為電動(dòng)汽車(chē)構建充電基礎設施

詳盡導語(yǔ)： 全世界對于電動(dòng)汽車(chē)的采納正在迅速增加,相關(guān)機構預計每年增長(cháng)速度將達到32%。但該預測只有在住宅、辦公室和公共場(chǎng)所的充電基礎設施相匹配的情況下才會(huì )發(fā)生,遺憾的是,衡量要構建的基礎設施規模也非常困難。

簡(jiǎn)短導語(yǔ)： 電動(dòng)汽車(chē)的采納率將顯著(zhù)增加,充電基礎設施必須要保持同步發(fā)展。

在本白皮書(shū)中,我們將分析電動(dòng)汽車(chē)采用率的提升會(huì )如何對建有充電站的公共停車(chē)場(chǎng)、辦公室或家中等配電基礎設施提出新的要求。

有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)的文章通常從令人印象深刻的增長(cháng)率統計數據開(kāi)始,并且很樂(lè )意談?wù)擃A計的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售量。 來(lái)自國際能源署(IEA)機構 ^[1] 的數據就是一個(gè)例子,其發(fā)布的數據預測全球電動(dòng)乘用車(chē)保有量(global stock)將從2018年的500萬(wàn)輛增加到2030年的約2.5億輛,屆時(shí)年銷(xiāo)量約為4400萬(wàn)輛。這是一種典型的EV30@30場(chǎng)景,即到2030年,所有電動(dòng)汽車(chē)中的30%(兩輪車(chē)除外)將各擁有30%的全球市場(chǎng)份額(見(jiàn)圖1),該圖包括混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)、公共汽車(chē)和卡車(chē)。因此,電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)吸引力依舊很強,但也必須進(jìn)行實(shí)際的合理性檢查:這種增長(cháng)軌跡上的誤差到底有多大?假設和確定的風(fēng)險是什么?經(jīng)過(guò)深入研究,一些出于不同來(lái)源的增長(cháng)數據顯示出很大差異,所引用的銷(xiāo)售數據包含有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格承受能力的變化、未來(lái)技術(shù)改進(jìn)、油價(jià)、監管激勵措施以及更多“數十個(gè)”假設。這些預測還高度依賴(lài)中國的市場(chǎng)占有率,中國在2018年占全球市場(chǎng)的45%,而歐洲為24%,美國為22%。美國能源信息署(EIA)的《2020年年度能源展望》 ^[2] 中的另一組數字顯示,到2030年,美國純電動(dòng)汽車(chē)的總銷(xiāo)量將遠遠少于100萬(wàn)輛,如果按地域劃分的市場(chǎng)份額百分比保持不變,則不到IEA預測的十分之一。該數據預測,到2050年及以后,汽油車(chē)仍將占主導地位。因此,也需要考慮這些數據。

影響電動(dòng)汽車(chē)采用率的主要因素

電動(dòng)汽車(chē)目前相對昂貴,因此樂(lè )觀(guān)的預測假設其價(jià)格會(huì )隨著(zhù)銷(xiāo)量和技術(shù)改進(jìn)而下降,但只有當價(jià)格下降時(shí),銷(xiāo)量才會(huì )增加,這還是回到雞和蛋誰(shuí)先出現的問(wèn)題。一些制造商承認,為了刺激市場(chǎng),每售出一輛車(chē)都會(huì )虧損,但這不是一個(gè)好的商業(yè)模式,并會(huì )考驗投資者的耐心。政府壓力是另一個(gè)驅動(dòng)因素,需要達到氣候變化的目標,也需要控制污染水平,世界各地的行政當局已經(jīng)宣布了在特定日期之前"禁止內燃機(ICE)"的目標。這種標題給人留下深刻印象,但往往意味著(zhù)禁止只使用ICE的車(chē)輛,而混合動(dòng)力車(chē)則無(wú)限制日期。汽車(chē)制造商也在以同樣方式玩弄文字,他們不會(huì )放棄內燃機汽車(chē)的制造能力和資產(chǎn),而去承諾100%的電動(dòng)汽車(chē)。未來(lái)有一天如果他們承諾,實(shí)際意味著(zhù)100%全電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車(chē)。

油價(jià)通過(guò)其自身的動(dòng)態(tài)變化影響未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的使用。盡管近期價(jià)格一直相對穩定,但地緣政治以及任何政府補貼都會(huì )產(chǎn)生巨大影響。目前的原油價(jià)格約為54美元,如果像1998年那樣,原油價(jià)格每桶再次跌至低于20美元(考慮通貨膨脹調整后),那么消費者可能會(huì )再次考慮電動(dòng)汽車(chē)的運行成本。目前,電動(dòng)汽車(chē)每一美元的電力可獲得約43英里的行駛里程,約為汽油動(dòng)力汽車(chē)或SUV成本的四分之一。

盡管世界衛生組織報告指出,全球有420萬(wàn)人因空氣污染而過(guò)早死亡^[3]。如果電動(dòng)汽車(chē)的購買(mǎi)和運營(yíng)成本高昂,沒(méi)有動(dòng)力促使人們放棄使用ICE,那么緩解氣候變化和改善環(huán)境的爭論就可能會(huì )減弱。

圖1:2018年至2030年全球所有電動(dòng)汽車(chē)的預計保有量。(來(lái)源:EIA)

里程憂(yōu)慮

提高電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)份額的一個(gè)障礙是對于充電的擔憂(yōu)。起初的電動(dòng)汽車(chē)里程數只有100英里左右,這使電動(dòng)汽車(chē)適用于只做短途旅行的特定類(lèi)型司機,需要經(jīng)常返回充電站為電動(dòng)汽車(chē)充電。目前情況已經(jīng)好轉,對于較好車(chē)型來(lái)說(shuō),續航里程已經(jīng)能夠達到300英里左右,但焦慮依然存在,主要是認為充電點(diǎn)依然很少。這當然是一個(gè)現實(shí)情況,即便借用另一臺路過(guò)的Good Samaritan備用電池,一個(gè)因電池電量耗盡而擱淺的電動(dòng)汽車(chē)仍不能恢復上路行駛。

與加油站相比,充電站似乎數量很少而且彼此距離甚遠,但這只是暫時(shí)由供需關(guān)系決定。在美國,大約有2.7億輛汽車(chē)和15萬(wàn)個(gè)加油站,平均每個(gè)加油站有8臺油泵,每臺泵約服務(wù)225臺汽車(chē)。相比之下,全球有大約500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē),約410,000個(gè)公共充電樁,平均每個(gè)充電樁服務(wù)12輛電動(dòng)汽車(chē),可用性是燃油汽車(chē)的18倍!如果將辦公室和家庭充電點(diǎn)考慮在內,則幾乎可以實(shí)現兩者均衡,每輛電動(dòng)汽車(chē)都有一個(gè)充電點(diǎn)。

顯然,這樣直接的比較并不合適。加油站可以在大約十分鐘內重新加滿(mǎn)一個(gè)汽油箱,如果需要簡(jiǎn)短的休息,或者從便利店買(mǎi)一罐蘇打水,大約需要15分鐘。但是,在高速公路服務(wù)區的“慢速”充電站為電池充電可能會(huì )花費數小時(shí),如果所有充電樁都在使用中,而下一個(gè)充電站又在數英里之外,那么有再多數量的可用充電樁也無(wú)濟于事。

每個(gè)人都希望相信電動(dòng)汽車(chē)有一個(gè)美好的未來(lái)前景,我們可以預期,未來(lái)基礎設施的建設能夠滿(mǎn)足其中一種發(fā)展情況,并希望是正確的一種。但是,由于需求的不確定性以及需要考慮的局部變數,將會(huì )出現過(guò)于樂(lè )觀(guān)或者過(guò)于悲觀(guān)。但可以確定,在未來(lái)幾年中,挪威約有60%的新車(chē)銷(xiāo)售將是電動(dòng)汽車(chē),在未來(lái)幾年中將比英國部屬更多的充電站,英國在2019年新電動(dòng)汽車(chē)的注冊率僅僅為1.6%^[4]。

圖2:在BAU應用場(chǎng)景,以及成本逐漸下降的情況下,到2050年BAU價(jià)格達到只有現在的40%,美國電動(dòng)LDV的年電力需求。(資料來(lái)源:Energy Innovation)

電力供應問(wèn)題

雖然電動(dòng)汽車(chē)的里程問(wèn)題令人擔憂(yōu),但未來(lái)的電力供應需要來(lái)自那里呢?目前,電動(dòng)汽車(chē)充電對電網(wǎng)的負荷幾乎沒(méi)有太多的增加。據彭博社BNEF ^[5] 預測,到2050年,電動(dòng)汽車(chē)所需電力也將僅占全球總需求的9%,與2018年相比,增長(cháng)了57%。在美國,到2050年,電動(dòng)汽車(chē)的充電能量需求將達到800～900太瓦小時(shí),而總電力消耗量約為30,000太瓦小時(shí)。

同樣,這里對技術(shù)改進(jìn)也進(jìn)行了假設。例如,電動(dòng)車(chē)需要把能量從電池轉換到車(chē)輪,目前的效率僅為59% ～ 62%,因此預期有相當大的改進(jìn)空間。內燃機汽車(chē)燃料中的化學(xué)能轉化為動(dòng)力的轉換效率僅為17%～21%。迄今引用的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售和能源消耗數字僅與輕型車(chē)輛(LDV)有關(guān),如果電動(dòng)卡車(chē)成為現實(shí),上述這些數字可能非常保守。與建設充電站和升級公用事業(yè)基礎設施相關(guān)的時(shí)間表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(wú)論如何都會(huì )確信電動(dòng)汽車(chē)的長(cháng)期確定性,并將規劃有足夠的基礎能源供應。因此,隨著(zhù)基礎設施的不斷擴展以適應不斷增長(cháng)的總體市場(chǎng),從發(fā)電的環(huán)節看,電動(dòng)汽車(chē)充電的9%份額并不是問(wèn)題。但是,在配電方面,當您靠近汽車(chē)的充電電纜準備充電時(shí),情況就不同了。

圖3:高壓配電將能夠提供電動(dòng)汽車(chē)充電的電力。

滿(mǎn)足未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)充電需求的配電硬件

從歷史上看,夜間電力需求較低,隨著(zhù)烤面包機、電淋浴和其他家用電器在早上7點(diǎn)左右開(kāi)始使用,負荷會(huì )快速增大。在傍晚時(shí)分,炊具、加熱/冷卻電器開(kāi)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(dòng)汽車(chē)充電添加到負荷內,用電模式將發(fā)生顯著(zhù)變化,負載會(huì )在夜間達到峰值,以便電動(dòng)汽車(chē)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(shí)才能充滿(mǎn) EV,而插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(PHEV)則需要 2 ～ 4 小時(shí),這僅僅與晚上運行一兩個(gè)高功率加熱器類(lèi)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的極限,通常比沒(méi)有電動(dòng)汽車(chē)的峰值水平要高很多,當然,在24小時(shí)內的平均水平也要高得多。隨著(zhù)越來(lái)越多家庭采用電動(dòng)汽車(chē),當地配電網(wǎng)會(huì )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(huì )大聲?shū)Q叫。但高壓配電網(wǎng)和發(fā)電站不會(huì )因此退縮,因為他們也在向工業(yè)領(lǐng)域供電,所不同的是工業(yè)在不同時(shí)間達到峰值。本地供應基礎設施可能是第一個(gè)瓶頸,也有因地而異的顯著(zhù)差異。例如,城市公寓可能有停車(chē)位,但電動(dòng)汽車(chē)供電不會(huì )直接來(lái)自于最終消費者的電力。這些電力是按照用量計費,但將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,只要這些負荷在硬件額定值范圍內。路邊和公共快速充電點(diǎn)也是如此,這些充電點(diǎn)負載更是直接連在高壓網(wǎng)絡(luò )上。

電動(dòng)汽車(chē)充電器具備足夠的智能,能夠控制充電速率,因此電池在計劃的時(shí)間內即可準備就緒,擁有所需的電力,但他們卻對電源的其他需求一無(wú)所知。智能充電器卻能夠與公用事業(yè)公司互動(dòng),通過(guò)控制臨近社區內電動(dòng)汽車(chē)的充電,可以保持總負載在允許邊界內。這不僅有助于防止超載,而且對公用事業(yè)公司來(lái)說(shuō)也有正面的好處。公用事業(yè)公司更喜歡平穩的負荷,這樣可以避免電力需求的高峰和低谷,從而無(wú)需對發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行昂貴的調整和關(guān)閉。在一些地區,公用事業(yè)公司通過(guò)給與回扣和特別費率,來(lái)鼓勵在非高峰時(shí)段進(jìn)行智能充電。

除了具備一系列智能特性和互聯(lián)基礎設施外,無(wú)論在車(chē)輛內部還是充電基礎設施中設計大功率充電和電池監控系統都面臨一些常見(jiàn)的挑戰,其中許多已經(jīng)為電力系統設計工程師所熟知,而能源效率、散熱和電源線(xiàn)調節是三大考慮因素。在頻繁發(fā)生高功率負載開(kāi)關(guān)的電氣環(huán)境中,電源可能會(huì )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(huì )對連接的設備造成災難性和永久性損壞。對于所有類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施,強烈建議使用如 Bourns Hybrid GMOV 等專(zhuān)業(yè)大功率保護設備,它由節省空間的氣體放電管和金屬氧化物變流器組成,采用單個(gè)緊湊、低泄漏和長(cháng)壽命封裝,可提供一種非?？煽康姆椒▉?lái)保護任何電路免受過(guò)電壓瞬態(tài)浪涌的影響。

圖4:太陽(yáng)能可以存儲在電動(dòng)汽車(chē)電池中。

可再生能源的共贏(yíng)策略

長(cháng)期以來(lái),對電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)反對意見(jiàn)是它們并不是所謂的環(huán)保綠色,因為這些人認為充電所需的電能最終來(lái)自于骯臟的煤炭或燃氣發(fā)電機。隨著(zhù)可再生資源使用量的增加,情況正在發(fā)生改變。但沒(méi)有太陽(yáng)時(shí)不能實(shí)現光伏發(fā)電,難以預測的風(fēng)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(lái)保障電力供應,但至今沒(méi)有完美的解決方案。例如,湖泊中的水力發(fā)電只適合某些地形。雖然業(yè)內有一些很有前途的想法,如在基巖(bedrock,)儲存壓縮氣體,一種可能性是使用電動(dòng)汽車(chē)的組合電池“借”能量回電網(wǎng)作為緩沖,以換取你的賬單回扣(見(jiàn)圖4)。

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(chē)將閑置一段時(shí)間,公用事業(yè)公司可能會(huì )根據他們的需要利用您的汽車(chē)電池進(jìn)行能量的提取和存儲,而不會(huì )影響您的使用,因為智能充電器已經(jīng)過(guò)編程,知道您在何時(shí)使用汽車(chē),并在此之前將電動(dòng)汽車(chē)電池充滿(mǎn)電能,并準備出發(fā)。

[1]   國際能源署(IEA)(2019),“全球電動(dòng)汽車(chē)展望2019” ,國際能源署,巴黎

[5]   彭博社BNEF Blog: “全球電力需求到2050年將增長(cháng)57%”