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电动汽车充电站研究现状综述

来源: 编者:田富洋1 刘玉梅1 王震1 王涛3 王冉冉2 发布时间:2013-12-30

摘要:电动汽车高效、节能、低噪声、零排放,是未来汽车能源和环保的发展趋势。电动汽车充电站是电动汽车发展的重要支撑系统和电动汽车商业化过程中的重要环节。电动汽车在全球范围内销量持续增长,有力带动了电动汽车充电站的发展步伐。本文从电动汽车充电站的现状分析入手,研究充电站的重大发展前景。
关键词:电动汽车;充电站;发展进程;制约因素
Abstract:Electric vehicle (EV) possessing the advantages of high efficiency, energy saving, low noise and zero emission, is the future development trend of energy and environmental protection. EV charging station is the important support system and link in the development process of EV. The development of charging station has quickened with the increasing sales volume of EV in the global. By means of analysing the current situation of charging station to research the major development prospects.
Keyword:electric vehicle; charging station; development process;restraint

 

1. 引言
我国经济快速发展,对能源的需求也不断增加,能源供需矛盾越来越严重。据统计,2008年,传统燃油汽车消耗石油的比例是56.3%。与传统燃油汽车相比,电动汽车具有高效率、环境污染少、噪声低的节能环保优势,实现交通能源动力系统转型已是大势所趋
纯电动汽车停车时无机器空转,80%以上的电池能量可转为汽车的动力,即使考虑到用于发电的能源最原始的地方开发算起(电能的来源有核能、生物质能、石化能、风能等),考虑综合发电机效率,输电网络损耗等,原始能源转换为汽车动能的效率也在20%-30%,而传统内燃机汽车最终效率为12% ,故采用电动汽车比传统汽车能耗大大降低。
2009年初,科技部、财政部、发改委、工业和信息化部共同启动了《十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程》。通过提供财政补贴,计划用年左右的时间,每年发展10 个城市,每个城市推出1000 辆新能源汽车开展示范运行,涉及这些大中城市的公交、出租、公务、市政、邮政等领域,力争使全国新能源汽车的运营规模到2012 年占到汽车市场份额的10[1]
随着电动汽车迅猛发展,与之相配套的充电站正成为一种新兴产业。另外国家政策的有力扶持,技术标准的不断发展,我国电动汽车充电站行业发展潜力巨大,未来市场前景广阔。基于此,本文主要对近年来各国政府关于电动汽车充电站的发展进程、充电模式及制约因素等方面的研究进行了重点综述与展望。
 
2. 有关国家和地区电动汽车充电站建设现状
电动汽车充电站是为电动汽车充电的站点,与现在的加油站相似。目前纯电动汽车的续航里程一般都在300公里以下,可插电混合动力车会更大一些。如果进行远距离的长途旅行,就不能满足人们的需求,必须有充电站为电动汽车提供电能。
 
2.1国外充电站的建设现状
    目前,美国、日本、法国、英国等国家都已经开始建设电动汽车充电设施,并不断加快建设进程。[4]
2.1.1美国
2008年,美国总统奥巴马上台后,加大对充电站的建设力度;为鼓励电动汽车消费,联邦政府投入4亿美元进行充电基础设施建设。
2009年,美国多个州相继建起了太阳能充电站。美国第一太阳能公司(SolarCity)在加州101高速公路上建造了5个充电站。加州北部的旧金山、奥克兰和圣何塞等城市政府与Better place公司合作斥资10亿美元建设充电网络,安装充电桩,方便电动汽车驾驶者随时为汽车充电。此外,加利福尼亚州Santa-Monica市政府和爱迪生科技公司在美国能源局的协助下修建了一座极具未来感的太阳能充电站。该充电站还将多余的电力应用到人们的日常生活中。另外,福特公司与能源伙伴开发了汽车电网通信系统,方便电动汽车驾驶者出行。
2.1.2日本
截至2009年,日本有100多座充电站,其中60 %集中在东京地区。
2010年3月,日本宣布成立CHAdeMO协会,目的是推进充电设施相关参数和接口的标准化。三菱商事与高速公路公司等合作,计划到2012年底兴建1000个快速充电站[12]
2.1.3法国
法国巴黎市区有大量纯电动公交车,它是最早将清洁能源引入到公交车系统的城市。纯电动车也正在日益走进巴黎人们的生活之中。巴黎充电站的排列相当密集,并且广泛地分布于城区和郊区。
2009年,为方便市民出行,巴黎市政府拟出一张“充电站分布图”,市民可以轻松地根据该图找到最近的充电站。
 
2.2国内充电站的建设现状
中国作为全球第一大汽车市场,为了减少对石油能源的依赖性,发展电动汽车将成为必然选择。中国工程院院士杨裕生说,大力发展电动车等新能源汽车在中国已形成共识,目前当务之急是要发展多种方便用户的充电服务。
为适应电动汽车产业的迅猛发展,近年来,中国各地纷纷建立电动车充电站。例如江苏、福建、深圳等,为加快电动汽车充电设施建设奠定了基础。
2009年,上海市电力公司投资建成上海曹溪电动汽车充电站。同年,南方电网公司首批电动汽车充电站在深圳建成投运。
   2010年,中国新能源汽车产业政策密集出台,国内电动汽车充电站市场快速起步。国内41个重点城市已建成电动汽车充电站76座,其中,上海、山东、江苏等华东地区城市建设力度较大。
    其中, 11月中旬,深圳已投运了4个电动汽车充电站和180个充电桩。广州大学城充电站也于11月运营,为亚运会用26辆纯电动客车提供换电和整车充电服务。
    2.3 电动车充电站布局
    目前,一般充电站选址时主要靠近城郊或非城市交通主干道的位置,选择临街马路较宽、车流相对较小的地段建站;充电桩广泛布置于居民小区、停车场、大型超市、高校、商业密集区。[13-17]
 
2.4充电站发展规划[9]
   美国新能源权威派克研究公司最新调查显示,截止2017年,美国会建成150多万个电动汽车充电站,而全球的充电站总量将会达到770万。派克研究公司预测,电动汽车供电设备价格的快速下降在一定程度上推动了充电站需求量的增加。调查还显示,在未来6年内,新兴的直流电和无线充电设备将会成为电动汽车充电站市场上重要的一部分。到2017年时,直流电充电站将会达到11.5万个,无线充电站将会达到15万个。 
电动汽车已被国务院列为七大战略性新兴产业,另外根据中国的新能源产业规划,预计2010-2015年我国年均新能源汽车需求量将达到35.2万辆,2015年需求量将达97.7万辆,年均增长率216%。作为新能源汽车的基础设施,到2015年我国充电站建设投资有望达到48亿元。在2020年中国的新能源电动汽车需求量是1000万台。
根据2010年成立的央企电动车产业联盟,电动汽车充电站领域涉及国家电网、南方电网、中石油、中石化、中国普天及中国保利等6家大型企业,其中,国家电网、南方电网在电动汽车充电站建设方面进度较快。根据国家电网电动汽车充电站建设规划来看,到2020年,国家电网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,所以电动汽车充电站建设这个行业的前景非常的广阔。
 
1 2020年国家电网电动汽车充电站建设规模

 
建设数量(座,个)
投资规模(百万元)
充电站
10075
32300
充电桩
506209
12660

 
3. 电动车充电站的研究
电动汽车充电站是保障电动汽车正常使用的能源基础服务设施,它包括配电系统、充电系统、电池调度系统、充电站监控系统四个子模块。主要设备包括充电机、充电桩、有源滤波装置、电能监控系统。目前电动汽车充电站还处在实际应用的初级阶段,相关技术还不成熟。
充电站由多台充电机、充电桩组成,占地面积较大,采取快充、慢充和换电池等多种方式为电动汽车提供电能,并能够对充电机、动力电池、电池更换设备进行状态监控。
 
3.1电动汽车充电模式
    常用的三种电动汽车充电方式: 
(1) 慢充方式。一般通过充电桩对车载充电器进行充电在晚间以较小交流电进行充电,采用的交流电源一般是单相220V/16A,充电时间通常为6~10 h。有利于降低充电成本,但是难以满足使用者紧急或者长距离行驶需求。 
(2) 快充方式。又称为应急充电,主要在充电站进行。是以较大直流电对电动车充电20 min 至1 h,提供短时充电服务,快充方式对电池寿命有影响,因电流较大,对技术、安全性要求也较高。目前,这种充电方式的充电插口的针脚定义、电压、电流值、控制协议等都没有统一标准,都是由各生产厂家自己定义的。
 (3) 快换方式。快换则是在换电站通过直接更换车载电池的方式补充电能,大约需要5~10 min,与燃油汽车加油时间相近。快换方式最为便捷,但是需要电动汽车和车载电池实现标准化,而且快换过程中需要专业人员进行操作。这种方式的优点是电动车电池不需现场充电,更换电池时间较短,但要求电池的外形、容量等参数完全统一,同时,还要求电动汽车的构造设计能满足更换电池的方便性、快捷性。
三种充电方式适用的场所也各有优缺点,充电桩具有占地面积较小,布点灵活的特点。充电站由多台充电机、充电桩组成,占地面积较大,可采取快充、慢充和换电池等多种充电方式为电动汽车提供电能,并能够对充电机、动力电池、电池更换设备进行状态监控。换电站为用户提供更换电池和电池维护服务。专业性强、更换电池时间短、占用场地面积比充电站小。[24]
 
3.2电动汽车充电站配电系统
配电系统为充电站的运行提供电源,它不仅提供充电站所需电能,也是整个充电站正常运行的基础。电动汽车充电站的电力负荷级别为2级,目前采用双路供电但不配置后背电源。配电电压:380V/220v。充电机采用三相四线制,380V供电,照明采用单相220v供电。
当电动汽车充电处于高峰期时,不仅会影响配电网的负荷平衡,而且会给配电网带来其他问题[25]
 
3.3电动汽车充电站监控系统的研究
目前充电站监控系统大多是针对某种充电机的监控,充电站监控管理机和充电机之间、充电机和电池管理系统之间的通讯协议和通讯接口尚无统一的标准可以遵循,各个充电站之间也无信息联系。因此,大量的研究工作仍需要继续进行。
电动汽车充电站监控系统作为充电站站内设备的集中监控设施,应具备以下四大基本功能[19]
(1充电监控功能
对充电桩和充电机的监控。监视和控制充电桩的交流输出接口的状态,如电流、电压、开关状态、保护状态等;采集与充电桩相连接的电动汽车的基本信息。监控充电机状态信息和电池状态信息。
(2)配电监控功能
可实现对整站的总功率、总电流、总电量、功率因数、主变状态、开关状态、无功补偿及谐波治理设备的监视和控制,方便统一管理和共享数据。
(3)电池维护监控功能
当电池长时间使用后,电池包中的电池模块可能存在一致性的问题,需要通过专门的电池维护设备对电池进行维护、评估,来决定是否对电池进行重新配组。
(4快速更换设备监控功能
充电站监控系统可采集快速更换设备当前轨道位置、设备状态等信息,可通过充电站监控系统对电池快速更换设备下发具体电池更换命令,让快速更换设备在指定轨道位置更换电池架上指定位置的电池包。
 
4. 制约电动汽车充电站发展的因素
4.1充电站建设布局
虽然国内外电动汽车充电站的建设正如火如荼,但充电站建设仍处于定点示范建设阶段。并没有建立电动汽车充电站建设规划布局理论,也没有建立于车辆应用、电网规划、城市规划相结合的充电站布局选址理论。
4.2充电站建设标准
目前,电动汽车各项标准不完善,充电站接口等各标准也未能全部统一,由生产厂家自行定义,使得现已建成的充电站接口各不同,互不通用,造成资源的浪费,给广大用户造成不便。
4.3充电站的商业运行模式
目前存在三种电动汽车充电模式,由电网公司牵头建设的充电站主要提供充电服务,部分充电站还提供换电服务。然而这两种充电站都存在问题。充电站主要解决充电接口问题,但电动汽车的充电比较费时,快充有损电池的使用寿命,换电则因为目前电动汽车电池标准为统一,无法建立完善的换电体系。
5.结论
目前,我国电动汽车产业步入快速发展期,需要建设大量的电动汽车充电站为电动车提供能源补给。本文通过对现阶段国内外电动汽车充电站现状的盘点,对充电方式、配电系统及监控系统的分析,提出三点阻碍充电站发展的因素,为将来电动汽车充电体系建设提供思路。


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