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電動汽車充電是個復(fù)雜的問題
電動汽車充電方面的內(nèi)容較多，普通的潛在購車者，可能將之與手機(jī)充電與電動自行車充電兩者聯(lián)系起來。前者是3.6V鋰電池，后者是36V鉛酸或鋰電池組，與電動汽車內(nèi)的電池組容量相比，差異較大。所以電動汽車所面臨的問題更多，其系統(tǒng)也比較復(fù)雜。
由于在公司主要是對充電方面的事務(wù)負(fù)責(zé)，所以從個人的角度來看，中國發(fā)展電動汽車，充電問題是根本性的問題，而充電的問題，則是非常難解決的。充電系統(tǒng)，是將電網(wǎng)中交流電能，通過整流和調(diào)壓變化之后，根據(jù)電池系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)和需求，有序的將電能存儲到電池系統(tǒng)里面。
從充電的性質(zhì)分類，如圖1所示可以分為：
圖1 充電分類圖
1. 交流充電：是可充電新能源汽車最為主要和普遍的方式，幾乎所有的電動汽車都會保留這種充電模式。交流充電主要包括，外部充電樁&線束、車端充電插座、車載充電機(jī)、充電繼電器和充電控制軟件。
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圖2 充電模式
- 供電設(shè)施：將交流電從電網(wǎng)安全傳遞到電動汽車上，根據(jù)IEC的定義，課分為三種模式，模式1不帶充電控制、模式2帶充電控制和模式3的充電樁。
- 充電接口：交流充電插頭是在62196-2中定義的，主流的目前為兩種一類和二類，國內(nèi)是自主的標(biāo)準(zhǔn)GB/T30234與之對應(yīng)。
- 車載充電機(jī)：車載充電機(jī)將交流轉(zhuǎn)換成直流電，功率范圍主要從3.3KW~7.6KW。其基本結(jié)構(gòu)為整流橋、PFC、DC-DC變壓模塊，根據(jù)電池系統(tǒng)的電壓等級，車載充電機(jī)的輸出電壓往往較為寬泛。
- 充電繼電器：由于充電回路和放電回路一般都是分開的，車載充電機(jī)與電池組相連還一般通過電池組內(nèi)正負(fù)極繼電器。
- 充電控制軟件：充電控制一般是在電池管理系統(tǒng)內(nèi)完成的，不過由于充電系統(tǒng)這個時候往往需要處理整個車內(nèi)的電氣系統(tǒng)，均衡高壓電池和12V電池，往往也和整車控制系統(tǒng)有著直接的關(guān)系。
直流充電和無線充電哪個更好？
2. 直流充電：通過外部的充電機(jī)，將直流電流直接通過充電接口灌入電池組之內(nèi)。
直流充電的路徑，可以分為兩種：
- 如圖3所示的i MiEV中簡單直接的將直流充電接口同電池系統(tǒng)內(nèi)配電盒直接對接起來；
- 還有一種方式是通過逆變器的通路，復(fù)用原有的大電流放電的路徑來作為直流充電使用。
直流充電的控制較為復(fù)雜，目前在積極制定基于Combo的交直流一體插座所使用PLC通信方式；國內(nèi)是基于CAN系統(tǒng)的通信方式。
3. 無線充電：讓人感到驚訝的是，在20年以前，通用汽車的EV1采用的是感應(yīng)式無線充電的方式。無線充電的方式，從原理上來說有無線感應(yīng)、電磁共振等方法。
- 從長期來看，讓用戶對車輛插拔操作，將用久了臟兮兮電纜收好，肯定是不現(xiàn)實(shí)的，所以無線充電未來大有可為。
- 目前的無線充電系統(tǒng)，是面臨現(xiàn)實(shí)的問題的，比如部件體積、充電效率、位置對準(zhǔn)、充電安全和量產(chǎn)可靠性等?？傮w來看在電動汽車上應(yīng)用，無線充電目前是處在前期的階段，行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)都在制定中，這里暫時不詳細(xì)敘述。
? 圖3? 交直流充電系統(tǒng)
電動車充電的標(biāo)準(zhǔn)就這些
由于電動汽車充電系統(tǒng)，存在充電設(shè)施和電動汽車匹配的問題，國內(nèi)外有著大量的標(biāo)準(zhǔn)來定義：
（1）插頭：IEC62196系列的三個標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋傳到充電的交直流接口，國內(nèi)對應(yīng)的GB20234的標(biāo)準(zhǔn)。
（2）通信：IEC61851-24和ISO、IEC15118，前者主要針對直流充電通信，后者是對整個汽車和電網(wǎng)通信做了系統(tǒng)的定義。
（3）充電拓?fù)洌篒EC61851為核心的控制拓?fù)洹?br />
（4）充電安全：這方面的標(biāo)準(zhǔn)，是將充電系統(tǒng)納入原有的電氣安裝標(biāo)準(zhǔn)中。
圖4 電動汽車充電標(biāo)準(zhǔn)概覽
對用戶而言，以上的很大一部分都沒有意義。怎么樣在各種環(huán)境下給車充電才是重點(diǎn)。根據(jù)充電環(huán)境的不同，按照國外的經(jīng)驗(yàn)：充電按照充電所在的地點(diǎn)本分類，如圖4所示可以分為
圖5 充電地點(diǎn)分類
電動車雖好，充電設(shè)施誰來建？
（1）公共區(qū)域充電：公共區(qū)域充電，主要包括商業(yè)設(shè)施如購物、休閑場所所在地的充電；地方電網(wǎng)興建的充電設(shè)施，其主要目的是方便。
- 此類充電，一般是在原有的停車場和停車位的基礎(chǔ)上架設(shè)的。由于充電速度的原因，其目的是為了用戶充電作為一項(xiàng)補(bǔ)充措施。在國外，目前作為一項(xiàng)推廣措施，也在慢慢展開。
- 當(dāng)然，在國內(nèi)的情況非常特殊。目前絕大多數(shù)的充電站，都是公共興建的，在地圖上所看到的充電樁，都是公共充電樁，由國家電網(wǎng)（2013年前建立約10000個）和南方電網(wǎng)興建。
- 發(fā)展公共交流充電設(shè)施，主要面臨著停車、充電標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)費(fèi)和接入要求等等。當(dāng)然好的方面來看，只要電網(wǎng)和土地方面聯(lián)動，比如電動汽車充電塔如圖6所示之類的設(shè)計(jì)，在中國也可能興建世界一流的公共充電設(shè)施出來的。
快速直流充電雖然從電網(wǎng)來看，可能有較大的電網(wǎng)負(fù)荷沖擊等考慮因素，作為對電動汽車使用促進(jìn)，終究是一項(xiàng)有效的措施。目前國家電網(wǎng)計(jì)劃在高速公路附件規(guī)劃直流充電站的網(wǎng)絡(luò)就是一個可行的嘗試。
只要中國兩個電網(wǎng)公司，將換電和充電一視同仁，將一部分投資和精力放在交流充電方面，相信未來公共充電的問題是可以解決的。
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?圖6 國家電網(wǎng)的充電塔設(shè)計(jì)
（2）辦公區(qū)域充電：此類主要是上班的區(qū)域布置充電設(shè)施，如果上班過程中可以把電充滿，這樣即使是電動里程較短的插電式混合動力（PHEV）也可以保證上下班過程中是完全用電在驅(qū)動，使用成本小了很多。由于興建的費(fèi)用以及電費(fèi)等原因，想要企業(yè)在其員工停車場上興建充電樁等充電設(shè)施，有較大的阻力。
（3）用戶家中充電：在家中充電也是首先需要保證的，經(jīng)過諸多的研究，用戶最主要的充電也就是發(fā)生在自己家里面。第一是因?yàn)橛密囆枰?，第二是充電設(shè)施許可。在中國的情況是比較特殊，這塊確實(shí)最為困難的方式，后文將詳細(xì)分析在中國公寓環(huán)境內(nèi)遇到的一些問題。
辦理充電證比一胎準(zhǔn)生證還難？
在中國，假定有一輛有著安全和可靠的充電系統(tǒng)的電動汽車，怎么樣給它充電。這個問題，難死國內(nèi)外車廠與充電相關(guān)的所有人。限于篇幅，這里僅針對國內(nèi)城市的私人住宅里面的充電問題。當(dāng)前中國的管理部門，是做出了一些嘗試的，小范圍內(nèi)做出的試行規(guī)定是對車主的資質(zhì)進(jìn)行定義，對于想要給電動汽車充電需要具備以下的條件才可以試著去申請，當(dāng)然這個充電樁一般是和車牌進(jìn)行關(guān)聯(lián)的。
圖7 充電設(shè)施的政策要求
1. 房產(chǎn)的產(chǎn)權(quán)證明：也就是說，只有在小區(qū)內(nèi)擁有房產(chǎn)。
2. 固定的停車位：這代表著必須要有一個固定車位。
3. 新能源汽車擁有證明：這個是非常有趣的事情，插電式新能源汽車購買之前需要確保充電，但是在安裝充電樁的時候需要有擁有證明，先有雞還是先有蛋呢？
4. 物業(yè)證明同意施工：這個施工證明，其實(shí)很難開，需要分地下車庫和地上車位的施工布線圖。
5. 業(yè)委會同意施工：這個事情和物業(yè)證明一樣的麻煩。
6. 消防許可：當(dāng)前的充電設(shè)施和消防這邊的事情還沒完全對接上，由于地下車庫是屬于人防設(shè)施，這條也是省不了的。
滿足了以上的要求，還需要和地方的供電局來進(jìn)行安裝的事宜。所以，現(xiàn)在的私人充電是很難的，不光是限制條件很嚴(yán)格，辦成這個事情的時間成本也很高的。
算算電動汽車充電成本
我們再來看看給電動汽車充電設(shè)施的成本，為了給用戶的車位安上，我們需要：
- 充電樁：目前的充電樁，主要是國內(nèi)的企業(yè)在做，里面包括電表、保護(hù)電路和控制電路。一般可分為掛壁式和落地式兩種。
- 連接線束：在地下車庫里面，電氣導(dǎo)線從配電出來以后，需要通過線管保護(hù)后在天花板上過；如果是地上車位的，是從居民樓的配電盒之內(nèi)接出，通過線管保護(hù)，還需要一定的土建施工才可以。
- 充電線束：連接充電樁和充電汽車，用戶需要隨車攜帶。
- 營建費(fèi)用：完成上述的工作。
在付出了以上的成本以后，單個客戶是可以滿足充電需求的。事實(shí)上，想要滿足多數(shù)人擁有充電新能源車的夢想，還是很困難的，主要的原因是，我國的配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)是較為保守的。假定在如圖7所示的小區(qū)地下停車庫內(nèi)為所有的電動汽車設(shè)計(jì)配電電路，這也是一個較為困難的事情，特別是地下車庫也具有人防工事的屬性。以參考文獻(xiàn)【1】中提供的細(xì)致數(shù)據(jù)，地下車庫內(nèi)電力負(fù)荷主要有風(fēng)機(jī)、水泵及消防聯(lián)動設(shè)備等，照明負(fù)荷主要有正常照明和應(yīng)急照明負(fù)荷等，所有用電設(shè)備均為220/380V低壓用電負(fù)荷。其中消防水泵、火災(zāi)自動報警、自動滅火、排煙設(shè)備、火災(zāi)應(yīng)急照明及疏散指示標(biāo)志等消防用電屬一級負(fù)荷,地下車庫平時的用電負(fù)荷為1100KW。
1. 由于消防的要求，本身的停車位都是按照防火區(qū)的要求進(jìn)行間隔的，當(dāng)某個位置需要將連接線束連接的時候，需要根據(jù)法規(guī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2. 由于本身配電系統(tǒng)不考慮用戶在地下車庫停電，充電的負(fù)荷只能從備用的負(fù)荷中取點(diǎn)，在各個配電柜里面連接是有限的。
3. 由于非預(yù)裝的系統(tǒng)，就面臨先后次序干涉的問題，當(dāng)電動汽車在小區(qū)內(nèi)普及之時，公共區(qū)域的設(shè)計(jì)系統(tǒng)升級是個很復(fù)雜的問題。
圖8 小區(qū)地下停車示意圖
電動車自由充電之路其實(shí)還很遠(yuǎn)
由上敘述，由于中國當(dāng)前的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從電氣標(biāo)準(zhǔn)上就沒有考慮電動汽車，而且配電系統(tǒng)的更新成本耗費(fèi)巨大，所以采用固定負(fù)荷疊加的辦法是行不通的。這點(diǎn)電網(wǎng)是做過一定的研究的，如參考文獻(xiàn)【2】中所示的那樣，文獻(xiàn)中使用的是蒙特卡羅的方法，可能與事實(shí)存在較大的差異。
- 在沒有受到任何激勵的條件下，電動汽車停泊時接入電網(wǎng)即開始充電。用戶接入電網(wǎng)的時間主要集中在 8:30 和 19:30 左右，所以這兩個時刻的充電負(fù)荷急劇增加，負(fù)荷曲線出現(xiàn)了尖峰。從理論上來看，小區(qū)停車場、小區(qū)配電、社區(qū)配電以及更往上的系統(tǒng)，受到的負(fù)荷是肯定的。鑒于當(dāng)前小區(qū)的建筑遵循的設(shè)計(jì)要求也不同，這種影響是不確定的。
- 引入峰谷電價，用戶均在谷期凌晨 0 點(diǎn)開始充電。在凌晨 0 點(diǎn)時，電網(wǎng)負(fù)荷急劇增長，說明電動汽車的集中充電行為給電網(wǎng)造成了較大的沖擊，尤其是在谷期時段開始的時候。電力價格機(jī)制，對于目前略帶昂貴的電動汽車影響是不大的，以后相對于汽車的費(fèi)用，電費(fèi)也是個小頭。但是我相信這個機(jī)制發(fā)揮得好，也是有價值的。
- 電網(wǎng)公司能直接控制所有電動汽車的充電行為，則其將根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷狀況來優(yōu)化充電時間，此時能得到比較理想的電網(wǎng)負(fù)荷曲線。在IEC61851.1一開始，電動汽車充電遵循的PWM控制導(dǎo)引電路，就是為了有效控制電力負(fù)荷。中國的電力行業(yè)，如果能夠積極參與智能充電的研究和投入，積極導(dǎo)引ISO15118整個車網(wǎng)未來通信的主導(dǎo)，電動汽車充電負(fù)荷對于電網(wǎng)而言，應(yīng)該不是那么大的問題。
發(fā)展電動汽車，對于充電基礎(chǔ)設(shè)施是一個機(jī)遇更是一個挑戰(zhàn)，目前電網(wǎng)也對這塊領(lǐng)域向民營資本開發(fā)，趨勢是較好的，引入更多的資本和資源，希望能帶來更好的結(jié)果。
參考文獻(xiàn)
【1】地下車庫電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn) 劉寶川
【2】電動汽車充電行為對電網(wǎng)負(fù)荷曲線的影響 荊朝霞
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