新型電力系統中新能源電動汽車充電樁能效提升策略探究

何 林

(國網四川省電力公司 宜賓市敘州供電分公司,四川 宜賓 644002)

0 引言

隨著全球能源結構的轉變,新能源電動汽車因其在節能減排方面的優勢,正逐漸成為交通領域的發展趨勢。作為新能源電動汽車的關鍵基礎設施,新能源電動汽車充電樁的能效對于整個電力系統的能耗和環境具有重要影響。目前,新能源電動汽車充電樁充電能效和便捷方面的瓶頸,成為眾多車主入手新能源電動汽車的顧慮,限制了新能源產業的發展。本文針對電力系統中新能源電動汽車充電樁的能效提升方法進行深入研究,旨在揭示影響充電樁能效的因素,并提出提高能效的方法建議。

1 新能源電動汽車充電樁發展現狀與趨勢

隨著全球對環保和能源轉型的重視,新能源電動汽車已成為交通領域的重要發展方向。新能源電動汽車充電樁作為新能源電動汽車的基礎設施,對于推動新能源電動汽車的普及和應用具有重要作用。工業和信息化部曾提出,到2025年實現車樁比2∶1,到2030年實現車樁比1∶1。然而,2023年1月,中國汽車工業協會發布的數據顯示:2022年新能源電動汽車持續爆發式增長,產銷分別達到705.8萬輛和688.7萬輛,同比增長96.9%和93.4%。其中,純電動汽車銷量為536.5萬輛,同比增長81.6%[1]。2022年,我國充電基礎設施數量達到520萬臺,同比增長近100%。其中,公共充電基礎設施增長約65萬臺,累計數量達到180萬臺;私人充電基礎設施增長約190萬臺,累計數量超過340萬臺[2]。從車樁比來看,截至2022年年底,我國的車樁比僅約為2.5∶1。可見,我國的充電樁基礎產業發展還相對滯后,未來我國充電樁還將面臨很大的增長需求壓力。

隨著新能源電動汽車技術的日趨成熟,新能源產業的持續高速發展,我國對作為其配套的新能源電動汽車充電樁基礎設施建設也提出了新的要求。2023年6月19日,《國務院辦公廳關于進一步構建高質量充電基礎設施體系的指導意見》發布。該意見提出,到 2030 年,基本建成覆蓋廣泛、規模適度、結構合理、功能完善的高質量充電基礎設施體系,有力支撐新能源電動汽車產業發展,有效滿足人民群眾出行充電需求[3]。習近平總書記指出,能源保障和安全事關國計民生,是須臾不可忽視的“國之大者”[4]。面對新能源電動汽車和充電樁的快速崛起,國家電網公司作為對其提供電力保障的供電企業之一,在研究充電樁充電技術問題上迎難而上,鼓勵下屬單位技術專家重點投入新能源充電樁技術創新研究。因此,鑒于充電樁發展現狀、問題及環境趨勢,本文主要從電力系統中充電樁能效提升技術方面入手展開研究。

2 影響新能源電動汽車充電樁能效的因素分析

2.1 電力系統發展不均衡

電力系統的穩定性、功率和頻率等條件都會影響充電樁的能效。在不穩定或低質量的電力系統環境下,充電樁可能需要更長的時間來為電池充電,并且降低充電效率。

目前,我國各地電力系統發展不均衡,沿海等經濟發達地區和中西部經濟相對落后地區的電力系統條件存在一定的差距,主要因為沿海等經濟發達地區和中西部經濟相對落后地區的經濟發展水平不同。沿海等經濟發達地區人口密集,用電需求量較大,因此,其電力系統建設投資規模較大,電力系統的設施條件相對較好,自動化程度和智能化水平較高,能夠實現遠程監控和自動控制,供電可靠性也相對較好;而中西部經濟相對落后地區人口稀少,用電需求量較小,因此,電力系統建設投資規模較小,電力系統的設施則相對較為落后,自動化程度和智能化水平也較低,難以實現遠程監控和自動控制,供電可靠性也較差。此外,電力系統的運行狀態也會對充電樁的能效產生影響,如在電力需求高峰期,電力系統的負荷較大,電能質量低,充電樁的能效也會相應降低。因此,電力系統條件是影響充電樁能效的主要原因之一。

2.2 電池充電效率

電池的充電效率會直接影響充電樁的能效。目前,市面上最常用的新能源電動汽車電池是鋰離子電池[5]。理論上,100%的電池充電效率意味著每單位容量的電池可以完全充滿,而不會產生任何浪費。然而,在實際應用中,由于鋰電池本身的質量、充電設備的性能以及環境溫度等因素的影響,電池的充電效率往往達不到100%。此外,電池的種類和狀態也會影響充電效率。例如,一些電池可能需要更長的時間來充電,而其他電池則可能需要更短的充電時間。因此,電池充電效率也是影響充電樁能效的主要原因之一。

2.3 新能源充電樁設備性能

新能源充電樁設備的性能對新能源電動汽車充電能效有著直接的影響。高性能的新能源充電樁可以在更短的時間內為電池充滿電,從而減少電能浪費。此外,充電設備的功率轉換效率也會影響充電樁的能效。然而,我國現行充電技術采用的是2015年發布的國家標準。這項國家標準的技術核心基于2011年第一代直流充電技術體系,受限于當時技術成熟度不足、應用場景缺乏等因素,在安全性、互操作性、可擴展性等方面存在問題,已不適用于當前產業發展需要,難以滿足用戶高品質充電需求,影響了電網安全運行[6]。雖然各界充滿了對充電樁充電技術的研究,但發展方向依然不明確,尚未發布相應的國家標準。因此,充電樁設備性能也是影響充電樁能效的主要原因之一。

2.4 充電方式

充電方式(如恒壓充電、恒流充電)的選擇也會影響充電樁的能效。恒流充電方式可以減少充電時間,提高充電效率;而恒壓充電方式則可以在保證電池安全的前提下,充分利用電池的容量。選擇合適的充電方式也是提高充電樁能效的關鍵,因此,筆者認為充電方式也是影響充電樁能效的主要原因之一。

3 新能源電動汽車充電樁能效提升措施建議

3.1 新型電力系統改造

要想電力系統運行狀況滿足充電樁提升能源的條件,需要對充電樁接入的電力系統進行升級改造,構建新型電力系統,使其電壓和頻率、容量、安全性以及智能化水平等方面滿足新能源充電樁能效需求。

(1)如果電力系統頻率波動較大,將影響充電樁的性能和壽命。通過電力系統升級改造提高電力系統電壓和頻率的穩定性,確保電力系統頻率與充電樁的要求一致,以延長充電樁使用壽命和滿足電動汽車的充電需求。

(2)充電樁需要足夠的電力系統容量來支持其運行。如果電力系統容量不足,充電樁的充電速度和效率可能會受到影響,同時也有可能對電力系統造成過載或不穩定。通過電力系統升級改造提高電力系統的容量,以滿足充電樁不斷增長的容量需求。

(3)隨著新能源電動汽車的普及和充電樁的建設,電力供應的安全性、便捷性和高效性備受關注,這不僅對電力企業的電力供應系統和設備提出了更高的要求,也加大了電力企業的供電壓力和負擔。通過電力系統升級改造提高電力系統的安全性,確保充電樁具備安全可靠的充電功能。

(4)充電樁的能效提升需要電力系統智能化技術的支持。通過電力系統升級改造提高智能化水平,采用智能化的策略和技術手段,如物聯網、大數據分析等,可以實時監測和調整充電樁的運行狀態,優化充電策略,以提高充電效率和充電質量。

(5)充電樁的能效提升需要電力系統中儲能設備的接入。儲能設備可以在用電高峰期存儲電能,并在用電低谷期釋放電能,以平衡電力系統負荷和提高電力利用效率,通過優化電力系統的運行方式,在充電樁附近配置儲能設備,實現對電力系統的智能調度和優化利用,提升充電樁的能效。

3.2 推廣智能新能源充電技術應用

3.2.1 自動調整控制系統的推廣應用

自動調整控制系統主要是基于電池特性曲線進行電壓自動調節,在充電過程中保持恰當的電壓變化率,實現自動調節電壓的智能控制系統。在充電過程中,電壓會隨著充電時間的推移逐漸達到最大值,并出現負增長,這是控制系統根據電池特性曲線所設定的充電策略導致的。充電樁自動調整可以確保在電池充滿之前,電壓變化的幅度逐漸減小,無論是在高溫或低溫環境下,還是在不同充電功率下,都能夠自動調整電壓變化率,以適應不同條件下的電池充電需求。此外,充電樁自動調整控制系統還可以提供更準確的電池充電狀態判斷,通過控制系統計算充電過程中電池電壓的變化率,可以實時監測電池充電狀態,并在電池充滿時及時停止充電,避免過度充電帶來的安全風險。通過自動調整控制系統的推廣應用,以最大化充電效率和減少能量浪費。

3.2.2 新能源無線充電技術的推廣應用

新能源無線充電技術主要利用磁耦合原理,即在發射器和接收器之間形成的磁場來傳輸電能。目前主流的無線充電技術主要包括電磁感應式和磁共振式兩種。其中,電磁感應式無線充電技術利用變化的磁場產生電流,從而實現電能的無線傳輸;磁共振式無線充電技術則利用諧振原理,使發射器和接收器在相同的頻率上產生共振,從而實現電能的無線傳輸。通過無線充電技術,用戶只需將電動汽車停放在無線充電區域,無須連接電纜即可實現充電,大大提高了充電的便利性和安全性。此外,無線充電技術的充電效率較高,一般情況下可達到有線充電的80%以上,同時避免了因電纜連接不當導致的能源浪費。通過無線充電技術的推廣應用,可大大提高新能源電動汽車充電樁的安全性和能效效率。

3.3 優化新能源充電樁自身能效控制

推廣應用多階段充電技術以及PWM控制技術。通過采用多階段充電技術控制充電電流,將充電過程分為多個階段,以達到優化充電效率和保護電池的目的。同時,通過采用PWM控制技術實現對輸出電壓和電流的精確調節,通過改變PWM信號的占空比,可以調整輸出電流或電壓的大小。多階段充電技術以及PWM控制技術等先進的電力電子技術和控制策略,可實現對充電樁能效的優化,提高充電樁的能效,同時降低設備運行溫度,延長設備使用壽命。

3.4 新能源電動汽車充電樁典型案例分析驗證實效

南瑞集團是國家電網公司直屬科研產業單位。2021年8月22日,南瑞主導發起的IEC TS 62196-7電動汽車傳導式充電車輛適配器國際標準立項成功,標志著中國提出的ChaoJi充電技術邁入了國際標準制定與全球產業應用新階段,對新能源汽車發展具有里程碑意義。

如今,在天津市武清區京滬高速泗村店服務區(北京方向)的ChaoJi充電站,新能源車主就可以體驗到ChaoJi充電技術帶來的“超級快感”——充滿一輛60 kW·h新能源汽車僅需10分鐘,耗時僅為傳統充電樁的1/5,大大提升了充電樁的使用能效。2023年9月23日,杭州第19屆亞運會開幕,在亞運會停車場,杭州亞運村首個無線充電樁投入運用,相較傳統充電樁,無線充電站不用手動插拔充電槍,避免了觸電風險;同時,減去了外漏接頭,即使在雷雨天也不用擔心充電樁漏電,提高了充電樁使用能效。

4 結語

本文研究了電力系統中新能源電動汽車充電樁的能效問題,通過對充電樁發展現狀及趨勢、影響充電樁能效提升的因素分析,找到影響能效的主要原因,針對主要原因,研究分析對應技術措施解決策略,并施與其他輔助措施,實現對充電樁能效的有效提升。最后,通過典型案例驗證了本文提出的充電樁能效提升策略的有效性。然而,實際應用中仍存在一些目前無法解決的因素影響充電樁的能效,需要進一步研究和探討,未來研究方向包括探索更為先進的新能源技術和新能源替代。