充电桩布局规划的原则性建议

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、4200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) 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5～8h,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 min～2h,为其提供短时充电服务,一般充电电流为150～400 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2000次以上) ;

3) 没有记忆性,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10～15min) 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. 2～2. 0 C 之间。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。

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类电池,还会有其他种类的电池。此外,即使是在于交通、环保及区域配电能力等外部环境条件与该地区的建设规划和路网规划。

3. 1 充电站分布与电动汽车交通密度和充电需通量与服务半径两个要素,决定可能性与否关键同一类型的电池,也存在不同的电压等级。求的分布尽可能一致公共场所的充电装置必须具有适应多种类型蓄电池系统和适应各种电压等级的能力系统需要具有充电广泛性,具备多种类型蓄电池的充电控制算法,可与各类电动汽车上的不同蓄,即充电交通密度是指在单位长度车道上,某一瞬间电池系统实现充电特性匹配,能够针对不同的电所存在的车辆数,一般用辆车道表示。根据定义, 池进行充电。在电动汽车商业化的早期,就应该密度基本上是在一段道路上测得的瞬时值,它不制定相关政策措施,规范公共场所用充电装置与仅随时间的变化而变动,也随测定区间的长度而电动汽车的充电接口、充电规范和接口协议等。变化。为此,常将瞬时密度用某总计时间的平均

(3) 充电智能化值表示。该区域的电动汽车交通密度越大,说明制约电动汽车发展及普及的最关键问题之一在区域内运行

的电动汽车数量越大,从而对充电是储能电池的性能和应用水平。与电动车身、驱站点的需求也会越大。动电机、控制技术等方面的发展相比,电池的充、充电需求是指一定数量的电动汽车在特定时放电技术仍很落后,需要在优化现有电池智能化间和特定地点对充电的需求。充电需求和交通密充电方法和开发新型高性能电池等方面努力。优度密切相关,但又受到电动汽车的运行方式的制化电池智能化充电方法的目标是要实现无损电池约。例如,对于电动公交车来说,其起(终)点站的充电,监控电池的放电状态,避免过放电现象, 为其充电需求区域,会增加其运营线路上的电动从而达到延长电池的使用寿命和节能的目的。同汽车交通密度;企业班车以企业所在地为其充电时,对电池进行实时的或定期自动检测、诊断和维修区域,会增加其行驶线路上的电动汽车交通护,最大限度的保证电池的可靠运行。密度。

(4) 电能转换高效化充电站网点数量控制应考虑与充电需求的分提高充电装置的电能转换效率,采用高效充布尽可能保持一致,应与各区域的电动汽车交通电装置对降低电动汽车运行能耗具有重要意义。密度成正比。不同类型充电装置机的电能转换效率存在巨大差

3. 2 充电站的布局应符合充电站服务半径要求别。对于充电站,从电能转换效率和建造成本上电动汽车充电站的分布可以参考建设部《城考虑,应优先选择具有电能转换效率高,建造成本市道路交通规划设计规范》(1995)中的加油站服低等诸多优点

的充电装置,如集中隔离型充电装务半径规定,结合电动汽车自身的运行特点以及置等。各区域的计算服务半径按实际需要设定。由于各充电集成化交通区域的交通密度不一样,反映充电站网点密目前电动汽车充电系统是作为一个独立的辅度的服务半径也各不相同。动力电池的续驶能力是影响充电站服务半径的另一大因素。目前,电动汽车动力电池的理论单次充电行驶里程在150～200 km 左右,实际上, 考虑电池的寿命老化、交通拥堵等现实因素,从保证电动汽车使用者连续行驶角度出发,充电站的服务半径应以电动汽车单次充电行驶里程100 km (甚至更短)计算。只有这样才能有效保障电动汽车的持续行驶能力。

3. 3 充电站的设置应满足城市总体规划和路网规划要求充电站布局是对不同区域的充电站需求条件分析后得出的结果,但是充电站具体选址定点还须考虑其实施的可能条件。充电站的选址定点应结合地区建设规划和路网规划,以网点总体布局规划为宏观控制依据,经过对布局网点及其周围地区规划选址方案的比较,确定网点设置用地。从长远考虑, 方式及导线、开关电器和变压器等设施的选择,以保证供电系统安全运行。

3. 4 充电规划应充分考虑电动汽车未来发展趋势随着国家强力推动,电动汽车行业将会出现长足发展。在进行电动汽车充电站布局规划时应充分考虑到电动汽车的推广应用对充电站建设的推动作用,规划应具有前瞻性和全局性,应留有潜力,能够适应未来数年内电动汽车的发展要求。以充电机整流模块( PUM )

设计为例,目前该模块的安装尚无相关标准,从技术上看,既可以安装在车内,也可集成于地面充电机内。作为充电,从经济角度来说,当然希望将PUM 低车辆的有效载荷,同时,这部分成本将转嫁到电和路网规划相匹配的统筹规划。政府应对充电站的建设应采取市场准入制度,根据城市发展规划及电动汽车推广应用情况对充电站布局建设做出科学规划安排,防止出现“一窝蜂”的重复投资现象,减少投资浪费。

3. 5 充电站的设置应充分考虑本区域的输配电网现状电动汽车充电站运营时需要高功率的电力供应支撑,在进行充电站布局规划时,应与电力供应部门协调,将充电站建设规划纳入城市电网规划中。城市电网规划是城市电网发展和改造的总体计划。将充电站布局规划纳入到城市电网规划中,可以提高充电站电能供应的安全性和稳定性, 为充电站运营提供可靠的电力供应保障。另外,由于电动汽车充电设备是一种非线性负荷,工作时产生的谐波电流很高,谐波注入电网会造成电能质量降低等负面影响。在充电站快速短时充电时,由于负荷变化太快,冲击电压也可能对电网造成影响。这些都需要在建设充电站时予以考虑。

以上海地区为例,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。因此,未来的电力配送体系和充电站基础设施建设应能支撑电动汽车巨大的电能需求。同时,电动汽车充电量的需求也将影响着供电系统中充电设施供应商安装在车内,这样可以简化充电机设计,并且降低生产成本。但车

内安装PUM 将占用车辆空间,降动汽车使用者一方,提高了消费者购车成本,不利于电动汽车的推广应用。

4 结束语

电动汽车充电站是电动汽车发展所必须的基础设施。布局合理的电动汽车充电站规划对电动汽车的普及发展将起到不可替代的作用。在国内,电动汽车行业还处于萌芽阶段,对城市范围内的充电站布局规划研究刚刚起步。