為電動汽車構(gòu)建充電基礎(chǔ)設(shè)施

摘要：世界各地都在競相用電動汽車取代化石燃料汽車，我們可以看到在超市停車場、博物館和許多其他公共場所的充電站如雨后春筍般涌現(xiàn)。預(yù)計電動汽車采用率將以每年32%的速度快速增長，雖然目前道路上只有1%左右的電動汽車，但預(yù)計到2050年，電動汽車將占所有輕型汽車銷售的65%左右。與目前部署的充電站數(shù)量相比，未來充電站的數(shù)目需要大幅度提高。目前，在一個典型的500車位停車場中，或許只能找到  5 個充電樁，只有可用停車位的1%。另一個考慮因素是在繁忙時段可能形成的長等待隊列，因為即使是快速充電器，完全充滿車輛電池電量也需要一定時間?？焖?、高電流充電站的日益普及，也突顯出對當?shù)仉娋W(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的巨大需求，以提供足夠數(shù)量的充電站。雖然電動卡車的采用還處于起步階段，但這也將給充電設(shè)施帶來更大壓力。

在本白皮書中，我們將分析電動汽車采用率的提升如何對建有充電站（如公共停車場、辦公室或家中等）的配電基礎(chǔ)設(shè)施提出新的要求。

一般的電動汽車文章通常以令人印象深刻的增長率統(tǒng)計數(shù)據(jù)開始，而且人們很容易談?wù)撈痤A(yù)期的電動汽車銷量。能源創(chuàng)新（Energy Innovation）組織^[1]的數(shù)字就是其中一個例子，該機構(gòu)預(yù)測，到2050年，市場上銷售的新輕型汽車中，將有65%～75%會是電動汽車，2012～2016年間平均增長率為32%，僅在2017年6月為止就已經(jīng)增長了45%（見圖1）。通過更深入分析，一些出自不同來源的增長數(shù)據(jù)也顯示了巨大差異。在未來30年中，70%（+/-5%）的銷售數(shù)字增長有其內(nèi)在的假設(shè)：其中包括關(guān)于電動汽車價格的變化、未來的技術(shù)改進、油價、政府機構(gòu)的激勵和其他"幾十個"更多要素。Energy Innovation的另一個數(shù)字來自能源信息管理局（EIA）2107年年度能源展望（Energy Information Administration (EIA) Annual Energy Outlook 2107）"無清潔能源（No Clean Power）"案例，在2025年市場占有率達到約5%之后，幾乎不會再有增長。因而，需要自己作出選擇。

圖1 美國電動汽車市場份額的三種預(yù)測：能源創(chuàng)新能源政策仿真（EPS）1.3.1正常業(yè)務(wù)（BAU）案例，EIA 2017年度能源展望"無清潔能源"案例，以及彭博新能源金融（BNEF）2017年電動汽車展望案例（資料來源：Energy Innovation）

影響電動汽車市場主要因素

電動汽車目前相對昂貴，因此樂觀的預(yù)測往往會假設(shè)價格會隨著銷量和技術(shù)改進而下降，但只有當價格下降時，銷量才會增加，這還是雞和蛋哪個先有的問題。一些制造商承認，為了刺激市場，每售出一輛車都會虧損，但這不是一個好的商業(yè)模式，并會考驗投資者的耐心。政府壓力是另一個驅(qū)動因素，需要達到氣候變化的目標，也需要控制污染水平，世界各地的政府機構(gòu)已經(jīng)宣布了在特定日期之前"禁止內(nèi)燃機（ICE）"的目標。這種標題給人留下深刻印象，但往往意味著禁止只使用ICE的車輛，而混合動力車則無期限限制。汽車制造商也在以同樣方式玩弄文字，他們不會放棄內(nèi)燃機汽車的制造能力和資產(chǎn)，而去承諾生產(chǎn)100%的電動汽車。未來有一天如果他們承諾，實際意味著100%全電動和混合動力汽車。

油價也會在一定程度影響未來電動汽車的采用程度。雖然當下物價相對穩(wěn)定，但地緣政治對于油價影響巨大，任何政府補貼也都有影響。例如，在美國，石油的補貼高達每年40億美元^[2]。如果原油價格從目前每桶54美元左右再次降至低于20美元（通貨膨脹調(diào)整后），消費者可能會重新考慮電動汽車的運行成本。目前，電動汽車每1美元電費大約可行駛43英里，大約是燃油汽車或SUV成本的四分之一。

如果電動汽車的購買和使用成本不能鼓勵人們放棄之前的內(nèi)燃機汽車，即使每年有20萬美國人由于大氣污染而死于肺部疾病，緩解氣候變化和改善環(huán)境等理由可能也不會奏效^[3]。

續(xù)航里程憂慮

提高電動汽車市場份額的一個障礙是人們對于充電的擔憂。起初的電動汽車里程數(shù)只有100英里左右，這使電動汽車只適用于做短途旅行的特定類型司機，需要經(jīng)常返回充電站為電動汽車充電。當下情況已經(jīng)好轉(zhuǎn)，對于較好車型來說，續(xù)航里程已經(jīng)達到300英里左右，但焦慮依然存在，主要是認為充電站依然很少。這當然是一個現(xiàn)實情況，即便借用另一臺路過的Good Samaritan備用電池，一個因電池電量耗盡而擱淺的電動汽車也不能恢復上路行駛。

與傳統(tǒng)加油站相比，充電站的確很少，而且彼此之間距離較遠，但這只是由供求關(guān)系決定。在美國，大約有2.7億輛汽車^[4]和15萬個加油站，一個加油站假設(shè)有8個加油泵，每個泵服務(wù)大約225輛汽車。相比之下，大約 794,000 輛電動汽車擁有約 48,500 個公共充電樁，每個充電樁服務(wù)16臺電動汽車，充電樁的服務(wù)載荷是傳統(tǒng)加油泵的14分之一！如果將辦公室和家庭充電點考慮在內(nèi)，則接近每臺電動汽車擁有一個充電點。

顯然，我們不能這樣直接比較，一個油箱可以在大約10分鐘內(nèi)重新加滿，加上適當?shù)姆潘尚菹⒑蛷谋憷曩徺I一些飲料，也許需要15分鐘。但是，在高速公路服務(wù)站，從"慢速"充電站充電可能需要幾個小時，因此，如果所有充電點都在使用中，而下一個充電站距離數(shù)英里遠，即便有更多的充電樁也沒有多大幫助。

由于每個人都相信電動汽車的美好未來，我們可以期望未來要構(gòu)建的基礎(chǔ)設(shè)施會匹配其中一種采納率預(yù)測方案，希望其中之一是正確的。不過，由于需求還有一些不確定性，以及可能會發(fā)生一些局部變化，或許會有欠缺或者過沖。可以肯定的是，加州在未來幾年內(nèi)安裝的充電樁數(shù)量將比北達科他州多，目前，北達科他州電動汽車的銷量比加州少40倍左右^[5]。

電力供應(yīng)焦慮

雖然續(xù)航里程問題值得認真考慮，但電力供應(yīng)也應(yīng)該需要關(guān)注，至少在未來更應(yīng)該這樣。目前，電動汽車充電對電網(wǎng)的負荷幾乎沒有影響，但到2050年，如果預(yù)計75%的電動汽車每天都需要充電，電力需求可能高達美國電力總消耗量的15%，即900TWh（見圖2）。

圖2 在BAU場景下，假定成本逐漸下降，到2050年達到BAU價格只有現(xiàn)在的40%，美國電動LDV的年度電力需求，（資料來源：Energy Innovation）

同樣，這里對技術(shù)改進也進行了假設(shè)。例如，電動汽車需要把能量從電池傳輸?shù)杰囕?，目前的效率僅為 59% 到 62%，因此預(yù)期有相當?shù)母倪M空間。內(nèi)燃機汽車燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為動力的轉(zhuǎn)換效率僅為17%到21%。迄今引用的電動汽車銷售和能源消耗數(shù)字僅與輕型車輛（LDV）有關(guān)，如果電動卡車成為現(xiàn)實，上述這些數(shù)字可能非常保守。與建設(shè)充電站和升級公用事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的時限遠遠超出了政府行政條款和直接政治范疇，但公用事業(yè)提供商無論如何都會確信電動汽車的長期確定性，并將規(guī)劃有足夠的基礎(chǔ)能源供應(yīng)。無論如何，隨著電動汽車總體市場的增長和基礎(chǔ)設(shè)施的完善，電動汽車充電的額外15%載荷在發(fā)電層面并不是問題。然而，在配電層面，隨著您愈加接近汽車充電電纜，情況就大有不同。

圖3 高壓配電將具有 EV 充電能力

滿足未來電動汽車充電需求的配電硬件

從歷史上看，夜間電力需求較低，隨著烤面包機、電淋浴和其他家用電器在早上7點左右開始使用，負荷會快速增大。在傍晚時分，炊具、加熱/冷卻電器等開始最大負荷運行，這種峰值情況再次發(fā)生。如果將家用電動汽車充電添加到負荷內(nèi)，用電模式將發(fā)生顯著變化，負載會在夜間達到峰值，以便電動汽車能夠做好早晨通勤準備。標準家用充電器可能為 3 或 7kW，需要 6 到 12 小時才能充滿 EV，而PHEV 需要 2 到 4 小時，這僅僅與晚上運行一兩個高功率加熱器類似。但快速充電器的額定功率可達22kW左右，這接近家用電力供應(yīng)的極限，通常比沒有EV的峰值水平要高，當然，在24小時內(nèi)的平均水平也要高得多。隨著越來越多家庭采用電動汽車，當?shù)嘏潆娋W(wǎng)會馬上感受到額外壓力，將中等水平電壓降至家用水平的變壓器會大聲鳴叫。但高壓配電網(wǎng)和發(fā)電站不會因此退縮，因為這些也在向工業(yè)領(lǐng)域供電，所不同的是工業(yè)在不同時間達到峰值。本地電力供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施可能是第一個瓶頸，也有因地而異的顯著差異。例如，城市公寓可能有停車位，但 EV 供電不會直接來自于最終消費者的電力。這些電力是按照用量計費，但會是匯總到更高的公用事業(yè)級別，其中負載控制包括了家用和工業(yè)用載荷，只要其在硬件額定值范圍內(nèi)。路邊和公共快速充電點也是如此，這些充電點負載更直接連在高壓網(wǎng)絡(luò)上。

電動汽車充電器具備足夠智能，能夠控制充電速率，因此電池在計劃的時間內(nèi)即可準備就緒，擁有所需要的電力，但他們卻對電源的其他需求一無所知。智能充電器有機會與公用事業(yè)公司交互，能夠控制臨近社區(qū)內(nèi)電動汽車的充電，以保持總負載在允許大小內(nèi)。這不僅有助于防止超載，而且對公用事業(yè)公司來說也具有一個正面的好處。公用事業(yè)公司更喜歡平穩(wěn)的負荷，這樣可以避免電力需求的高峰和低谷，從而無需對發(fā)電廠進行昂貴的調(diào)整和關(guān)閉。在一些地區(qū)，公用事業(yè)公司通過給與回扣和特別費率鼓勵用戶在非高峰時段進行智能充電^[6]。

除了具備一系列智能特性和互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施外，無論在車輛內(nèi)部還是充電基礎(chǔ)設(shè)施中設(shè)計大功率充電和電池監(jiān)控系統(tǒng)都面臨一些挑戰(zhàn)，其中許多已經(jīng)為電力系統(tǒng)設(shè)計工程師所熟知，而能源效率、散熱和電源線調(diào)節(jié)是三大考慮因素。在頻繁發(fā)生高功率負載開關(guān)的電氣環(huán)境中，電源可能會經(jīng)歷劇烈的高速dv/dt 瞬態(tài)，如果這種高壓尖峰得不到充分保護，可能會對連接的設(shè)備造成災(zāi)難性和永久性損壞。對于所有類型的電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，強烈建議使用專業(yè)大功率保護設(shè)備，如 Bourns Hybrid GMOV。它由節(jié)省空間的氣體放電管和金屬氧化物變流器組成，采用單一緊湊型、低泄漏和長壽命封裝，可提供一種非?？煽康姆椒▉肀Ｗo所有電路免受過電壓瞬態(tài)浪涌的影響。

可再生資源雙贏策略

長期以來，對電動汽車的一個反對意見是它們并不是所謂的綠色，這些觀點認為充電所需的電能最終來自于高排放的煤炭或燃氣發(fā)電機。隨著可再生資源使用量增加，這種狀況正在發(fā)生改變。沒有太陽時不能實現(xiàn)光伏發(fā)電，難以預(yù)測的風力同樣使渦輪機發(fā)電并不可靠。理想的解決方案是采用一些儲能手段來保障電力供應(yīng)能力，但至今沒有完美的解決方案。例如，利用湖泊中的水力發(fā)電只適合某些地點。雖然業(yè)內(nèi)有一些很有前途的想法，例如使用存儲在基巖（bedrock）中的壓縮油氣，另一種可能性是使用電動汽車的電池組“借給”電網(wǎng)能量以作為緩沖，并可換取賬單回扣（圖4）。

圖4 太陽能可以儲存在電動汽車電池中

將能量返回電網(wǎng)需要雙向充電器，這些技術(shù)已經(jīng)具備。如果您知道汽車將閑置一段時間，公用事業(yè)公司可能會根據(jù)需要利用您的電池組進行能量提取和存儲，而不會影響您的使用，因為智能充電器已經(jīng)過編程，知道您何時需要使用汽車，并在此之前將電動汽車電池充滿電。

參考資料：

[1] 能源創(chuàng)新，舊金山

[2] 美國財政部公開文件

[3] 麻省理工學院新聞研究：空氣污染每年導致美國20萬人過早死亡。

[4] Statista

[5] 汽車聯(lián)盟高級技術(shù)汽車銷售匯總（Dashboard）

[6] Pluginamerica州聯(lián)邦激勵