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1、摘要: 电动汽车充电站是发展电动汽车所必须的重要配套 基础设施 , 对电动汽车的充电需求进行了分析, 提出了发展电动 汽车对充电技术的要求, 分析了影响电动汽车充电站规划的几方 面因素 , 并对其布局规划提出了原则性建议。 建设电动汽车充电站是电动汽车产业推广的前提和基石, 在 拓展电力市场需求的同时, 完善高效的能源供给网络是电动汽车 广泛应用的必要条件之一。电动汽车的充电系统是发展电动汽车 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。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 1 我国充电站建设现状 2007 年 12 月
2、14 日, 国家发改委新修订的 产业结构 调整指导目录 , 在原有鼓励建设燃气汽车加气站工程的基础上, 首次提出鼓励建设新能源汽车充电站工程, 为电动汽车产业化提 供了现实依据。在2008 年 8 月初“首届绿色能源汽车发展高 峰论坛”上 , 科技部计划通过连续3 年, 在国内 10 个以上有条 件的大城市 , 进行千辆新能源汽车的试验, 开展千辆级混合动力 汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车以及能源供应基础设施的大规 模示范。 2007 年 6 月, 国家电网公司在国家电网公司“十一 五”节能减排综合性工作方案中就规划在北京、 上海等试点省 市开展公交车、 出租车、工程抢险车、 垃圾清运车等电动
3、化改造、 试点运营和建设充电站等工作。预计到“十一五”末, 国家电网 公司经营区域内电动公交车运行将达到420 条线路、4 200 辆 车, 电动出租车达到535 辆。国家电网筹建的首批“示范”电 动汽车充电站 , 服务对象不仅仅是纯电动公交车, 还包括未来商 业化前景更大的纯电动轿车。一旦国家电网公司正式启动电动汽 车充电站全国网络的建设, 势必会极大地推动我国电动汽车行业 的发展。目前 , 我国有不少城市和地区已经开始电动汽车充电站 建设 , 但还没有形成一套成熟的布局规划体系, 更没有形成充电 站的规模建设。随着电动汽车的不断发展进步, 充电站的规划和 建设将步入规模化、网络化时代, 进
4、行充电站布局研究 2 影响电动汽车充电站布局的因素 2. 1 电动汽车充电量的总体需求 电动汽车充电量的总体需求是影响充电站布局的关键因素。 只有充电量达到一定规模之后, 充电站才可能实现经济地大规 模布点。电动汽车充电量与电动汽车保有量及车辆的日均行驶里 程、单位里程能耗水平等相关。以上海市为例, 据预测 , 到 2020 年 电 动 汽 车 年 电 力 需 求 乐 观 预 测将 达 到73. 7 亿 kW h,这将要求电动汽车充电站具有相当规模才能满足车 辆的充电需要。 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 , 从而影响着充电的方 式
5、和电能的消耗 , 充电站建设方式和功率需求也将受到直接 影响。根据不同的用户类型, 电动汽车可以分为以下几类: (1) 示范区用车。 如果为示范运行配备的车辆数有限, 则为 了提高车辆运营效率, 建议采用更换电池组的方式, 但是这就需 要增加电池组的投资; 如果配备的车辆能够满足运营要求, 建议 采用整车充电方式, 这样就可以降低电池组的投资, 减少电池更 换操作造成的工作量。鉴于示范区用车数量少, 运行范围相对集 中, 可以在示范区内建立集中的大型充电站( 电池更换点 ) , 实现 规模化运作。 (2) 集团车队。建议采用整车充电方式。这是由于他们的 行驶里程和路径可预估, 可充分利用夜间停
6、运时段进行充电, 满 足下一次的行驶里程需要。集团车队一般可充分利用集团的固定 停车场建立充电站 , 主要利用夜间谷电充电。 (3) 社会车辆。根据车辆运营的目的采取适合的方式。比 如, 出租车和载客大巴车, 需要及时快速补充电能, 尽量增加运营 时间 , 获得更大的经济效益, 建议在始发站点建立专用充电站或 电池更换点 , 提高运营效率 ; 用于上下班的私家车, 停放时间和位 置相对确定 , 可充分利用停靠的时间进行充电, 因此 , 可以依托停 车场所 , 建立简易充电设施提供充电服务, 这样, 不用兴建大规模 的集中充电站 , 可以大大降低成本。 (4) 微型车辆。根据个体实际情况决定采用
7、整车充电方式 或电池组更换方式的充电方式。这类电池的容量较小, 充电时间 不会太长 , 电池的成本较低, 补充电能的方式只要方便使用者即 可。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。 这里特别要提及的是, 电动车应 充分利用电网谷电阶段进行充电, 对车辆所有者而言, 最大限度 降低运行成本 , 而电网公司则可借此调节电网的峰谷差。 2. 3 电动汽车能源供给方式 对于能源供给方式的选择, 现今普遍存在整车充电系统( 包 括常规充电、快速充电两种模式) 和地面充电系统两种模式。 (1)
8、整车充电系统 : 常规充电 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 24 h) ,充电电流相当低 , 大小 约为 15 A , 这种充电方式称为常规充电( 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 58 h, 甚至长达 10 至 20 多 h。常规充电模式的 优点为 : 1) 尽管充电时间较长, 但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; 2) 可充分利用电力低谷时段进行充电, 降低充电成本 ; 3) 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
9、难以满 足。 (2) 整车充电系统 : 快速充电 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。为了缩短蓄电池达到满充状态的时间, 同时, 尽量降低蓄电 池正负极板的极化, 以提高蓄电池使用效率, 国内外一直都在不 断地研究和开发快速充电方法和技术。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 m in 2 h, 为其提 供短时充电服务 , 一般充电电流为150400 A 。 快速充电模式的优点为: 1) 充电时间短 ; 2) 充电电池寿命长 ( 可充电 2 000 次以上 ) ; 3) 没有记忆性
10、, 可以大容量充电及放电, 在几分钟内就可 充电至 70% 80%; 4) 由于充电在短时间内( 约为 1015 min) 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: 1) 充电器充电效率较低, 且相应的工作和安装成本较高; 2) 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。 (3) 地面充电系统又称机械充电, 通过电池租赁方式, 直接更换电动汽车的电池组。蓄电池更 换站为续驶里程长而又没
11、能及时充电的客户提供更换蓄电池的 服务 , 对卸载下的电池采用地面充电系统进行补充里程适中, 满 足车辆技术、经济和运营的需要。在实际的运行中, 以一定的实 际放电深度为基准, 能满足下一个往返需求的, 则继续行驶 ; 电池 容量不能满足要求而时间允许的, 可进行快速充电 ; 时间紧的 , 可 进行电池快速更换。 但这种综合运行方案在电池剩余能量测量技 术不成熟的情况下, 必须建立每辆车的行驶档案, 以便估计车载 电池的剩余电量情况。而多种方案相结合, 对于运营的组织和管 理也将带来一定的难度。 2. 4 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. 22. 0 C 之
12、间。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。充电 电流越大、充电电压越高 , 单车充电功率需求越大, 导致充电站容 量需求越大。对于不同种类的电池, 充电方法及充电控制充电。 这种模式下 , 备用电池组存储空间及如何真正实现电池快速更换 是问题考虑的关键。由于电池组重量较大, 更换电池的专业化要 求较强 , 更换站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。 采用这种模式 , 具有如下优点 : 1) 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
13、捷性 ; 2) 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; 3) 从另一个方面看 , 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; 4) 由于电池的更换、充电和维护工作由专业人员完成, 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。 这种模式面临的最大障碍不是技术上的, 而是管理上的 , 要 解决的几个主要问题是: 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。以上 3 种充电模式各有
14、自身的特点和适用范围。在实际应用中, 可以 将上述三种方法进行有机结合, 以达到每天的行驶要求, 即设计 车辆续驶策略也不同。 应根据其电池特性不同采用不同的充电方 法, 如恒流法、恒压法、恒流限压法及特定曲线法等。电池组充 电控制的策略 , 无论侧重于电池安全, 还是保证最佳续驶里程, 或 是两者间折中 , 确定的充电参数都存在一定差异。 2. 5 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, 如夜间停止运行的公交车辆、公务车、特种
15、车辆或社会车辆等; 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, 如出租车和在线路 上运行的公务车或社会车辆等。 2. 6 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。低温时电池放电效 率降低 , 在同样的运行机制和行驶里程下, 车辆能耗高、 电池放电 深度大。 同样, 在低温下动力电池充电效率也降低。因此, 随环境 温度降低 , 充电站功率需求将增加。建设充电站时应尽可能保证 其环境温度有利于电池充电要求。
16、2. 7 充电技术发展对充电站的要求 (1) 充电快速化助子系统而存在的, 但是随着电动汽车技 术的不在目前动力电池不能直接提供更多续驶里程断成熟, 本着 子系统小型化和多功能化的要求, 以的情况下 , 如果能够实现电 池充电快速化 , 从某种及电池可靠性和稳定性要求的提高, 充电 系统将意义上也就解决了电动汽车续驶里程短这个致命和电动 汽车能量管理系统集成为一个整体, 集成弱点。对电动车用动力 蓄电池的充电快速化要求传输晶体管、电流检测和反向放电保护 等功能 , 无不同于对常规蓄电池的要求, 它应具有充电时间需外 部组件即可实现体积更小、集成化更高的充短、 充电效率高以及 对蓄电池使用寿命影响小的电解决方案, 从而为减少充电站的设 备占地 , 提高特点。充电站单位土地面积的充电服务效率。 (2) 充电通用性 3 充电规划原则 在未来相当长的一段时间内, 电动汽车用蓄电池仍将是多种 类型电池共存的局面。 各种电动汽车充电站布局包括“需求”和 “可能汽车所采用的电池中有铅酸电池, 锂离子电池、镍性”两 个因素。衡量充电站需求的主要指标是交氢
