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電動汽車充電基礎設施規劃中若干關鍵問題的研究與建議發布日期：2016-08-01 來源：亞洲電能質量聯盟瀏覽：2284
核心提示：由于在緩解能源危機與環境污染等問題方面的重要作用，電動汽車得到世界許多國家的大力發展。與其緊密關聯的充電基礎設施的規劃建設是影響電動汽車推廣成效及發展規模的重要因素。本文首先分析了充電設施建設過程中世界各國存在的共同問題，以及我國的特殊問題;之后，對電動汽車發展規模預測、充電模式選擇與充電設施配置、電網與充電設施的相互作用與影響等幾個充電設施規劃時需優先解決的關鍵問題進行了分析研究;最后，結合我國具體情況，針對充電基礎設施的建設和規劃布局中的核心問題提出若干指導性原則與建議。
 1引言
隨著能源危機與環境污染問題的日益嚴重，電動汽車以其清潔環保的優點，得到人們的青睞，各國政府相繼出臺實施了多項政策和激勵措施來推動電動汽車產業的發展。我國政府同樣重視電動汽車推廣和應用，繼2009年啟動“十城千輛”工程之后，四部委在2013年9發布《關于繼續開展新能源汽車推廣應用工作的通知》，又于同年11月及2014年1月，分別確定了第一批及第二批新能源汽車推廣應用城市或區域名單，兩批共40個城市或城市群入選，標志著我國電動汽車的推廣將進入實質性階段。完善的充電網絡是電動汽車產業推廣的前提和基石，尤其在電池技術沒有得到突破的條件下，如何開展充電基礎設施的配套建設顯得更為重要。因此，世界各國均把充電設施的規劃布局作為推動電動汽車發展的主要內容，為此出臺一系列激勵措施并投入大量資金支持充電基礎設施的建設，但由于目前還都處于探索實踐階段，在這方面仍存在以下共同問題：
(1)充電網絡與服務網絡建設滯后。相對于燃油汽車加油站，充電站充電時間較長，且現階段充電便利性較低。
(2)電動汽車的充電需求具有多樣性，給充電設施的規劃增加了難度。
(3)世界各國充電基礎設施技術標準不統一，阻礙了電動汽車的全球化發展。
(4)充/換電基礎設施建設投資效益不明顯，導致推廣建設的積極性降低，基礎設施建設越滯后電動汽車越難以推廣，形成了不良循環。
(5)運營模式不明確。充、換電各有優缺點，兩者的發展還未找到平衡點。
(6)可再生能源利用和微電網發展如何與電動汽車充電需求相結合。分布式新電源、微電網與電動汽車及其充電基礎設施的結合具有諸多優勢，可使電動汽車逐漸走向零污染排放。在電動汽車基礎設施建設規劃中，如何積極就地利用和配置新能源充電，科學有序地調度電動汽車充放電，已經成為國內外研究熱點。
除了上述共性問題之外，電動汽車充電基礎設施在我國的建設發展中還面臨許多特殊的問題：
(1)配電網建設相對滯后。隨著電動汽車的不斷發展，大量充電負荷接入配電網，對配電網的靈活性和可靠性提出了更高的要求，而我國配電網更新換代相對滯后，若不采取一定措施，將逐漸束縛電動汽車充電設施網絡化的建設。
(2)發達地區仍存在限電現象，影響滿足電動汽車充電需求的信心。在現階段經濟增長迅速期，發達地區夏季因用電高峰期供電緊張而需要拉閘限電或通知限電。這無疑會影響部分城市電動汽車規?；l展。
(3)充電基礎設施報裝復雜，投資建設主體不明朗，投資回報低。
(4)居民擁有獨立停車位及充電樁困難，集中型公用充電站征地困難。中國城市居民居住密集，以高層單元公寓樓為主，固定泊車位置數量很有限，而在擁擠的大城市市區建設集中型充電站，征地幾乎是不可能的。
(5)缺少重要車企對核心技術開發及充電設施推廣提供支持。上述問題的解決，一方面有賴政府及相關企業積極參與配合，在扶持政策、標準制定等方面采取相應措施，為電動汽車及充電設施的發展提供支持;另一方面，則需要根據電動汽車本身的特點，緊密結合電動汽車電池特性、居民生活用車特點與規律、電網狀況等，研究充電基礎設施的合理規劃布局，使充電網絡足夠完善高效，可以充分滿足相應發展階段下電動汽車的充電需求。充電設施的規劃是一項系統而復雜的問題，需要考慮多方面因素。本文對關系到規劃成效多個基礎性、關鍵性的問題進行深入的分析與研究：電動汽車數量與規模預測、充電模式的選擇與充電設施的配置、基礎設施和電網間的相互作用與影響等;在此基礎上，針對充電基礎設施的發展和規劃布局中的核心問題提出若干指導性意見和建議。
2電動汽車數量與規模
充電基礎設施為電動汽車提供動力補給，其建設數量應與電動汽車發展規模相匹配，他們之間既相互制約又相互推動。因此，預估相應規劃年下的電動汽車保有量是進行充電設施規劃布局的基礎。
電動汽車的發展規模受多方面因素的影響，包括動力電池的技術、汽車技術及充電設施的完善程度等技術性因素以及汽車成本、政府政策補貼及消費者接受心理等非技術性因素。
根據中國公安部交管局發布的數據以及國際能源署分別在2013年及2016年發布的《GlobalEVOutlook》等資料，表1總結了世界主要國家的電動汽車數量與規模發展現狀及預測結果
表1世界主要國家電動汽車數量與規模發展現狀及預測
 從電動汽車數量發展現狀及預測結果可以看出，現階段各國電動汽車保有量及滲透率均較小，但在未來幾年將呈現快速化增長態勢，而電動汽車保有量的快速增長，需要有完善和高效的充電網絡的支持，合理規劃建設充電設施以適應電動汽車數量規模的快速增長是國際上急需解決的重要問題。
3充電模式的選擇與充電設施的配置由于電動汽車充電需求具有多樣性，對應不同的充電需求，需匹配不同的充電模式，配套建設不同類型的充電設施。
3.1充電模式的對比
目前電動汽車的充電模式主要分為整車充電和換電兩種，整車充電根據充電時間的不同又可分為慢速充電和快速充電兩種。整車慢充通過交流充電樁連接車載充電機為電池充電，受限于車載充電機體積、重量及成本，其充電功率較小，完整充電周期約需5~8小時。整車快充通過非車載直流快速充電機實現，置于車外的快充裝置直接為電動汽車動力電池提供大電流的直流電，一般可在半小時內將電池荷電狀態(stateofge,SOC)充至80%以上。電池更換模式簡稱換電，通過直接更換車載電池為電動汽車補充電能，所需時間約為5~10分鐘。不同類型的充電模式滿足不同類型的充電需求，其各有優缺點，總結如下表2所示。
表2不同充電模式優缺點對比
 從以上對比分析可以看出，換電模式雖然方便快捷，但是電池及車輛標準難以統一;考慮到汽車產品尤其是私家車需求的個性化、多樣性對汽車產業的要求和市場可操作性等因素，以換電模式為主將不利于產業和市場的可持續發展。對于整車充電，考慮電池安全及壽命、對電網的友好度和有序充電利用的充裕性，應將慢充作為主要的充電模式，這一主張會隨著電池技術的進步和續航能力的提高而更進一步證實。因此，建議按照優先選擇慢充模式，將快充模式作為應急支援，在具備條件時亦可考慮換電模式的原則，進行充電模式的選擇。
3.2車輛類型與充電模式的匹配
不同類型車輛行駛及泊車規律不盡相同，導致其充電需求不同，需要不同的充電模式來匹配。下文從對各類型車輛行駛及泊車規律的分析出發，結合上文形成的充電模式選擇原則，確定不同類型車輛應采用的充電模式。
1)私家車有研究表明，現階段80%的乘用車日行駛里程在50km以內，而目前電動乘用車續駛里程集中在100～150km左右;私家車一日內停泊時間遠大于行駛時間，其夜間主要停泊在住宅區及周邊停車場或道路旁，日間則主要停泊在工作區、商業區等功能區的停車場。據此，在上述區域(以住宅區為主)停車期間采用慢充方式充電即可滿足大部分電動私家車一日的行駛需求。因此，建議私家車采用分散慢充為主，快充作為應急支援的充電模式進行充電。
2)公交車公交車運行路線和行駛里程相對固定，大中城市公交車日均行駛里程一般集中在150~200km，而目前純電動公交大巴動力電池額定電池容量約為150kWh左右，一次充電難以滿足其日運營要求。日間運營期間，公交車主要?？康攸c為始、末站停車場，停車時間與發車間隔相關，一般為發車間隔的2-3倍，即20分鐘左右，高峰期時間更短，僅可通過快充或換電模式進行電能補充;夜晚停運后，?？繒r間較長，具備進行慢充的條件。因此，對于純電動公交車，可以采用運營期間換電或快充和夜間慢充相結合的模式。值得注意的是，由于純電動公交百公里耗電量較大(約為100kWh左右)，對于某些距離較長的線路(如遠郊線路)，使用純電動公交意味著其需背負龐大重量的電池，這既不安全也不經濟，因此，在發展純電動公交的同時，也應適當推廣混合動力公交以滿足長距離線路的運行需求。
3)出租車出租車日均行駛里程受城市規模、運營時間和服務半徑的影響較大，不同城市出租車運行規律不盡相同。出租車行駛時間一般遠大于停泊時間，其日均行駛里程相遠大于同城市私家車，其適宜的充電模式受動力電池技術水平的影響較大。因此，對于出租車，其模式選擇應從城市規模、運營模式的角度，結合動力電池技術水平的不同發展階段進行具體分析。
4)公共事業車輛公共事業車輛的行駛及泊車規律較為固定，除執行任務外的其余時間，均停泊于固定停車場所，泊車時間較長，因此，對于公共事業車輛，可采用空閑時間慢充、緊急需求時換電或快充的充電模式。值得注意的是，由于各城市經濟水平不同，發展不均衡，區域配電網的特點和對電動汽車的需求不盡相同，因此，在充電模式的選擇方面，需因地制宜，現階段不宜對充電模式進行統一。 3.3充電設施類型與配置分析
不同的充電模式通過不同類型的充電設施實現?，F階段充電設施主要包括分散充電設施、集中型充電站、集中型換電站三類。分散充電設施以交流慢速充電樁為主，適當配備一定量的直流快速非車載充電機作為應急;集中型充電站一般同時具備慢充和快充兩種充電模式，但以直流快充為主;集中型換電站配備有專門的電池更換設備及一定量的充電機和備用電池，是換電模式的主要實現形式。依據前文所述充電模式選擇原則以及各類型車輛充電模式所匹配的充電模式可知，未來充電設施的建設將以分散充電設施為主，對于分散充電設施，由于其依托城市各功能區停車場而建，選址問題相對淡化，重點是合理確定其建設數量和規模。
在分散充電設施的規劃過程中，可對以下兩個問題進行分析研究：
1)分散慢充樁與電動汽車的配比度分散慢充樁是滿足電動汽車日常充電需求的主要設施類型，因此，應根據電動汽車的發展數量按一定比例進行配置。電動汽車日常充電需求則由多方面因素決定，其中用戶對電動汽車的使用心里及行為習慣是不可忽略的重要因素。由于現階段純電動汽車續駛里程普遍不太高，達不到燃油車水平，使得用戶在使用純電動車時，對車輛的剩余續駛里程存在一定的心里擔憂，不同的擔憂程度將直接導致用戶充電行為的不同。因此，可綜合考慮用戶對剩余電量的心里接受能力以及用戶行駛里程，分析不同心里接受能力下用戶的充電需求，來配置相應的慢速充電設施。
可按如下流程進行：
a.將用戶可接受的最低剩余SOC劃分為不同等級;
b.對應每一等級，結合用戶實際行駛里程統計數據以及電動汽車續駛能力，分析不同功能區(如住宅區、工作區、商業區等)的充電需求概率;
c.根據電池技術發展水平及各區域實際情況，選擇合適的可接受的最低SOC等級或基于充電初始SOC的概率分布加權，計算各功能區充電需求比例，確定分散慢充樁與電動汽車的配比度。下圖1給出其中一種方法的私家車工作區車樁配比度分 析示意圖，考慮鋰電池充電效率高的起始SOC要求、用戶對剩余SOC的心理承受力，以及工作區充電的便利性，推薦選擇80%心理接受等級下的樁車配比度0.6。
 圖1私家車工作區樁車配比度分析示意圖
結合美國Nationalhouseholdtravelsurvey(NHTS)中單次行駛里程數據，表3給出了在電動汽車續航里程分別為100km和150km的條件下通過剩余SOC接受等級法(例80%SOC)和充電起始SOC概率加權法計算得到的配比度。雖然數據量不完全相同，但是兩種方法的兩兩數據對應相近。
表3樁車配比度不同分析方法結果
 2)快、慢充充電設施配比度2011年國家正式發布了《電動汽車傳導充電充電連接裝置》標準，對整車充電交、直流接口進行了標準化規定，現階段新生產的電動汽車基本均同時配備了標準的交流和直流兩個接口，因此，需合理規劃交流慢充樁和直流快充機兩類充電設施，滿足用戶不同類型的充電需求。根據快、慢充的不同定位，可將用戶采用慢充的方式單次充電可補充的能量能否滿足用戶下一次行駛需求作為判斷是否需要快充的條件，從而確定快、慢充的需求比例，以此為基礎合理分配兩類充電設施的比例?？杀硎鰹橄率剑?/div>
  因此，對應城市不同功能區，可根據區域內電動汽車運行規律統計數據以及電動汽車具體參數，通過(2)~(3)式計算得到該功能區內分散快、慢速充電設施的配比度。其流程如下圖2所示：
 圖2快、慢速充電設施配置比例計算流程
對于集中型的充、換電站的規劃，現階段的研究則主要集中在站址的選擇和容量的確定，以及站內充電裝置的優化配置上。
4充電基礎設施與電網間的相互作用與影響
隨著未來電動汽車的普及，大規模電動汽車通過充電設施接入電網進行充電，勢必對電力系統的正常運行產生影響。充電基礎設施作為電動汽車與電網之間的連接點，其規劃建設應與電網相互協調、相互配合。
4.1充電負荷對電網的影響
電動汽車充電對電網的影響主要集中在充電負荷對配電網影響以及發、輸電容量對電動汽車充電需求的承載能力兩個方面。由于電動汽車充電行為與用戶的行駛、泊車規律關系密切，使充電負荷在時間和空間上均具有較強的隨機性，給配電網運行帶來了更多的不確定性。充電負荷對配電網的影響，主要體現在靜態電壓穩定性、線路及變壓器負荷率及損耗、電能質量]等方面。大規模電動汽車接入電網無序充電勢必引起電網負荷的增長，需分析現有或規劃年下的電網能否承載電動汽車充電負荷的增長，充電負荷綜合考慮與電動汽車保有量、類型、運行規律和及充電模式緊密相關，因此，在形成充電負荷時需綜合考慮以上各因素，進而從最大、最小負荷以及峰谷差變化等角度，對計及充電負荷后的電網總負荷變化進行分析，流程如下圖3所示。經過對某省的電網承載能力進行分析，結果顯示當電動汽車滲透率達到20%時，無序充電將對使該省電網冬季最大負荷及峰谷差分別增加20%和50%以上，這將嚴重電力系統的正常運行，需通過優化充電過程或新增發電容量來提高未來電網承載充電負荷的能力。
 圖3電網對充電負荷承載能力分析流程
4.2充電設施與電網的互動針
對充電負荷對電網的可能潛在影響，在充電基礎設施規劃建設的同時，采取一定措施，使充電設施與電網之間可以友好互動、協調發展。
1)充電設施按電網基本要求接入。充電設施作為一種特殊的負荷，也應保證電網安全、可靠、優質、經濟的運行。
a.為保證電纜線路安全工作，在選擇其導體截面時應考慮載流量約束。選擇的充電機應滿足相應設備諧波電流發射值標準的要求。
b.站內配電線路接入的充電設施容量受電纜安全載流量、電網公共連接點電壓偏差、線路損耗等約束，因此，應綜合考慮以上因素合理確定單條線路的接入容量。
c.變壓器臺數的選擇應滿足負荷對可靠性的要求，根據充電設施的負荷等級選擇一臺或兩臺變壓器進行供電。為避免變壓器容量冗余，保證經濟性，在確定變壓器容量時，需考慮電動汽車最大充電同時率。
 根據上式可以看出，在假設所有車輛充電功率相同的條件下，電動汽車充電同時率可以通過計算區域內24h內同時正在充電的電動汽車最大數量與該區域內電動汽車總保有量的比值得到。根據電動汽車的充電起始時間以及平均充電時間，并假設每天的規律相同，則可以得到同時充電的電動汽車最大數量：
 其中，為接入變壓器的充電設施總容量，β為變壓器負載率。
2)電網增容及升級改造一方面，電網需新增一定裝機容量來適應電動汽車大規模接入所引起的負荷增長，另一方面，應對現有配電網部分變壓器、線路進行升級改造，以免充電負荷過大，造成原有電力設備過負荷。
3)充電設施與新能源利用及微電網發展相結合。充電設施與新能源及微電網相結合有許多優點：一方面可以在提高電網對充電負荷承載能力的同時，降低電動汽車對化石燃料的依賴;另一方面，還可以通過電動汽車協助解決可再生能源的間歇性問題，降低儲能系統成本。因此，在充電設施規劃建設過程中，應充分考慮就地利用新能源以及微電網對電動汽車進行充電，同時可考慮對充電過程進行有序控制。
5對充電設施規劃布局的若干建議
基于以上對充電設施規劃中的若干關鍵問題的分析研究，本文針對充電基礎設施的發展和規劃布局提出以下若干原則和建議。
5.1規劃布局的指導性原則
1)電動汽車充電基礎設施規劃與建設應遵循科學有序發展充電設施的規劃建設是一項系統工程，應建立在科學分析和優良資源配置的基礎上，結合我國國情，綜合考慮電動汽車的運行規律、城市用地規劃、電網的承載能力和電動汽車及其充電技術的成熟度，采用科學的方法和手段，制定合理、經濟、適用的電動汽車充電基礎設施規劃方案。同時，充電基礎設施的規劃既要充分考慮導入期的不定因素，又要適應電動汽車技術的發展趨勢。在進行充電設施規劃時，要分階段加以修正，充電設施的數量與規模不能過于超前，以免造成資源的閑置和浪費，應充分考慮電動汽車的推廣與充電設施建設的相互影響作用。電動汽車充電基礎設施的規劃和建設要總結示范城市的試點經驗，要做到科學有序發展。
2)充電基礎設施的分布應與電動汽車泊車的時空分布盡可能保持一致電動汽車一般須在停泊的時間和地點完成能量補給，充電行為發生的時空分布規律與電動汽車的泊車規律相互關聯。城市中不同功能區域的交通規律和泊車特點各不相同，為保證充電的便利性和充電設施的使用率，充電基礎設施的分布應與該地區電動汽車泊車的時空分布規律盡可能保持一致。
3)充電基礎設施的布局應兼顧用戶便利性、建設經濟性和技術合理性要求充電基礎設施的選址應滿足該地區的任意地點都處在某一充電站或充電樁的服務半徑內，以保證用戶充電的便利性;充電基礎設施及車樁比依據規劃合理布局，應兼顧建設的經濟性;充電模式的選擇應綜合考慮用戶的便利性和動力電池的安全使用與耐受能力。
4)充電基礎設施的規劃應與該區域總體規劃和路網規劃相互協調城區總體規劃是城市發展的總原則，充電基礎設施是未來城市整體規劃的組成部分。充電基礎設施的選址和布局直接關系到充電車流的狀態，影響到整個地區交通系統的總體經濟運行。充電基礎設施的布局應與路網規劃相統一，在中小城市和大型城市周邊地區開展電動出租車試點，盡量避免以充電為目的車流對城市交通產生影響，保障城市交通的暢通。
5)充電基礎設施的建設應與該地區電網規劃發展相協調充電基礎設施容量增長應與地區負荷和電網總容量相協調，以保證電網為電動汽車提供充足的電力供應;充電基礎設施的布局應與配電網的規劃相協調，避免出現電壓越限、配電線路或配電設備過載等問題;充電基礎設施應滿足接入電網的電能質量要求，并適當配置補償和治理裝置，避免對電網電能質量造成不良影響。
6)逐步實現有序充電和采用綠色可再生能源供電利用分時電價等市場機制，引導部分電動汽車在電力低谷時段慢速充電。充分利用智能配電網及其信息系統，逐步實現充電站分時段有序充電和智能充電。在充電基礎設施建設中，應充分考慮就地的風電、光伏等分布式新能源的集成利用條件，最大限度地發揮新能源的作用來替代傳統的化石能源，促進電動汽車的能源結構由傳統的化石能源向無污染的可再生能源和新能源轉變，真正實現全社會零排放、清潔無污染的綠色交通。
7)充電基礎設施的建設應符合環境與安全的相關規定充電設施的規劃符合環境保護和防火安全的要求，充電設施不應靠近有爆炸或火災危險等潛在危險的地方，也要避開地勢低洼和可能積水的場所，并充分利用就近的供電，交通、消防、給排水及防洪等公用設施。
5.2充電模式選擇與充電設施配置的相關建議
根據前文對各車輛運行規律及充電模式的匹配分析，對不同類型車輛充電模式及設施的選擇建議如下表4所示：
表4各類型車輛充電模式及充電設施配置建議
 其中，私家車分散充電設施在各功能區配置比例應有所區別，本文結合美國NHTS中相關數據，以及文獻中充電初始SOC的統計結果，根據前述充電設施配比度計算方法對分散慢充樁與電動汽車的配比度(如表3所示)以及快慢速分散充電設施配比度進行分析，給出表5所示的推薦值。
表5私家車分散充電設施配置建議
 隨著動力電池技術的發展，電動汽車續航里程增加，各類型車輛的充電模式將逐步過渡到慢充模式，分散充電設施中慢充樁與電動汽車的配比度、快充設施與慢充設施的配比度均將逐漸減小。
6結論
充電基礎設施是電動汽車推廣應用的重要環節，其規劃布局是關乎到未來電動汽車產業發展和城市建設的重要而復雜的問題。隨著國家新一輪電動汽車推廣工作的開展，充電基礎設施的建設將迎來新的高潮。從目前動力電池技術發展水平、整車及電池標準化發展程度以及電網影響等角度考慮，電動私家車應以分散式慢充為主，適當配備分散快充設施作為補充，并合理確定兩類設施的配比度，以滿足用戶不同類型的充電需求，同時保證投資建設的經濟性。對于其他類型的車輛，應優先選擇慢充模式，在慢充不滿足運行要求的條件下，根據車輛的行駛及泊車的時空特點，在合適的地點建設集中型快充站或者換電站。在充電基礎設施的規劃建設過程中，應緊密結合電網特點，充分研究充電設施與電網的相互影響及作用，采取相應措施，使兩者可以友好互動、協調發展。
現階段仍處于電動汽車發展初期，隨著電動汽車的普及，其運行規律和充電行為的基礎數據將更加準確豐富，充電設施的投資運營模式也將趨于清晰，因此，在電動汽車行為規律、充電設施與電網的互動等方面，仍存在較大的研究空間，通過深入研究，可以更加合理的對充電設施進行規劃布局，為電動汽車的推廣普及提供強有力的支持。 相關企業新聞
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