為電動(dòng)汽車(chē)構建充電基礎設施

摘要：世界各地都在競相用電動(dòng)汽車(chē)取代化石燃料汽車(chē)，我們可以看到在超市停車(chē)場(chǎng)、博物館和許多其他公共場(chǎng)所的充電站如雨后春筍般涌現。預計電動(dòng)汽車(chē)采用率將以每年32%的速度快速增長(cháng)，雖然目前道路上只有1%左右的電動(dòng)汽車(chē)，但預計到2050年，電動(dòng)汽車(chē)將占所有輕型汽車(chē)銷(xiāo)售的65%左右。與目前部署的充電站數量相比，未來(lái)充電站的數目需要大幅度提高。目前，在一個(gè)典型的500車(chē)位停車(chē)場(chǎng)中，或許只能找到  5 個(gè)充電樁，只有可用停車(chē)位的1%。另一個(gè)考慮因素是在繁忙時(shí)段可能形成的長(cháng)等待隊列，因為即使是快速充電器，完全充滿(mǎn)車(chē)輛電池電量也需要一定時(shí)間?？焖?、高電流充電站的日益普及，也突顯出對當地電網(wǎng)基礎設施的巨大需求，以提供足夠數量的充電站。雖然電動(dòng)卡車(chē)的采用還處于起步階段，但這也將給充電設施帶來(lái)更大壓力。

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

一般的電動(dòng)汽車(chē)文章通常以令人印象深刻的增長(cháng)率統計數據開(kāi)始，而且人們很容易談?wù)撈痤A期的電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量。能源創(chuàng )新（Energy Innovation）組織^[1]的數字就是其中一個(gè)例子，該機構預測，到2050年，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的新輕型汽車(chē)中，將有65%～75%會(huì )是電動(dòng)汽車(chē)，2012～2016年間平均增長(cháng)率為32%，僅在2017年6月為止就已經(jīng)增長(cháng)了45%（見(jiàn)圖1）。通過(guò)更深入分析，一些出自不同來(lái)源的增長(cháng)數據也顯示了巨大差異。在未來(lái)30年中，70%（+/-5%）的銷(xiāo)售數字增長(cháng)有其內在的假設：其中包括關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格的變化、未來(lái)的技術(shù)改進(jìn)、油價(jià)、政府機構的激勵和其他"幾十個(gè)"更多要素。Energy Innovation的另一個(gè)數字來(lái)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(wú)清潔能源（No Clean Power）"案例，在2025年市場(chǎng)占有率達到約5%之后，幾乎不會(huì )再有增長(cháng)。因而，需要自己作出選擇。

圖1 美國電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)份額的三種預測：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(wú)清潔能源"案例，以及彭博新能源金融（BNEF）2017年電動(dòng)汽車(chē)展望案例（資料來(lái)源：Energy Innovation）

影響電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)主要因素

電動(dòng)汽車(chē)目前相對昂貴，因此樂(lè )觀(guān)的預測往往會(huì )假設價(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，這還是雞和蛋哪個(gè)先有的問(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，世界各地的政府機構已經(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)期限限制。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)，而去承諾生產(chǎn)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)和混合動(dòng)力汽車(chē)。

油價(jià)也會(huì )在一定程度影響未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的采用程度。雖然當下物價(jià)相對穩定，但地緣政治對于油價(jià)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(jià)格從目前每桶54美元左右再次降至低于20美元（通貨膨脹調整后），消費者可能會(huì )重新考慮電動(dòng)汽車(chē)的運行成本。目前，電動(dòng)汽車(chē)每1美元電費大約可行駛43英里，大約是燃油汽車(chē)或SUV成本的四分之一。

如果電動(dòng)汽車(chē)的購買(mǎi)和使用成本不能鼓勵人們放棄之前的內燃機汽車(chē)，即使每年有20萬(wàn)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(huì )奏效^[3]。

續航里程憂(yōu)慮

提高電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)份額的一個(gè)障礙是人們對于充電的擔憂(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)只適用于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。當下情況已經(jīng)好轉，對于較好車(chē)型來(lái)說(shuō)，續航里程已經(jīng)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(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)也不能恢復上路行駛。

與傳統加油站相比，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(chē)^[4]和15萬(wàn)個(gè)加油站，一個(gè)加油站假設有8個(gè)加油泵，每個(gè)泵服務(wù)大約225輛汽車(chē)。相比之下，大約 794,000 輛電動(dòng)汽車(chē)擁有約 48,500 個(gè)公共充電樁，每個(gè)充電樁服務(wù)16臺電動(dòng)汽車(chē)，充電樁的服務(wù)載荷是傳統加油泵的14分之一！如果將辦公室和家庭充電點(diǎn)考慮在內，則接近每臺電動(dòng)汽車(chē)擁有一個(gè)充電點(diǎn)。

顯然，我們不能這樣直接比較，一個(gè)油箱可以在大約10分鐘內重新加滿(mǎn)，加上適當的放松休息和從便利店購買(mǎi)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(gè)小時(shí)，因此，如果所有充電點(diǎn)都在使用中，而下一個(gè)充電站距離數英里遠，即便有更多的充電樁也沒(méi)有多大幫助。

由于每個(gè)人都相信電動(dòng)汽車(chē)的美好未來(lái)，我們可以期望未來(lái)要構建的基礎設施會(huì )匹配其中一種采納率預測方案，希望其中之一是正確的。不過(guò)，由于需求還有一些不確定性，以及可能會(huì )發(fā)生一些局部變化，或許會(huì )有欠缺或者過(guò)沖?？梢钥隙ǖ氖?，加州在未來(lái)幾年內安裝的充電樁數量將比北達科他州多，目前，北達科他州電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量比加州少40倍左右^[5]。

電力供應焦慮

雖然續航里程問(wèn)題值得認真考慮，但電力供應也應該需要關(guān)注，至少在未來(lái)更應該這樣。目前，電動(dòng)汽車(chē)充電對電網(wǎng)的負荷幾乎沒(méi)有影響，但到2050年，如果預計75%的電動(dòng)汽車(chē)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(jiàn)圖2）。

圖2 在BAU場(chǎng)景下，假定成本逐漸下降，到2050年達到BAU價(jià)格只有現在的40%，美國電動(dòng)LDV的年度電力需求，（資料來(lái)源：Energy Innovation）

同樣，這里對技術(shù)改進(jìn)也進(jìn)行了假設。例如，電動(dòng)汽車(chē)需要把能量從電池傳輸到車(chē)輪，目前的效率僅為 59% 到 62%，因此預期有相當的改進(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%到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)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(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。無(wú)論如何，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)總體市場(chǎng)的增長(cháng)和基礎設施的完善，電動(dòng)汽車(chē)充電的額外15%載荷在發(fā)電層面并不是問(wèn)題。然而，在配電層面，隨著(zhù)您愈加接近汽車(chē)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(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/冷卻電器等開(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PHEV 需要 2 到 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EV的峰值水平要高，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(shí)間達到峰值。本地電力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 EV 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，但會(huì )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。路邊和公共快速充電點(diǎn)也是如此，這些充電點(diǎn)負載更直接連在高壓網(wǎng)絡(luò )上。

電動(dòng)汽車(chē)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(shí)間內即可準備就緒，擁有所需要的電力，但他們卻對電源的其他需求一無(wú)所知。智能充電器有機會(huì )與公用事業(yè)公司交互，能夠控制臨近社區內電動(dòng)汽車(chē)的充電，以保持總負載在允許大小內。這不僅有助于防止超載，而且對公用事業(yè)公司來(lái)說(shuō)也具有一個(gè)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鼓勵用戶(hù)在非高峰時(shí)段進(jìn)行智能充電^[6]。

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，強烈建議使用專(zhuān)業(yè)大功率保護設備，如 Bourns Hybrid GMOV。它由節省空間的氣體放電管和金屬氧化物變流器組成，采用單一緊湊型、低泄漏和長(cháng)壽命封裝，可提供一種非?？煽康姆椒▉?lái)保護所有電路免受過(guò)電壓瞬態(tài)浪涌的影響。

可再生資源雙贏(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綠色，這些觀(guān)點(diǎn)認為充電所需的電能最終來(lái)自于高排放的煤炭或燃氣發(fā)電機。隨著(zhù)可再生資源使用量增加，這種狀況正在發(fā)生改變。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)保障電力供應能力，但至今沒(méi)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(diǎn)。雖然業(yè)內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(dòng)汽車(chē)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(yáng)能可以?xún)Υ嬖陔妱?dòng)汽車(chē)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(chē)將閑置一段時(shí)間，公用事業(yè)公司可能會(huì )根據需要利用您的電池組進(jìn)行能量提取和存儲，而不會(huì )影響您的使用，因為智能充電器已經(jīng)過(guò)編程，知道您何時(shí)需要使用汽車(chē)，并在此之前將電動(dòng)汽車(chē)電池充滿(mǎn)電。

參考資料：

[1] 能源創(chuàng )新，舊金山

[2] 美國財政部公開(kāi)文件

[3] 麻省理工學(xué)院新聞研究：空氣污染每年導致美國20萬(wàn)人過(guò)早死亡。

[4] Statista

[5] 汽車(chē)聯(lián)盟高級技術(shù)汽車(chē)銷(xiāo)售匯總（Dashboard）

[6] Pluginamerica州聯(lián)邦激勵