電動汽車電能供給模式與充換電設施建設研究

摘 要：該文研究分析了電動汽車產業發展所面臨的瓶頸以及電能供應模式，并對3種電能供應模式進行比較，確立了快速換電為主的電動汽車電能供應模式。在快速換電模式下，闡述了電動汽車充換電設施服務網絡的建設。

關鍵詞：電動汽車 電能供給模式 集中充電站 充換電站 電池配送站

中圖分類號：TM921.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-000-02

目前全球氣候變暖、能源短缺、生態環境惡化等問題日益嚴峻，為了保護環境和保障能源供給，各國政府不惜投入大量人力、物力尋求解決這些問題的途徑。電動汽車以電代油，具有高效率、零排放、低噪音等顯著優點，是促進節能減排、發展低碳經濟、解決能源短缺和環境污染的主要手段。

1 認識與探索

當前電動汽車產業發展面臨以下兩個方面的瓶頸。

（1）電池技術發展的瓶頸。在電動汽車傳統充電模式下，電動汽車以整車帶電池的方式銷售，由于電池壽命和成本的限制，造成電池價格居高不下，進而拔高了整車價格，導致不能實現規模生產和銷售，進入“惡性”循環。

（2）充電基礎設施建設的瓶頸。充電基礎設施困境在于按照傳統的方式進行布點、充電，單位土地面積利用效率低下，單位面積投資比較昂貴，收回成本較難，很難實現持續發展，導致電動汽車電能補給困難，影響電動汽車的推廣和普及。

上述瓶頸導致電動汽車推廣困難，保有量少。而由于保有量少，導致電池與充電設施因無法產生規模效益而不能快速發展，形成了一個“困境循環”。如圖1所示，即傳統的充電模式導致整個電動汽車產業的矛盾相互糾結，互相牽制，難以突破，嚴重阻礙了電動汽車產業的發展。

鑒于電動汽車產業發展面臨的困境，迫切需要一個全新的電能供給模式來打破這個“困境循環”，以解決電池成本高和充電基礎設施建設難的問題。

2 電能供給模式研究

目前電動汽車電能供給模式主要有以下三種模式。

（1）直流快充：通過大功率充電機直接對電動汽車上的電池進行充電，充電電流大、速度快，通常1～3h左右可完成充電。但快速充電對電池的壽命影響很大，需占用整車停車位，對充電站用地要求高，建設難度大。另外，由于整車充電功率較大，大量采用對電網影響較大。

（2）交流慢充：通過交流充電樁，并經由電動汽車車載充電機進行充電。充電電流小，充電速度慢。根據電池與車載充電機容量的不同，通常充電時間在6～12 h左右。可利用停車位配套設置，一般不需要單獨占用場地。但慢速充電時間長，用戶需等待較長時間，電池缺乏統一的維護和管理，影響電池壽命。此外，分散式充電樁的建設數量達到一定規模后，對電網的負荷及電能質量有影響且較難控制。

（3）快速換電：通過充換電站集中對標準電池進行充電，并為電動汽車用戶快速更換電池。更換時間通常在3～5 min。快速更換電池方式在充電時間、電池流通管理、充電安全等方面具有明顯優勢。該模式是由充換電站統一管理電池，使電池得到定期檢修和維護，充分發揮電池的使用壽命，提高利用率，減少用戶的維護負擔。充電站可以有效利用低谷時段對電池進行統一充電，對電網起到了良好的削峰填谷的作用。

3 充換電設施建設

由表1可知，快速換電、交流慢充、直流快充三種電動汽車電能供給模式中，快速換電模式的綜合性能較優。而快速換電模式的載體是電動汽車動力電池，通過動力電池的流轉，電動汽車充換電設施的建設將形成大型集中充電站、充換電站、電池配送站三層服務網絡，如圖2所示。

3.1 集中充電站

集中充電站作為智能充換電服務網絡的重要組成部分，它是電池更換業務的基礎。在電池更換業務模式下，集中充電站以標準電池模塊集中充放電為核心，在電網低谷時對標準電池模塊充電、高峰時能源反饋電網，完成標準電池模塊向充換電站、電池配送站的統一配送，以及標準電池模塊保養、維護、倉儲等任務。集中充電站根據充電電池的技術規格和相關標準對電池進行集中檢測，計量電池集中充換電的電量，并能夠與電網進行電量和電費結算。集中充電站一般不面對最終客戶，而是作為對電池集中充電的“工廠”，回收電能已經耗盡的電動汽車動力電池，再對動力電池進行充電，完成后通過物流網終端將充滿電的汽車電池配送到各個充充電站、電池配送站以及各個代理點。

集中充電站利用集中、專用設備在電網低負荷或者低谷時段完成對電池的集中充電工作，以保證有足夠的可用電池向各個電池配送站進行配送。

集中充電站是充換電設施中投資最大的部分，應按照“一次規劃，分期建設”的原則，將集中充電站分為近期和遠景兩個階段進行建設，遠景根據需要進行建設，并根據建設要求提出集中充電站的建設規模、接入系統方案、系統組成及工程建設設想，為后續集中充電站的建設提供參考。考慮到交通和選址條件，集中充電站不宜設置在城市的中心區。

集中充電站主要由充電系統、物流系統、監控系統、通信系統、消防系統、標識系統、環保及衛生等組成。根據集中充電站的建設規模及場地條件，近期建設可考慮配置標準電池3000組，遠景建設可考慮配置標準電池6000組。

3.2 充換電站

充換電站是為電動汽車的標準電池提供充電和標準電池快速更換的電能供應站，它以標準電池充換為核心，整車快速補電為輔，能基本滿足電動汽車的充換電服務需求，同時根據充換電服務網絡調度的需要，可從集中充電站獲取標準電池，也可為電池配送站配送適量的標準電池。

充換電站系統主要由供配電系統、充換電系統、安防監控系統和配套設施等部分組成。根據充換電站的建設規模及場地條件，每個充換電站可考慮配置100或200或300組標準電池，設置2～4個換電工位、若干個整車充電位及交流充電樁。

3.3 電池配送站

電池配送站緊鄰集中充電站，以公共服務點、社區服務中心及各類服務網點為支撐，為電動汽車提供標準電池更換服務的場所。電池配送站占地面積小，比充換電站布點相對靈活，選址相對容易，可借用現有停車位作為換電工位。

電池配送站由供配電系統、換電系統、安防監控系統和配套設施等部分組成。根據電池配送站的服務需求及場地條件，每個電池配送站可考慮配置40或60或80組電池。

4 結語

充換電設施是電動汽車快速發展所必須的重要配套基礎設施，是電動汽車商業化、產業化過程中的重要環節，是電動汽車發展的重要支撐。為了促進電動汽車的推廣和普及，必須加快電動汽車充換電設施的建設步伐，積極構建并完善電動汽車智能充換電服務網絡。

參考文獻

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