业化的关键因素之一。对于充电站，从电能转换效率和建造成本上考虑，应优先选择具有电能转换效率高，建造成本低等诸多优点的充电装置，如集中隔离型充电装置等。3.5充电集成化本着子系统小型化和多功能化的要求，以及电池可靠性和稳定性要求的提高，充电系统将和电动汽车能量管理系统集成为一个整体，集成传输晶体管、电流检测和反向放电保护等功能，无需外部组件即可实现体积更小、集成化更高的充电解决方案，从而为电动汽车其余部件节约出布置空间，大大降低系统成本，并可优化充电效果，延长电池寿命。四、电动汽车充电模式比较研究根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性，电动汽车的充电模式存在一定的差别。对于充电方案的选择，现今普遍存在常规充电、快速充电和电池组快速更换系统三种模式。[4]4.1常规充电⑴概念蓄电池在放电终止后，应立即充电（在特殊情况下也不应超过24h），充电电流相当低，大小约为15A，这种充电叫做常规充电（普通充电）。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时间为5－8小时，甚至长达1O至20多个小时。⑵优缺点常规充电模式的优点为：尽管充电时间较长，但因为所用功率和电流的额定值并不关键，因此充电器和安装成本比较低；可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本；可提高充电效率和延长电池的使用寿命。常规充电模式的主要缺点为充电时间过长，当车辆有紧急运行需求时难以满足。⑶适用范围这种充电模式通常适用于：设计电动汽车的续驶里程尽可能大，需满足车辆一天运营需要，仅仅利用晚间停运时间充电；由于常规充电以相当低的电流为蓄电池充电，因此在家里、停车场和公共充电站都可以进行；常规充电站一般规模较大，以便能够同时为多辆电动汽车进行充电。4.2快速充电⑴概念常规蓄电池的充电方法一般时间较长，给实际使用带来许多不便。快速充电电池的出现，为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称应急充电，是以较大电流短时间在电动汽车停车的20分钟至2小时内，为其提供短时充电服务，一般充电电流为150～400A。⑵优缺点快速充电模式的优点为：充电时间短；充电电池寿命长（可充电2000次以上）；没有记忆性，可以大容量充电及放电，在几分钟内就可充70%～80%的电；由于充电在短时间内（约为10-15分钟）就能使电池储电量达到80%－90%，与加油时间相仿，因此，建设相应充电站时可不配备大面积停车场。但是，相对常规充电模式，快速充电也存在一定的缺点：充电器充电效率较低，且相应的工作和安装成本较高；由于采用快速充电，充电电流大，这就对充电技术方法以及充电的安全性提出了更高的要求，同时计量收费设计也需特别考虑。⑶适用范围这种充电模式适用情况为：电动汽车续驶里程适中，即在车辆运行的间隙进行快速补充电，来满足运营需要；由于相应的大电流需求可能会对公用电网产生有害的影响，因而快速充电模式只适用于专用的充电站。[5]4.3机械充电⑴概念即电池组快速更换系统。通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其充电的目的。由于电池组重量较大，更换电池的专业化要求较强，需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。⑵优缺点采用这种模式，具有如下优点：电动汽车用户可租用充满电的蓄电池，更换已经耗尽的蓄电池，有利于提高车辆使用效率，也提高了用户使用的方便性和快捷性；对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，降低了充电成本，提高了车辆运行经济性；从另一个侧面来看，也解决了充电时间乃至蓄存电荷量、电池质量、续驶里程长及价格等难题；可以及时发现电池组中单电池的问题，进行维修工作，对于电池的维护工作将具有积极意义，电池组放电深度的降低也将有利于提高电池的寿命。这种模式应用面临的几个主要问题是：电池与电动汽车的标准化；电动汽车的设计改进、充电站的建设和管理，以及电池的流通管理等。[6]⑶适用范围这种模式适用条件为：车辆电池组设计标准化和易更换；车辆运营中需要及时更换电池来满足运行，充电站中电池充电和车辆可实现专业化快速分开；由于电池组快速更换需要专业化进行，因而电池组快速更换模式只适用于专用的充电站。综上所述，以上3种充电模式各有自身的特点和适用范围。因此，在应用中，可以将上述3种方法进行有机结合，以达到实际的行驶要求。五、充电站的建设充电站中可为电动汽车提供充电服务的基础设施包括独立设施和独立设备。独立设施是指拥有数目较多且位置相对集中的充电终端，由专人专营的充电服务中心，类似目前的汽车加油站。独立设备是充电终端位置相对分散，兼作泊车用途的充电服务点，如居民小区、社会停车场等处安装的充电设备。充电站的建设包括充电站的外部接入、内部布局、资金投入等内容。本文主要对充电站的电能外部接入、资金投入等问题进行了研究。5.1充电站外部接入方式的影响因素充电站的外部接入方式受到许多因素的影响，包括供电可靠性、建设规模、建设成本等。供电可靠性要求供电可靠性是指供电系统持续供电的能力，是考核供电系统电能质量的重要指标。反映了电力工业对国民经济电能需求的满足程度，已经成为衡量一个国家经济发达程度的标准之一。充电站的外部接入在电力安全方面应满足供电可靠性要求。⑵建设规模电动汽车充电站的建设规模是指充电站的占地面积、电力负荷容量、电压等级、站内充电机的型号数量等。这些因素直接影响到外部接入的电力设备选型。充电站建设规模越大，对外部接入的要求也越高。⑶建设成本电动汽车充电站的建设成本是指充电站在投入使用前的所有建设费用和投入的总和。其中，电力外部接入建设费用占有一定的比例。在保障供电运行可靠性和灵活性要求的基础之上，充电站的外部接入应选建设成本低、经济性好的电气接线方式及配电设备。5.2各类充电站的外部接入方式⑴独立设施独立充电设施包括多为商业运营，充电终端数目多，其停电影响比较大，可考虑由两回路电源供电，供电变压器亦应有两台(两台变压器不一定在同一变电所)。从供用电的安全可靠性及充电站投资成本两方面综合考虑，可采取双路高压电源进线单母线分段的外部接线方式。⑵独立设备对于独立充电设备，如居民小区停车场、社会停车场等处安装的电动汽车充电终端等，其供电可靠性要求要低于独立充电设施，并且从实际情况考虑，往往不具备条件新建专门的供电变压器等，只能利用原有的供电配套设施进行改造。必须根据充电设备安装点现有的负荷容量来考虑，包括谷电的负荷。具体方案应根据实际的供电设施、小区的建筑环境具体来确定。5.3充电站电力配套资金的投入⑴常规充电①典型常规充电站的规模根据目前电动汽车常规充电的数据资料，一般以20~40辆电动汽车来配置一个充电站，这种配置是考虑充分利用晚间谷电进行充电，缺点是充电设备利用率低。在高峰时也考虑充电，则可以60~80辆电动来配制一个充电站，缺点是充电成本上升，增