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    电动汽车充电基础设施规划中若干关键问题的研究与建议

    发布日期:2016-08-01 来源:亚洲电能质量联盟浏览:817


    核心提示:由于在缓解能源危机与环境污染等问题方面的重要作用,电动汽车得到世界许多国家的大力发展。与其紧密关联的充电基础设施的规划建设是影响电动汽车推广成效及发展规模的重要因素。本文首先分析了充电设施建设过程中世界各国存在的共同问题,以及我国的特殊问题;之后,对电动汽车发展规模预测、充电模式选择与充电设施配置、电网与充电设施的相互作用与影响等几个充电设施规划时需优先解决的关键问题进行了分析研究;最后,结合我国具体情况,针对充电基础设施的建设和规划布局中的核心问题提出若干指导性原则与建议。
    1引言
            随着能源危机与环境污染问题的日益严重,电动汽车以其清洁环保的优点,得到人们的青睐,各国政府相继出台实施了多项政策和激励措施来推动电动汽车产业的发展。我国政府同样重视电动汽车推广和应用,继2009年启动“十城千辆”工程之后,四部委在2013年9发布《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》,又于同年11月及2014年1月,分别确定了第一批及第二批新能源汽车推广应用城市或区域名单,两批共40个城市或城市群入选,标志着我国电动汽车的推广将进入实质性阶段。完善的充电网络是电动汽车产业推广的前提和基石,尤其在电池技术没有得到突破的条件下,如何开展充电基础设施的配套建设显得更为重要。因此,世界各国均把充电设施的规划布局作为推动电动汽车发展的主要内容,为此出台一系列激励措施并投入大量资金支持充电基础设施的建设,但由于目前还都处于探索实践阶段,在这方面仍存在以下共同问题:
            (1)充电网络与服务网络建设滞后。相对于燃油汽车加油站,充电站充电时间较长,且现阶段充电便利性较低。
            (2)电动汽车的充电需求具有多样性,给充电设施的规划增加了难度。
            (3)世界各国充电基础设施技术标准不统一,阻碍了电动汽车的全球化发展。
            (4)充/换电基础设施建设投资效益不明显,导致推广建设的积极性降低,基础设施建设越滞后电动汽车越难以推广,形成了不良循环。
            (5)运营模式不明确。充、换电各有优缺点,两者的发展还未找到平衡点。
            (6)可再生能源利用和微电网发展如何与电动汽车充电需求相结合。分布式新电源、微电网与电动汽车及其充电基础设施的结合具有诸多优势,可使电动汽车逐渐走向零污染排放。在电动汽车基础设施建设规划中,如何积极就地利用和配置新能源充电,科学有序地调度电动汽车充放电,已经成为国内外研究热点。
            除了上述共性问题之外,电动汽车充电基础设施在我国的建设发展中还面临许多特殊的问题:
            (1)配电网建设相对滞后。随着电动汽车的不断发展,大量充电负荷接入配电网,对配电网的灵活性和可靠性提出了更高的要求,而我国配电网更新换代相对滞后,若不采取一定措施,将逐渐束缚电动汽车充电设施网络化的建设。
            (2)发达地区仍存在限电现象,影响满足电动汽车充电需求的信心。在现阶段经济增长迅速期,发达地区夏季因用电高峰期供电紧张而需要拉闸限电或通知限电。这无疑会影响部分城市电动汽车规模化发展。
            (3)充电基础设施报装复杂,投资建设主体不明朗,投资回报低。
            (4)居民拥有独立停车位及充电桩困难,集中型公用充电站征地困难。中国城市居民居住密集,以高层单元公寓楼为主,固定泊车位置数量很有限,而在拥挤的大城市市区建设集中型充电站,征地几乎是不可能的。
            (5)缺少重要车企对核心技术开发及充电设施推广提供支持。上述问题的解决,一方面有赖政府及相关企业积极参与配合,在扶持政策、标准制定等方面采取相应措施,为电动汽车及充电设施的发展提供支持;另一方面,则需要根据电动汽车本身的特点,紧密结合电动汽车电池特性、居民生活用车特点与规律、电网状况等,研究充电基础设施的合理规划布局,使充电网络足够完善高效,可以充分满足相应发展阶段下电动汽车的充电需求。充电设施的规划是一项系统而复杂的问题,需要考虑多方面因素。本文对关系到规划成效多个基础性、关键性的问题进行深入的分析与研究:电动汽车数量与规模预测、充电模式的选择与充电设施的配置、基础设施和电网间的相互作用与影响等;在此基础上,针对充电基础设施的发展和规划布局中的核心问题提出若干指导性意见和建议。
    2电动汽车数量与规模
            充电基础设施为电动汽车提供动力补给,其建设数量应与电动汽车发展规模相匹配,他们之间既相互制约又相互推动。因此,预估相应规划年下的电动汽车保有量是进行充电设施规划布局的基础。
            电动汽车的发展规模受多方面因素的影响,包括动力电池的技术、汽车技术及充电设施的完善程度等技术性因素以及汽车成本、政府政策补贴及消费者接受心理等非技术性因素。
            根据中国公安部交管局发布的数据以及国际能源署分别在2013年及2016年发布的《GlobalEVOutlook》等资料,表1总结了世界主要国家的电动汽车数量与规模发展现状及预测结果
            表1世界主要国家电动汽车数量与规模发展现状及预测
            从电动汽车数量发展现状及预测结果可以看出,现阶段各国电动汽车保有量及渗透率均较小,但在未来几年将呈现快速化增长态势,而电动汽车保有量的快速增长,需要有完善和高效的充电网络的支持,合理规划建设充电设施以适应电动汽车数量规模的快速增长是国际上急需解决的重要问题。
    3充电模式的选择与充电设施的配置由于电动汽车充电需求具有多样性,对应不同的充电需求,需匹配不同的充电模式,配套建设不同类型的充电设施。
    3.1充电模式的对比
            目前电动汽车的充电模式主要分为整车充电和换电两种,整车充电根据充电时间的不同又可分为慢速充电和快速充电两种。整车慢充通过交流充电桩连接车载充电机为电池充电,受限于车载充电机体积、重量及成本,其充电功率较小,完整充电周期约需5~8小时。整车快充通过非车载直流快速充电机实现,置于车外的快充装置直接为电动汽车动力电池提供大电流的直流电,一般可在半小时内将电池荷电状态(stateofge,SOC)充至80%以上。电池更换模式简称换电,通过直接更换车载电池为电动汽车补充电能,所需时间约为5~10分钟。不同类型的充电模式满足不同类型的充电需求,其各有优缺点,总结如下表2所示。
            表2不同充电模式优缺点对比
            从以上对比分析可以看出,换电模式虽然方便快捷,但是电池及车辆标准难以统一;考虑到汽车产品尤其是私家车需求的个性化、多样性对汽车产业的要求和市场可操作性等因素,以换电模式为主将不利于产业和市场的可持续发展。对于整车充电,考虑电池安全及寿命、对电网的友好度和有序充电利用的充裕性,应将慢充作为主要的充电模式,这一主张会随着电池技术的进步和续航能力的提高而更进一步证实。因此,建议按照优先选择慢充模式,将快充模式作为应急支援,在具备条件时亦可考虑换电模式的原则,进行充电模式的选择。
    3.2车辆类型与充电模式的匹配
           不同类型车辆行驶及泊车规律不尽相同,导致其充电需求不同,需要不同的充电模式来匹配。下文从对各类型车辆行驶及泊车规律的分析出发,结合上文形成的充电模式选择原则,确定不同类型车辆应采用的充电模式。
           1)私家车有研究表明,现阶段80%的乘用车日行驶里程在50km以内,而目前电动乘用车续驶里程集中在100~150km左右;私家车一日内停泊时间远大于行驶时间,其夜间主要停泊在住宅区及周边停车场或道路旁,日间则主要停泊在工作区、商业区等功能区的停车场。据此,在上述区域(以住宅区为主)停车期间采用慢充方式充电即可满足大部分电动私家车一日的行驶需求。因此,建议私家车采用分散慢充为主,快充作为应急支援的充电模式进行充电。
           2)公交车公交车运行路线和行驶里程相对固定,大中城市公交车日均行驶里程一般集中在150~200km,而目前纯电动公交大巴动力电池额定电池容量约为150kWh左右,一次充电难以满足其日运营要求。日间运营期间,公交车主要停靠地点为始、末站停车场,停车时间与发车间隔相关,一般为发车间隔的2-3倍,即20分钟左右,高峰期时间更短,仅可通过快充或换电模式进行电能补充;夜晚停运后,停靠时间较长,具备进行慢充的条件。因此,对于纯电动公交车,可以采用运营期间换电或快充和夜间慢充相结合的模式。值得注意的是,由于纯电动公交百公里耗电量较大(约为100kWh左右),对于某些距离较长的线路(如远郊线路),使用纯电动公交意味着其需背负庞大重量的电池,这既不安全也不经济,因此,在发展纯电动公交的同时,也应适当推广混合动力公交以满足长距离线路的运行需求。
           3)出租车出租车日均行驶里程受城市规模、运营时间和服务半径的影响较大,不同城市出租车运行规律不尽相同。出租车行驶时间一般远大于停泊时间,其日均行驶里程相远大于同城市私家车,其适宜的充电模式受动力电池技术水平的影响较大。因此,对于出租车,其模式选择应从城市规模、运营模式的角度,结合动力电池技术水平的不同发展阶段进行具体分析。
           4)公共事业车辆公共事业车辆的行驶及泊车规律较为固定,除执行任务外的其余时间,均停泊于固定停车场所,泊车时间较长,因此,对于公共事业车辆,可采用空闲时间慢充、紧急需求时换电或快充的充电模式。值得注意的是,由于各城市经济水平不同,发展不均衡,区域配电网的特点和对电动汽车的需求不尽相同,因此,在充电模式的选择方面,需因地制宜,现阶段不宜对充电模式进行统一。
    3.3充电设施类型与配置分析
           不同的充电模式通过不同类型的充电设施实现。现阶段充电设施主要包括分散充电设施、集中型充电站、集中型换电站三类。分散充电设施以交流慢速充电桩为主,适当配备一定量的直流快速非车载充电机作为应急;集中型充电站一般同时具备慢充和快充两种充电模式,但以直流快充为主;集中型换电站配备有专门的电池更换设备及一定量的充电机和备用电池,是换电模式的主要实现形式。依据前文所述充电模式选择原则以及各类型车辆充电模式所匹配的充电模式可知,未来充电设施的建设将以分散充电设施为主,对于分散充电设施,由于其依托城市各功能区停车场而建,选址问题相对淡化,重点是合理确定其建设数量和规模。
           在分散充电设施的规划过程中,可对以下两个问题进行分析研究:
           1)分散慢充桩与电动汽车的配比度分散慢充桩是满足电动汽车日常充电需求的主要设施类型,因此,应根据电动汽车的发展数量按一定比例进行配置。电动汽车日常充电需求则由多方面因素决定,其中用户对电动汽车的使用心里及行为习惯是不可忽略的重要因素。由于现阶段纯电动汽车续驶里程普遍不太高,达不到燃油车水平,使得用户在使用纯电动车时,对车辆的剩余续驶里程存在一定的心里担忧,不同的担忧程度将直接导致用户充电行为的不同。因此,可综合考虑用户对剩余电量的心里接受能力以及用户行驶里程,分析不同心里接受能力下用户的充电需求,来配置相应的慢速充电设施。
           可按如下流程进行:
           a.将用户可接受的最低剩余SOC划分为不同等级;
           b.对应每一等级,结合用户实际行驶里程统计数据以及电动汽车续驶能力,分析不同功能区(如住宅区、工作区、商业区等)的充电需求概率;
           c.根据电池技术发展水平及各区域实际情况,选择合适的可接受的最低SOC等级或基于充电初始SOC的概率分布加权,计算各功能区充电需求比例,确定分散慢充桩与电动汽车的配比度。下图1给出其中一种方法的私家车工作区车桩配比度分       析示意图,考虑锂电池充电效率高的起始SOC要求、用户对剩余SOC的心理承受力,以及工作区充电的便利性,推荐选择80%心理接受等级下的桩车配比度0.6。
                                                                                                                                                         图1私家车工作区桩车配比度分析示意图
           结合美国Nationalhouseholdtravelsurvey(NHTS)中单次行驶里程数据,表3给出了在电动汽车续航里程分别为100km和150km的条件下通过剩余SOC接受等级法(例80%SOC)和充电起始SOC概率加权法计算得到的配比度。虽然数据量不完全相同,但是两种方法的两两数据对应相近。
           表3桩车配比度不同分析方法结果
           2)快、慢充充电设施配比度2011年国家正式发布了《电动汽车传导充电充电连接装置》标准,对整车充电交、直流接口进行了标准化规定,现阶段新生产的电动汽车基本均同时配备了标准的交流和直流两个接口,因此,需合理规划交流慢充桩和直流快充机两类充电设施,满足用户不同类型的充电需求。根据快、慢充的不同定位,可将用户采用慢充的方式单次充电可补充的能量能否满足用户下一次行驶需求作为判断是否需要快充的条件,从而确定快、慢充的需求比例,以此为基础合理分配两类充电设施的比例。可表述为下式:
     
     
           因此,对应城市不同功能区,可根据区域内电动汽车运行规律统计数据以及电动汽车具体参数,通过(2)~(3)式计算得到该功能区内分散快、慢速充电设施的配比度。其流程如下图2所示:
    图2快、慢速充电设施配置比例计算流程
           对于集中型的充、换电站的规划,现阶段的研究则主要集中在站址的选择和容量的确定,以及站内充电装置的优化配置上。
    4充电基础设施与电网间的相互作用与影响
           随着未来电动汽车的普及,大规模电动汽车通过充电设施接入电网进行充电,势必对电力系统的正常运行产生影响。充电基础设施作为电动汽车与电网之间的连接点,其规划建设应与电网相互协调、相互配合。
    4.1充电负荷对电网的影响
           电动汽车充电对电网的影响主要集中在充电负荷对配电网影响以及发、输电容量对电动汽车充电需求的承载能力两个方面。由于电动汽车充电行为与用户的行驶、泊车规律关系密切,使充电负荷在时间和空间上均具有较强的随机性,给配电网运行带来了更多的不确定性。充电负荷对配电网的影响,主要体现在静态电压稳定性、线路及变压器负荷率及损耗、电能质量]等方面。大规模电动汽车接入电网无序充电势必引起电网负荷的增长,需分析现有或规划年下的电网能否承载电动汽车充电负荷的增长,充电负荷综合考虑与电动汽车保有量、类型、运行规律和及充电模式紧密相关,因此,在形成充电负荷时需综合考虑以上各因素,进而从最大、最小负荷以及峰谷差变化等角度,对计及充电负荷后的电网总负荷变化进行分析,流程如下图3所示。经过对某省的电网承载能力进行分析,结果显示当电动汽车渗透率达到20%时,无序充电将对使该省电网冬季最大负荷及峰谷差分别增加20%和50%以上,这将严重电力系统的正常运行,需通过优化充电过程或新增发电容量来提高未来电网承载充电负荷的能力。
    图3电网对充电负荷承载能力分析流程
    4.2充电设施与电网的互动针
           对充电负荷对电网的可能潜在影响,在充电基础设施规划建设的同时,采取一定措施,使充电设施与电网之间可以友好互动、协调发展。
           1)充电设施按电网基本要求接入。充电设施作为一种特殊的负荷,也应保证电网安全、可靠、优质、经济的运行。
           a.为保证电缆线路安全工作,在选择其导体截面时应考虑载流量约束。选择的充电机应满足相应设备谐波电流发射值标准的要求。
           b.站内配电线路接入的充电设施容量受电缆安全载流量、电网公共连接点电压偏差、线路损耗等约束,因此,应综合考虑以上因素合理确定单条线路的接入容量。
           c.变压器台数的选择应满足负荷对可靠性的要求,根据充电设施的负荷等级选择一台或两台变压器进行供电。为避免变压器容量冗余,保证经济性,在确定变压器容量时,需考虑电动汽车最大充电同时率。
           根据上式可以看出,在假设所有车辆充电功率相同的条件下,电动汽车充电同时率可以通过计算区域内24h内同时正在充电的电动汽车最大数量与该区域内电动汽车总保有量的比值得到。根据电动汽车的充电起始时间以及平均充电时间,并假设每天的规律相同,则可以得到同时充电的电动汽车最大数量:
           其中,为接入变压器的充电设施总容量,β为变压器负载率。
           2)电网增容及升级改造一方面,电网需新增一定装机容量来适应电动汽车大规模接入所引起的负荷增长,另一方面,应对现有配电网部分变压器、线路进行升级改造,以免充电负荷过大,造成原有电力设备过负荷。
           3)充电设施与新能源利用及微电网发展相结合。充电设施与新能源及微电网相结合有许多优点:一方面可以在提高电网对充电负荷承载能力的同时,降低电动汽车对化石燃料的依赖;另一方面,还可以通过电动汽车协助解决可再生能源的间歇性问题,降低储能系统成本。因此,在充电设施规划建设过程中,应充分考虑就地利用新能源以及微电网对电动汽车进行充电,同时可考虑对充电过程进行有序控制。
    5对充电设施规划布局的若干建议
           基于以上对充电设施规划中的若干关键问题的分析研究,本文针对充电基础设施的发展和规划布局提出以下若干原则和建议。
    5.1规划布局的指导性原则
           1)电动汽车充电基础设施规划与建设应遵循科学有序发展充电设施的规划建设是一项系统工程,应建立在科学分析和优良资源配置的基础上,结合我国国情,综合考虑电动汽车的运行规律、城市用地规划、电网的承载能力和电动汽车及其充电技术的成熟度,采用科学的方法和手段,制定合理、经济、适用的电动汽车充电基础设施规划方案。同时,充电基础设施的规划既要充分考虑导入期的不定因素,又要适应电动汽车技术的发展趋势。在进行充电设施规划时,要分阶段加以修正,充电设施的数量与规模不能过于超前,以免造成资源的闲置和浪费,应充分考虑电动汽车的推广与充电设施建设的相互影响作用。电动汽车充电基础设施的规划和建设要总结示范城市的试点经验,要做到科学有序发展。
           2)充电基础设施的分布应与电动汽车泊车的时空分布尽可能保持一致电动汽车一般须在停泊的时间和地点完成能量补给,充电行为发生的时空分布规律与电动汽车的泊车规律相互关联。城市中不同功能区域的交通规律和泊车特点各不相同,为保证充电的便利性和充电设施的使用率,充电基础设施的分布应与该地区电动汽车泊车的时空分布规律尽可能保持一致。
           3)充电基础设施的布局应兼顾用户便利性、建设经济性和技术合理性要求充电基础设施的选址应满足该地区的任意地点都处在某一充电站或充电桩的服务半径内,以保证用户充电的便利性;充电基础设施及车桩比依据规划合理布局,应兼顾建设的经济性;充电模式的选择应综合考虑用户的便利性和动力电池的安全使用与耐受能力。
           4)充电基础设施的规划应与该区域总体规划和路网规划相互协调城区总体规划是城市发展的总原则,充电基础设施是未来城市整体规划的组成部分。充电基础设施的选址和布局直接关系到充电车流的状态,影响到整个地区交通系统的总体经济运行。充电基础设施的布局应与路网规划相统一,在中小城市和大型城市周边地区开展电动出租车试点,尽量避免以充电为目的车流对城市交通产生影响,保障城市交通的畅通。
           5)充电基础设施的建设应与该地区电网规划发展相协调充电基础设施容量增长应与地区负荷和电网总容量相协调,以保证电网为电动汽车提供充足的电力供应;充电基础设施的布局应与配电网的规划相协调,避免出现电压越限、配电线路或配电设备过载等问题;充电基础设施应满足接入电网的电能质量要求,并适当配置补偿和治理装置,避免对电网电能质量造成不良影响。
           6)逐步实现有序充电和采用绿色可再生能源供电利用分时电价等市场机制,引导部分电动汽车在电力低谷时段慢速充电。充分利用智能配电网及其信息系统,逐步实现充电站分时段有序充电和智能充电。在充电基础设施建设中,应充分考虑就地的风电、光伏等分布式新能源的集成利用条件,最大限度地发挥新能源的作用来替代传统的化石能源,促进电动汽车的能源结构由传统的化石能源向无污染的可再生能源和新能源转变,真正实现全社会零排放、清洁无污染的绿色交通。
           7)充电基础设施的建设应符合环境与安全的相关规定充电设施的规划符合环境保护和防火安全的要求,充电设施不应靠近有爆炸或火灾危险等潜在危险的地方,也要避开地势低洼和可能积水的场所,并充分利用就近的供电,交通、消防、给排水及防洪等公用设施。
    5.2充电模式选择与充电设施配置的相关建议
           根据前文对各车辆运行规律及充电模式的匹配分析,对不同类型车辆充电模式及设施的选择建议如下表4所示:
           表4各类型车辆充电模式及充电设施配置建议
           其中,私家车分散充电设施在各功能区配置比例应有所区别,本文结合美国NHTS中相关数据,以及文献中充电初始SOC的统计结果,根据前述充电设施配比度计算方法对分散慢充桩与电动汽车的配比度(如表3所示)以及快慢速分散充电设施配比度进行分析,给出表5所示的推荐值。
           表5私家车分散充电设施配置建议
           随着动力电池技术的发展,电动汽车续航里程增加,各类型车辆的充电模式将逐步过渡到慢充模式,分散充电设施中慢充桩与电动汽车的配比度、快充设施与慢充设施的配比度均将逐渐减小。
    6结论
           充电基础设施是电动汽车推广应用的重要环节,其规划布局是关乎到未来电动汽车产业发展和城市建设的重要而复杂的问题。随着国家新一轮电动汽车推广工作的开展,充电基础设施的建设将迎来新的高潮。从目前动力电池技术发展水平、整车及电池标准化发展程度以及电网影响等角度考虑,电动私家车应以分散式慢充为主,适当配备分散快充设施作为补充,并合理确定两类设施的配比度,以满足用户不同类型的充电需求,同时保证投资建设的经济性。对于其他类型的车辆,应优先选择慢充模式,在慢充不满足运行要求的条件下,根据车辆的行驶及泊车的时空特点,在合适的地点建设集中型快充站或者换电站。在充电基础设施的规划建设过程中,应紧密结合电网特点,充分研究充电设施与电网的相互影响及作用,采取相应措施,使两者可以友好互动、协调发展。
           现阶段仍处于电动汽车发展初期,随着电动汽车的普及,其运行规律和充电行为的基础数据将更加准确丰富,充电设施的投资运营模式也将趋于清晰,因此,在电动汽车行为规律、充电设施与电网的互动等方面,仍存在较大的研究空间,通过深入研究,可以更加合理的对充电设施进行规划布局,为电动汽车的推广普及提供强有力的支持。

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