为电动汽车构建充电基础设施

详尽导语： 全世界对于电动汽车的采纳正在迅速增加,相关机构预计每年增长速度将达到32%。但该预测只有在住宅、办公室和公共场所的充电基础设施相匹配的情况下才会发生,遗憾的是,衡量要构建的基础设施规模也非常困难。

简短导语： 电动汽车的采纳率将显著增加,充电基础设施必须要保持同步发展。

在本白皮书中,我们将分析电动汽车采用率的提升会如何对建有充电站的公共停车场、办公室或家中等配电基础设施提出新的要求。

有关电动汽车的文章通常从令人印象深刻的增长率统计数据开始,并且很乐意谈论预计的电动汽车销售量。 来自国际能源署(IEA)机构 ^[1] 的数据就是一个例子,其发布的数据预测全球电动乘用车保有量(global stock)将从2018年的500万辆增加到2030年的约2.5亿辆,届时年销量约为4400万辆。这是一种典型的EV30@30场景,即到2030年,所有电动汽车中的30%(两轮车除外)将各拥有30%的全球市场份额(见图1),该图包括混合动力和纯电动汽车、公共汽车和卡车。因此,电动汽车的市场吸引力依旧很强,但也必须进行实际的合理性检查:这种增长轨迹上的误差到底有多大?假设和确定的风险是什么?经过深入研究,一些出于不同来源的增长数据显示出很大差异,所引用的销售数据包含有关电动汽车价格承受能力的变化、未来技术改进、油价、监管激励措施以及更多“数十个”假设。这些预测还高度依赖中国的市场占有率,中国在2018年占全球市场的45%,而欧洲为24%,美国为22%。美国能源信息署(EIA)的《2020年年度能源展望》 ^[2] 中的另一组数字显示,到2030年,美国纯电动汽车的总销量将远远少于100万辆,如果按地域划分的市场份额百分比保持不变,则不到IEA预测的十分之一。该数据预测,到2050年及以后,汽油车仍将占主导地位。因此,也需要考虑这些数据。

影响电动汽车采用率的主要因素

电动汽车目前相对昂贵,因此乐观的预测假设其价格会随着销量和技术改进而下降,但只有当价格下降时,销量才会增加,这还是回到鸡和蛋谁先出现的问题。一些制造商承认,为了刺激市场,每售出一辆车都会亏损,但这不是一个好的商业模式,并会考验投资者的耐心。政府压力是另一个驱动因素,需要达到气候变化的目标,也需要控制污染水平,世界各地的行政当局已经宣布了在特定日期之前"禁止内燃机(ICE)"的目标。这种标题给人留下深刻印象,但往往意味着禁止只使用ICE的车辆,而混合动力车则无限制日期。汽车制造商也在以同样方式玩弄文字,他们不会放弃内燃机汽车的制造能力和资产,而去承诺100%的电动汽车。未来有一天如果他们承诺,实际意味着100%全电动或混合动力汽车。

油价通过其自身的动态变化影响未来电动汽车的使用。尽管近期价格一直相对稳定,但地缘政治以及任何政府补贴都会产生巨大影响。目前的原油价格约为54美元,如果像1998年那样,原油价格每桶再次跌至低于20美元(考虑通货膨胀调整后),那么消费者可能会再次考虑电动汽车的运行成本。目前,电动汽车每一美元的电力可获得约43英里的行驶里程,约为汽油动力汽车或SUV成本的四分之一。

尽管世界卫生组织报告指出,全球有420万人因空气污染而过早死亡^[3]。如果电动汽车的购买和运营成本高昂,没有动力促使人们放弃使用ICE,那么缓解气候变化和改善环境的争论就可能会减弱。

图1:2018年至2030年全球所有电动汽车的预计保有量。(来源:EIA)

里程忧虑

提高电动汽车市场份额的一个障碍是对于充电的担忧。起初的电动汽车里程数只有100英里左右,这使电动汽车适用于只做短途旅行的特定类型司机,需要经常返回充电站为电动汽车充电。目前情况已经好转,对于较好车型来说,续航里程已经能够达到300英里左右,但焦虑依然存在,主要是认为充电点依然很少。这当然是一个现实情况,即便借用另一台路过的Good Samaritan备用电池,一个因电池电量耗尽而搁浅的电动汽车仍不能恢复上路行驶。

与加油站相比,充电站似乎数量很少而且彼此距离甚远,但这只是暂时由供需关系决定。在美国,大约有2.7亿辆汽车和15万个加油站,平均每个加油站有8台油泵,每台泵约服务225台汽车。相比之下,全球有大约500万辆电动汽车,约410,000个公共充电桩,平均每个充电桩服务12辆电动汽车,可用性是燃油汽车的18倍!如果将办公室和家庭充电点考虑在内,则几乎可以实现两者均衡,每辆电动汽车都有一个充电点。

显然,这样直接的比较并不合适。加油站可以在大约十分钟内重新加满一个汽油箱,如果需要简短的休息,或者从便利店买一罐苏打水,大约需要15分钟。但是,在高速公路服务区的“慢速”充电站为电池充电可能会花费数小时,如果所有充电桩都在使用中,而下一个充电站又在数英里之外,那么有再多数量的可用充电桩也无济于事。

每个人都希望相信电动汽车有一个美好的未来前景,我们可以预期,未来基础设施的建设能够满足其中一种发展情况,并希望是正确的一种。但是,由于需求的不确定性以及需要考虑的局部变数,将会出现过于乐观或者过于悲观。但可以确定,在未来几年中,挪威约有60%的新车销售将是电动汽车,在未来几年中将比英国部属更多的充电站,英国在2019年新电动汽车的注册率仅仅为1.6%^[4]。

图2:在BAU应用场景,以及成本逐渐下降的情况下,到2050年BAU价格达到只有现在的40%,美国电动LDV的年电力需求。(资料来源:Energy Innovation)

电力供应问题

虽然电动汽车的里程问题令人担忧,但未来的电力供应需要来自那里呢?目前,电动汽车充电对电网的负荷几乎没有太多的增加。据彭博社BNEF ^[5] 预测,到2050年,电动汽车所需电力也将仅占全球总需求的9%,与2018年相比,增长了57%。在美国,到2050年,电动汽车的充电能量需求将达到800～900太瓦小时,而总电力消耗量约为30,000太瓦小时。

同样,这里对技术改进也进行了假设。例如,电动车需要把能量从电池转换到车轮,目前的效率仅为59% ～ 62%,因此预期有相当大的改进空间。内燃机汽车燃料中的化学能转化为动力的转换效率仅为17%～21%。迄今引用的电动汽车销售和能源消耗数字仅与轻型车辆(LDV)有关,如果电动卡车成为现实,上述这些数字可能非常保守。与建设充电站和升级公用事业基础设施相关的时间表远远超出了政府行政条款和直接政治范畴,但公用事业提供商无论如何都会确信电动汽车的长期确定性,并将规划有足够的基础能源供应。因此,随着基础设施的不断扩展以适应不断增长的总体市场,从发电的环节看,电动汽车充电的9%份额并不是问题。但是,在配电方面,当您靠近汽车的充电电缆准备充电时,情况就不同了。

图3:高压配电将能够提供电动汽车充电的电力。

满足未来电动汽车充电需求的配电硬件

从历史上看,夜间电力需求较低,随着烤面包机、电淋浴和其他家用电器在早上7点左右开始使用,负荷会快速增大。在傍晚时分,炊具、加热/冷却电器开始最大负荷运行,这种峰值情况再次发生。如果将家用电动汽车充电添加到负荷内,用电模式将发生显著变化,负载会在夜间达到峰值,以便电动汽车能够做好早晨通勤准备。标准家用充电器可能为 3 或 7kW,需要 6 到 12 小时才能充满 EV,而插电式混合动力电动汽车(PHEV)则需要 2 ～ 4 小时,这仅仅与晚上运行一两个高功率加热器类似。但快速充电器的额定功率可达22kW左右,这接近家用电力供应的极限,通常比没有电动汽车的峰值水平要高很多,当然,在24小时内的平均水平也要高得多。随着越来越多家庭采用电动汽车,当地配电网会马上感受到额外压力,将中等水平电压降至家用水平的变压器会大声鸣叫。但高压配电网和发电站不会因此退缩,因为他们也在向工业领域供电,所不同的是工业在不同时间达到峰值。本地供应基础设施可能是第一个瓶颈,也有因地而异的显著差异。例如,城市公寓可能有停车位,但电动汽车供电不会直接来自于最终消费者的电力。这些电力是按照用量计费,但将汇总到更高的公用事业级别,其中负载控制包括了家用和工业用载荷,只要这些负荷在硬件额定值范围内。路边和公共快速充电点也是如此,这些充电点负载更是直接连在高压网络上。

电动汽车充电器具备足够的智能,能够控制充电速率,因此电池在计划的时间内即可准备就绪,拥有所需的电力,但他们却对电源的其他需求一无所知。智能充电器却能够与公用事业公司互动,通过控制临近社区内电动汽车的充电,可以保持总负载在允许边界内。这不仅有助于防止超载,而且对公用事业公司来说也有正面的好处。公用事业公司更喜欢平稳的负荷,这样可以避免电力需求的高峰和低谷,从而无需对发电厂进行昂贵的调整和关闭。在一些地区,公用事业公司通过给与回扣和特别费率,来鼓励在非高峰时段进行智能充电。

除了具备一系列智能特性和互联基础设施外,无论在车辆内部还是充电基础设施中设计大功率充电和电池监控系统都面临一些常见的挑战,其中许多已经为电力系统设计工程师所熟知,而能源效率、散热和电源线调节是三大考虑因素。在频繁发生高功率负载开关的电气环境中,电源可能会经历剧烈的高速dv/dt 瞬态,如果这种高压尖峰得不到充分保护,可能会对连接的设备造成灾难性和永久性损坏。对于所有类型的电动汽车充电基础设施,强烈建议使用如 Bourns Hybrid GMOV 等专业大功率保护设备,它由节省空间的气体放电管和金属氧化物变流器组成,采用单个紧凑、低泄漏和长寿命封装,可提供一种非常可靠的方法来保护任何电路免受过电压瞬态浪涌的影响。

图4:太阳能可以存储在电动汽车电池中。

可再生能源的共赢策略

长期以来,对电动汽车的一个反对意见是它们并不是所谓的环保绿色,因为这些人认为充电所需的电能最终来自于肮脏的煤炭或燃气发电机。随着可再生资源使用量的增加,情况正在发生改变。但没有太阳时不能实现光伏发电,难以预测的风力同样使涡轮机发电并不可靠。理想的解决方案是采用一些储能手段来保障电力供应,但至今没有完美的解决方案。例如,湖泊中的水力发电只适合某些地形。虽然业内有一些很有前途的想法,如在基岩(bedrock,)储存压缩气体,一种可能性是使用电动汽车的组合电池“借”能量回电网作为缓冲,以换取你的账单回扣(见图4)。

将能量返回电网需要双向充电器,这些技术已经具备。如果您知道汽车将闲置一段时间,公用事业公司可能会根据他们的需要利用您的汽车电池进行能量的提取和存储,而不会影响您的使用,因为智能充电器已经过编程,知道您在何时使用汽车,并在此之前将电动汽车电池充满电能,并准备出发。

[1]   国际能源署(IEA)(2019),“全球电动汽车展望2019” ,国际能源署,巴黎

[5]   彭博社BNEF Blog: “全球电力需求到2050年将增长57%”