電動汽車充電模式分析

劉群峰

1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206

2.杭州市電力局，浙江杭州 310009

進入21 世紀以來，我國能源安全和環(huán)境保護問題日益突出。我國石油進口依賴度逐年提高，作為石油消耗的主體，預測到2020 年我國燃油汽車石油消耗量將達到55%[1]。此外，環(huán)境保護方面，機動車尾氣污染已經(jīng)成為城市最主要的污染源。為實現(xiàn)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，國家提出節(jié)能減排戰(zhàn)略，減少汽車尾氣排放，改善城市環(huán)境已成為政府的首要任務。根據(jù)我國能源、資源的稟賦特點，純電動汽車是我國新能源汽車發(fā)展的主要取向，它對降低石油進口依賴，提高能源安全，實現(xiàn)能源多元化、清潔化意義重大。近年來，電動汽車產(chǎn)業(yè)培育和發(fā)展作為國網(wǎng)公司落實國家新能源政策、建設統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的重要組成部分，已在多個省市開展了一系列電動汽車充換電技術、基礎設施建設、運營模式的研究與實踐工作，試點建設取得了一批豐碩成果。當前電動汽車推廣使用仍在示范運行階段，電動汽車充電模式及方式還需進一步試點研究，本文簡要分析電動汽車充電模式和供電需求，對不同電動汽車以及不同發(fā)展階段電動汽車使用的充電方式提出淺見。

1 電動汽車主流充換電模式

電動汽車以蓄電池儲能作為驅(qū)動力，由于電池儲能水平短期內(nèi)難以突破，與內(nèi)燃機汽車500km 的設計續(xù)航里程相比，電動汽車續(xù)航里程是一個明顯的短板。電池的動力特性決定了當前電動汽車小型化、輕量型和低配置的發(fā)展方向，選擇適合的電能供應方案可以彌補電動汽車續(xù)航里程不足的短板，是電動汽車使用的關鍵問題。電動汽車電能供應有四種主要模式：快速充電、慢速充電、電池更換、非接觸式充電等。

1.1 快速充電模式

快速充電模式采用公共充電設施對電池充電，也即非車載充電模式。充電設施有一體式直流充電機、分體式直流充電機兩種類型。按現(xiàn)有電池充電技術水平，電池充電容輛0.5C，電池深度充放電情況下充滿時間約為2 小時，理論上最高可減少至半小時。一般布置于市區(qū)內(nèi)部、高速公路、城際公路等，為客戶提供快速充電服務。

主要優(yōu)點：技術較為成熟，接口標準要求較低；充電速度快，增加電動汽車長途續(xù)航能力，是一種有效的補充方案。

主要缺點：充電功率較大，接口和用電安全提高，電池散熱成為重要因素；電池不能深度充電，一般為電池容量的80%左右，容易損害電池壽命，需要承擔更多的電池折舊成本；短時用電消耗大，對配電網(wǎng)要求較高，基礎設施配套需求巨大；一般在白天和傍晚時間段充電，屬于城市電力負荷高峰時段，對城市電網(wǎng)的安全性是一種威脅，而且不享受夜間電價打折；快速充電模式技術較為成熟，接口標準逐漸統(tǒng)一。

1.2 慢速充電模式

慢速充電模式采用車載充電設備對電池充電，也即車載充電模式或插電式充電模式。與快速充電模式相比，慢速充電模式功率低，約6.6kW，同時充電時間加長，一般為8 小時～10小時。

主要優(yōu)點：慢速充電技術成熟，技術門檻低，使用方便，容易推廣普及；充電設施配置簡單，占地較小，投資少；電池充電過程緩和，電池能夠深度充滿，續(xù)航能力更長；充電時電池發(fā)熱溫和，不易發(fā)生高溫短路或爆炸危險，安全性較高；接口和相關標準較低；充電功率相對低，對配電網(wǎng)要求降低，基礎設施配套需求小；一般選擇夜間充電，可避開傍晚用電高峰期，享受低谷電價優(yōu)惠，節(jié)能效果較好。

主要缺點：充電時間長，續(xù)航里程有限，使用受到限制；充電設用于有慢速充電需求的停車場所，如住宅小區(qū)停車場，社會公共停車場等。

1.3 電池更換模式

電池更換模式采用動力電池更換迅速補充車輛電能，電池更換可在3 分鐘以內(nèi)完成，理論上無限提升了車輛續(xù)航里程。

主要優(yōu)點：電池更換客戶感受接近傳統(tǒng)的加油站加油；用戶只需購買裸車，電池采用租賃，大幅降低了車輛價格；采用適合的充電方式保證電池的健康以及電池效能的發(fā)揮，電池集中管理便于集中回收和維護，減小環(huán)境污染；選擇夜間用電低谷時段慢速充電，降低服務機構運行成本，對電網(wǎng)起到錯峰填谷作用。

主要缺點：基礎設施建設成本較高，占用場地大，電網(wǎng)配套要求高；需解決電動車更換電池方便問題，例如電池設計安裝位置、電池拆卸難易程度等；需要電動汽車行業(yè)眾多標準的嚴格統(tǒng)一，包括電池本身外形和各項參數(shù)的標準化，電池和電動車接口的標準化，電池和外置充電設備接口的標準化等；電池更換容易導致電池接口接觸不良等問題，對電池及車輛接口的安全可靠要求提高；電池租賃帶來的資產(chǎn)管理、物流配送、計價收費等一系列問題，運作復雜性和成本提高。

2 各類型電動汽車供電需求

各類型電動汽車的運行特點和供電需求各有差別差異，以下做具體分析：

2.1 公交車輛、社會運營車輛

運行特點是：運行時間較長，運營里程不固定，中途不能停運。供電需求是：一次充電至少應滿足單程運行，應提供電能快速補充或其他動力補充，可利用停運時段快速充電，需要特定的充電設施和場所。適用的模式是：慢速充電結合快速充電，技術條件允許的情況下可采用電池更換。

2.2 景區(qū)觀光、城市環(huán)衛(wèi)車輛

運行特點是：使用區(qū)域固定，單程較短（統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，環(huán)衛(wèi)車輛平均每車每日運行距離約為100km）。供電需求是：一次充電基本可以滿足全天運行需要，一般在夜間停運期間充電，也可利用停運時段充電，有較固定的充電場所。適用的模式是：慢速充電。

2.3 市政車輛、郵政車輛

運行特點是：一般在城區(qū)使用，單程較短。供電需求是：一次充電基本滿足往返運行里程，一般在夜間停運期間充電，也可利用停運時段充電，有較固定的充換電場所。適用的模式是：慢速充電結合快速充電。

2.4 政府公務車、企業(yè)商務車

運行特點是：一般用于短途使用，有長途使用的需求，行駛里程不固定。供電需求是：一般在夜間停運期間充電，在必要時需快速充電或換電。適用的模式是：慢速充電結合快速充電或電池更換。

2.5 出租車

運行特點是：運營時間一般不間斷，運行時間和里程較長，行駛區(qū)域不固定，需及時快速補充電能，盡可能增加運營時間，提高經(jīng)濟效益。供電需求是：一次充電續(xù)駛里程難以滿足當日運行需要，根據(jù)續(xù)駛里程應提供必要的充電設施，盡可能縮短供電時間。適用的模式是：電池更換。

2.6 私家車

運行特點是：一般用于家庭出行和上下班使用，里程較短，夜間基本停運。供電需求是：一次充電基本滿足全天運行需要，一般在夜間停運期間充電，在必要時應快速充換電。適用的模式是：慢速充電結合快速充電或電池更換。

3 不同發(fā)展階段充換電適用模式

從電動汽車商業(yè)運營的示范運行、成熟推廣、引領提升三階段的發(fā)展歷程來看，受經(jīng)濟環(huán)境、發(fā)展水平、注重面不同，電動汽車各階段充換電適用模式也有所差別。

3.1 示范運行階段

在示范運行階段，運行車輛較少，電動汽車配套基礎設施、各項關鍵技術、服務維修體系還未形成，電動汽車社會服務水平較低。車輛使用范圍主要以特定對象為主的機構，一般消費群體例如私人家庭難以產(chǎn)生有效的使用需求。示范運行的電動汽車需要政府補貼支持，以公交車、市政工程、郵政環(huán)衛(wèi)、政府公務用車、景區(qū)觀光車輛等為主，逐漸帶動社會用車的增長。充電模式一般應采用整車充電方式，逐漸引入電池更換技術。在大型城市和風景名勝等有條件、有需求的區(qū)域，建設電動汽車充換站，試行電池租賃，在前期電池購買成本較高的情況下，大幅降低客戶面臨首次成本。在部分公交首末站等場所建設充電站，利用夜間用電低谷時段集中慢速充電，同步在居民小區(qū)、道路、停車場、景區(qū)等場所配套建設充電樁。

3.2 成熟推廣階段

在成熟推廣階段，電動汽車配套基礎設施、各項關鍵技術、服務維修體系等趨于成熟，電動汽車保有量增加，運行使用和服務機構的綜合成本較為合理，電動汽車廠家和型號增加，產(chǎn)業(yè)鏈已形成和完整，購置、售后及維修養(yǎng)護等方面社會化服務便捷，對一般性個體消費者的吸引力增加。電動汽車使用領域積極向出租車推廣，并向中、低端私人家庭用車領域延伸。電動汽車規(guī)劃及時編制修訂，電動汽車基礎設施建設從大城市、風景區(qū)向市郊、二、三線城市普及延伸，大城市間的公路主干道建設充換電設施，城際互聯(lián)得以實現(xiàn)，區(qū)域服務網(wǎng)絡基本形成。電池租賃業(yè)務逐步社會化，定價水平較燃油消費大幅降低。

3.3 引領提升階段

相對于成熟推廣階段，本階段電動汽車配套的法規(guī)、政策基本完善，電動汽車配套基礎設施、各項關鍵技術、服務維修體系等已成熟，全國服務網(wǎng)絡及售后、維護體系形成，相關衍生產(chǎn)品推出帶動相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展并形成完整產(chǎn)業(yè)鏈。電動汽車得到大規(guī)模應用，社會保有量特別是私人家庭用車激增。電動汽車綜合成本進一步降低，服務機構基本實現(xiàn)保本甚至盈利。

4 電動汽車充電設施發(fā)展現(xiàn)狀

目前，電動汽車充電設施各項關鍵技術已趨成熟，在政府部門支持下，電力供應商主導了充電基礎設施和服務網(wǎng)絡的建設運營，推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 電動汽車示范工作得到穩(wěn)步推進。國家電網(wǎng)公司提出了“換電為主、插充為輔、集中充電，統(tǒng)一配送”的總體思路，對電動汽車大規(guī)模推廣應用起到了積極作用。據(jù)統(tǒng)計，至2012 年8 月，投入示范運行純電動汽車總量超萬，幾個骨干整車廠的插電式深度混合動力乘用車的研發(fā)取得很好成績，動力電池產(chǎn)業(yè)集群初見端倪，動力電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化水平進步很快，電動汽車城際互聯(lián)工程驗收通過。

以換電為主導模式的試點城市杭州市。截至2012 年底，累計建設69 座充換電站（配送站）、620 個交流充電樁，城區(qū)15 分鐘充換電服務圈基本成型，各縣（市、區(qū)）布點實現(xiàn)全覆蓋。863 課題基本完成研發(fā)并進入示范運行階段，成功開發(fā)了全自動底盤換電技術和新電池箱承載系統(tǒng)、專用機器人。常態(tài)化運行的節(jié)能與新能源汽車已有1 732 輛，其中公交、出租、電力、郵政、快遞、政府機關等公共領域用車1 398 輛，私人用車334 輛。投入運營出租車200 輛，行駛里程1529 萬公里。電動汽車進入私人家庭，其中137 輛為私人租賃，80 輛為私人購買。

以充電為主導模式的試點城市深圳市。截至2012 年10 月底，已建成充電站17 座，各類新能源汽車總數(shù)已達3390 輛，其中公交車2 050 輛、電動出租車300 輛、燃料電池車62 輛、公務車20 輛、家用車超過958 輛。與之配套的充電設施也正在加緊建設中。

5 結論

電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展是我國“十二五”重點規(guī)劃項目，也是我國汽車和相關產(chǎn)業(yè)難得的機遇和挑戰(zhàn)。電動汽車充電模式以及充電設施建設是整個產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的基礎和前提，應在政策支持指導下結合電動汽車發(fā)展階段、車輛種類和運行特點科學規(guī)劃、合理布局、統(tǒng)一標準，為電動汽車提供更完善的充電服務。

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