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1、电动汽车充换电设施产业发展研究周爱敏 王智渊 李喆 摘要：推广电动汽车作为汽车行业应对能源环境问题的有效解决途径, 已经引起世界各国的广泛关注。充换电设施是电动汽车能力补给的基础装置，在电动汽车行业发展中起着十分重要的作用。文章结合我国电动汽车充换电服务网络建设现状，分析了目前充换电设施建设存在的主要问题，并提出了相应的解决策略，为促进电动汽车及其充换电设施产业健康快速发展提供借鉴。关键词：电动汽车；充换电设施；动力蓄电池；标准制定1.引言不可再生能源紧缺和生态环境污染是我国当前在高速发展过程中面临的主要问题。据联合国能源发展署统计，汽车耗油占化石能源消耗的比例高达 75%，其尾气排放占大气污
2、染的3060%。在全球倡导低碳经济的背景下，为节约能源、减少温室气体排放，汽车工业发展的重心正在发生转移，发展新能源汽车已成为业界共识。电动汽车与传统燃油汽车相比具有零排放、低噪声、高能效、运行及维修成本低廉等优点，在清洁、环保、节能等方面占据着明显的优势，其广泛普及可有效缓解上述问题。电动汽车的动力来源为装载于车体内部的动力蓄电池，当动力电池的电能消耗到一定程度时，就必须对其进行能量补充，以保证电动汽车能够持续循环使用。目前电动汽车的能量补给方式主要分为充电和电池更换两种。所谓充电，是指使用外部交流或直流电源直接对动力电池进行充电；而电池更换则是指用充满电能的动力电池替换电动汽车上电能已经耗
3、尽的动力电池来完成电能补充。电动汽车充换电设施是为电动汽车运行提供能量补给的基础支撑系统，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要组成部分。2.充换电设施产业国内外发展现状北美、欧洲、日本等发达国家凭借自身强大的汽车工业基础，通过政府发起、资助或公用事业公司与相关技术厂商的合作等形式，率先开展了多种电动汽车充换电设施的试点项目。美国能源部拨款9980万美元，支持E-Tech和日产公司在亚利桑那州、华盛顿开展大规模的电动汽车充电装置的建设工作1；Grid Point和Duke Energy在北加州联合测试电动汽车智能充电系统；温哥华市政府与BC Hydro和Mitsubishi合作，研究构建能够保
4、证电动汽车长距离行驶的充换电设施服务网络；法国电力集团（Electricite De France）和Renault在巴黎共同推广电动汽车充电站建设2；Better Place公司与日本经济产业省和Nihon Kotsu共同开展可更换电池式电动出租车项目试点研究3。作为世界第一的汽车生产和销售大国，我国更是把电动汽车发展作为应对能源安全、气候变化和产业结构升级问题的重要突破口，以及实现汽车产业跨越式发展的重要举措。根据国务院出台的汽车产业调整和振兴规划，未来三年中国将形成 50万辆新能源汽车的产能，其销售量占乘用车销售总量5%，到 2020年中国新能源汽车的比例将占全部汽车的 1/2，约为65
5、00 万辆4。同时，中央政府和地方政府制定了多种与电动汽车相关的优惠政策，特别是在电动汽车充换电服务方面，由于国家电网、南方电网等大型电力企业和中石化、中海油等传统能源企业的强力推进，众多电动汽车充换电设施建设项目纷纷启动：国家电网将在环渤海和长三角两个区域建设跨城际的智能充换电服务网络，计划在“十二五”期间建设充换电站2351座，充电桩22万个。至 2020 年，将建设充换电站 10075 座，充电桩 506209 个，在电动汽车充电站方面的投资总额将达到323亿元，在电动汽车充电桩方面的投资规模也将超过 125 亿元；南方电网与Better Place签订战略合作协议，着力于南方电网服务区
6、域内的电动汽车及基础设施项目，促进电动汽车和可替换电池箱在中国的发展；2010 年 2 月，中石化与北京首科集团共同投资 5000 万元，成立石化首科新能源科技有限公司，用中石化已有的终端网络，将部分加油站改建成加油充电综合服务站，以推动电动车市场化，计划采取“以油带电、油电结合”的发展运营模式解决纯电动车充电设施运营问题；2009年，中海油与普天集团合资成立了普天海油新能源动力有限公司，与众泰汽车在杭州建设充换电站试点。3.充换电设施产业目前面临的主要问题随着充换电设施建设的不断深入开展，各家公司在充换电设施的建设和运营过程中积累了丰富的经验，同时也发现了这一新兴行业存在的一些问题：（1）动
7、力蓄电池技术 汽车动力蓄电池是电动汽车的核心部件，也是制约电动汽车发展的主要瓶颈。理想的车用动力蓄电池要有高能量密度、高功率密度、寿命长、工作温度范围宽、可长期储存（无显著衰减和自放电）、安全性和可靠性良好、成本低等特点5。电动汽车的动力蓄电池目前主要有铅酸电池、锂电池和镍氢电池等几种类型，其性能比较如下表所示。表1.动力蓄电池性能比较电池种类质量比能量（Wh/kg）质量比功率（W/kg）使用循环寿命（次）成本环境污染铅酸电池33130400-500低有一定污染镍镉电池45500500较低严重污染镍氢电池40-60550-13501000较低严重污染锂电池10013001000较高无污染从上表
8、中可以看出，锂离子电池从各方面性能均比其他电池高出一筹，所以它也是目前使用最广泛的电动汽车动力蓄电池类型。但是，目前锂离子动力电池的能量密度、功率密度等性能指标仍不够理想。为满足不同类型车辆的一次充电的基本续航里程要求，电动汽车电池采用成组串联方式安装，小型车电池约有几十块，大型车电池多达上百块。因此电池组的所占体积会很大，其重量能占到整车最大重量的1/10到1/5以上。对于电动汽车成组电池来说，众多单体电池之间由于制造工艺、材质、接线方式等差异，存在容量、端电压和内阻不一致等问题。使用充电机为电池组进行整体充电，会出现个别电池的过电压充电，以及电池组放电过程中个别电池过度放电的问题。在车上的
9、布置分散、动力电池单体的使用环境不同，也会导致电池组单体间不一致性加剧，影响电池的使用寿命。此外，成组使用的每块电池在出厂之前已经固定排列，缺乏替换性，如果其中有一块有问题，就需要更换所有电池，除非有充电站对该款汽车专门选配电池，保证其替换的电池有近似相同的性能（包括电量、电压、寿命等），如果相差很多将会导致电池组整体性能的迅速衰减。（2）整车充电技术目前国内建成的电动汽车充电站均设置了数个至数十个充电桩，并且有服务人员提供充电服务。这种充电模式相当于燃油汽车的加油站，充电桩就像加油站里的加油机，将充电桩上的插头连在汽车的插座上就可以充电7。一般而言，乘车用动力蓄电池充电需要2-6小时，个别大
10、型的电动汽车可能长达10多小时。充电过程中车辆占用了大量的时间和场地，使整车充电方式的边际成本上升。如要缩短充电时间，则需采用快速充电技术。这种充电方式并不用把电池完全充满，只需要满足车辆基本行驶需要即可。快速充电方式使用直流充电机，在20至30分钟的时间内可为电池补充50%至80%的电能。但这样做的代价是造成电池寿命极度衰减，使用年限将由10年降至3年，整体的经济性并没有明显提高。除非在应急条件下，否则很少有人使用快速充电方式。由此可见，慢速交流充电等待时间长，快速直流充电损害动力电池，这是整车充电技术领域面临主要的技术问题。（3）电池更换技术电池更换模式利用专门的电池更换设备，将电动汽车耗
11、尽的电池组直接更换为充电站内已经充满的电池组。对于大型电动公交车和工程车辆，完全更换8-10箱动力电池的时间为6-8分钟，采用底盘电池更换方式的小型乘用车可在3分钟内完成电池更换8。更换下的电池待电网负荷较低时进行统一充电。电池更换模式在大大缩短了能量补给时间的同时也缓解了电池维护、电池回收、电网错峰和用地成本等问题。电池更换模式具有自动化程度高、流程简单易控、更换时间短等优势，弥补了传统交流充电桩和充电站的缺陷。电池更换技术的推广要求汽车厂家、电池厂家、电池更换设备厂家在电池规格，接口标准方面高度统一。相对于充电设施，电池更换设施标准制定在国外基本属于空白，没有可以借鉴的成熟经验。电池更换设
12、施标准制定属于行业交叉标准，需各方协调统一才能完成。以汽车厂家为例，其电动汽车多基于原有车型改装，需要分别配备专门电池更换设备，缺乏通用性，无法实现规模化的生产制造，这是制约电池更换设施成本降低的主要因素。在没有统一国家标准的指导下，目前已建的电动汽车充电池更换站都是按照地方标准或企业标准建设，接口之间存在各不相同、互不通用的缺点，甚至部分设施出现重复建设的问题，造成了资源浪费。4）充换电设施运营风险虽然政府大力推广新能源汽车，但是在市场经济的环境下，一方面汽车厂家缺乏利益的驱动，不愿开展新型电动汽车的研发，市场上现有电动汽车售价相对于燃油汽车偏高，并且消费者接受新生事物需要一定的过渡时期，阻
13、碍了电动汽车的推广。另一方面纯电动汽车保有量很低的状况使得大多数已建成的电动汽车充电池更换站处于闲置状态，由于使用率过低，其建设成本短期内难以收回9。政府政策补贴大多是针对于电动汽车和电池厂家，对于充电池更换设施建设方或者电动汽车购买方的政策倾斜力度不够，使得电动汽车的普及面临着一定的配套设施和市场风险。4.应对策略电动汽车发展的核心是动力电池技术，实现无损快速充电技术是突破电动汽车产业瓶颈的关键。政府应加强动力电池领域的研发投入，推动科研机构和企业攻克动力蓄电池在电池比能、电池成组、充电时间和循环寿命等几个方面的技术难题。一旦未来充电技术和动力蓄电池技术达到理想状态，就基本可以确定电动汽车将
14、以充电作为主要能量补给模式。政府和企业在当前更多关注的是充电桩、充电站和电池更换站3种电能补充模式之间的选择。随着充电市场的扩大和社会资本的融入，确定一种合理的商业运行模式，寻找充电设施投资主体、运营主体和盈利方式将逐渐成为推进电动汽车商业化的主要课题。三种电动汽车能量补充方式的比较如表 2 所示。表2.电动汽车3种能量补充方式比较服务特点适宜建设场合能量补给速度目标用户建设成本充电及运行成本充电桩分布式小规模停车场，住宅区很慢6-10小时私家车、政府、企业集团车辆较低较低，可实现谷电充电，管理维护难度大充电站集中式大规模车流密集区域，城市周边干道 较慢30-60分钟（快速充电）私家车，营运类
15、车辆较高较高，难以利用谷电充电，对电池寿命有损害，便于管理维护电池更换站集中式大规模城市中心区，高速公路沿线，营运车辆集中区较快3-10分钟私家车、营运类车辆很高较低，可实现谷电充电，便于电池统一管理、维护、回收基于当前动力蓄电池技术难以在短期内取得突破的情况，并结合我国配电网容量偏小、固定车位较少的国情，发展电池更换技术应是当前电动汽车能量补给方式的主要方向。同时，推广分布式充电设施建设，在住宅、停车场、商业区立体车库设立充电桩，为有停车需要的车辆进行即时电能补充。对于电池更换站和集中充电站中的动力电池采用统一管理，集中充电的方式，可结合电网负荷情况，合理利用电能，实现有序充电，以保证为用户提供性能可靠的动力电池。此外，建立动力电池物流配送网络，对地处偏远或是有应急需要的电动汽车提供紧急能量补给。根据前一阶段充电池更换设施建设过程中积累的经验，可按照“大型集中充电站-充电池更换站-配送站”三级架构，全力推进充电池更换服务网络建设，逐步实现城际间的点、线、面扩散式发展，并形成向周围中小城市的辐射效应，初步形成覆盖城市间公路干线的电动汽车充电池更换服务网络，如图1所示。图1. 电动汽车充换电设施网络情景图5.结束语为了解决能源危机、环境制约、节能减排压力，实现可持续发展，全球各国正在积极探索和努力推动交通能源动力系统转型。推广电动汽车充
