電力企業(yè)管理

電動汽車換/充電服務(wù)模式分析與研究

王珂
（金華電業(yè)局，浙江 金華 321017）

電動汽車是一種發(fā)展前景廣闊的綠色交通工具，電動汽車換/充電設(shè)施為電動汽車提供能量補(bǔ)給，是電動汽車發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐，也是電動汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。通過研究電動汽車動力電池充放電特性、換/充電服務(wù)模式等，指出適合電動汽車換/充電服務(wù)模式建設(shè)發(fā)展的方向。

電動汽車； 電池特性； 換/充電； 服務(wù)

電動汽車以電代油， 能夠?qū)崿F(xiàn)“零排放”。 我國政府把電動汽車的發(fā)展作為汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)對能源安全、氣候變化和結(jié)構(gòu)升級問題的重要突破口，以及實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展的重要舉措。電動汽車換/充電設(shè)施為電動汽車提供能量補(bǔ)給，是電動汽車發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐，也是電動汽車商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)。

1 電動汽車動力電池充電特性

1.1 動力電池主要技術(shù)指標(biāo)

電動汽車動力電池常用的有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。

鉛酸電池技術(shù)可靠、生產(chǎn)工藝成熟、價(jià)格便宜、電壓穩(wěn)定、單體電池電壓較高，已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。主要缺點(diǎn)是比能量低、使用壽命短、日常維護(hù)頻繁，以及重金屬鉛在生產(chǎn)和回收過程中可能產(chǎn)生環(huán)境污染等。

鎳氫電池具有充電快速、使用壽命長、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，單體電池電壓 1.2 V、比能量 30～80 Wh/kg、 能量密度 140～300W/kg， 循 環(huán) 壽 命 高 達(dá)500～1 000 次。 主要缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高、 自放電率高，具有記憶效應(yīng)等。

鋰電池是新型高能電池，具有體積小、質(zhì)量輕、能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景好，已逐步取代鉛酸電池和鎳氫電池。各類動力電池主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.2 動力鋰電池充電特性

動力鋰電池和其他蓄電池一樣，有多種充電方式，如恒流充電、恒壓充電、 恒流-恒壓充電、智能充電等。

恒流充電是指電池在充電時(shí)，采用恒定電流的方法進(jìn)行充電，電流的大小可以通過充電裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有較大的適應(yīng)性，可以對各種不同情況及狀態(tài)的電池充電。主要缺點(diǎn)是開始階段的充電電流相對較小，在充電后期充電電流又相對過大，整個(gè)充電過程時(shí)間長、能耗大，還需要專人管理。

表1 各類動力電池主要技術(shù)指標(biāo)

恒壓充電是指電池在充電時(shí)，采用恒定電壓的方法進(jìn)行充電，充電初期電流相當(dāng)大，隨著充電的延續(xù)，充電電流逐漸減小，一般在數(shù)小時(shí)后電池就能獲得本身容量的 90%以上， 且充電過程不需要專人管理。

目前，動力鋰電池一般采用恒流-恒壓充電方式，即開始階段采用恒流充電，直至電池的端電壓達(dá)到恒壓充電電壓，然后再改為恒壓充電，直到電池充滿為止。

動力鋰電池充電開始階段，一般采用最優(yōu)充電倍率進(jìn)行恒流充電，在這一階段，由于電池的電動勢較低，即使電池充電電壓不高，電池的充電流也會很大，必須對充電電流加以限制，一般最優(yōu)充電倍率為 0.3C（C 是電池的容量， 如 C=800 mAh， 1C 充電率即充電電流為 800mA）， 這一階段的充電叫“恒流”充電， 充電電流保持在限流值。隨著充電的延續(xù)，電池電動勢不斷上升，充電壓也不斷上升，當(dāng)電池電壓上升到允許的最高充電電壓時(shí)，保持恒壓充電；在這一階段，由于電池電動勢還在不斷上升，而充電電壓又保持不變，所以電池的充電流呈雙曲線趨勢不斷下降，一直下降到零，但在實(shí)際充電過程中，當(dāng)充電電流減小到 0.015C 時(shí)， 說明充電已滿就可停止充電， 這一階段的充電叫“恒壓”充電， 充電電壓：U=E+IR 為恒壓值。此外， 充電系統(tǒng)還必須具有自動調(diào)節(jié)充電參數(shù)、自動控制和自動保護(hù)等功能。尤其在恒壓充電階段，如果單體電池的充電電壓超過允許的充電電壓時(shí)，充電機(jī)應(yīng)能自動減小充電電壓和電流，使該電池的充電電壓不超過允許的充電電壓，防止電池過壓充電，恒流-恒壓充電曲線如圖1。

圖1 恒流-恒壓充電曲線

不同種類的動力電池具有不同的充電屬性、充電方式和充電倍率。充電倍率越大，充電器輸出功率越大；充電時(shí)間越短，電池壽命影響越大。 如電池容量為 300 Ah 的動力鋰電池， 最高充電電壓 650 V，如按 0.3C（即最大充電電流 90 A）充電倍率充電， 充電器最大輸出功率為 58.5 kW，充電時(shí)間約為 3～4 h； 如 20min 快速充電， 充電倍率至少為 3C（即最大充電電流 900 A）， 充電器輸出功率達(dá) 585 kW。 為了確保動力電池安全、 可靠、經(jīng)濟(jì)使用，盡量減少充電器輸出功率，一般最優(yōu)充電倍率選用 0.1C～0.3C。

1.3 電動汽車對充電技術(shù)的要求

不同運(yùn)行模式的電動汽車，其續(xù)駛能力、充電模式、充電功率及充電時(shí)間的要求也不同。如出租汽車、城市公交車，因連續(xù)行駛距離長，營運(yùn)期間，需要有快速電能補(bǔ)給方式；對于家庭用車，日行駛距離較短，而且以白天使用、晚上休息的方式為主，可以采用普通充電方式。目前電動汽車充電模式一般可分為3類，即普通充電、快速充電、電池更換。

普通充電多為交流充電，利用交流充電樁，經(jīng)電動汽車車載充電機(jī)進(jìn)行充電。對于容量不超過 5 kW 的交流充電機(jī)， 可采用額定電壓 220 V，50 Hz 的單相交流電，容量大于 5 kW 的交流充電機(jī)， 一般采用額定電壓 380 V， 50 Hz的三相交流電。 充電時(shí)間大約需要 4～8 h。 由于普通充電時(shí)間長，需要有固定停車位置，一般可作為家庭用車能源補(bǔ)給的一種模式。

快速充電多為直流充電，通過直流充電機(jī)對電動汽車電池進(jìn)行充電。直流充電機(jī)輸入額定電壓 380 V， 50 Hz的三相交流電， 輸出電壓、 電流一般不超過 700 V 和 700 A。 直流充電電流大、充電速度快，通常 30min 可完成充電， 對電池?fù)p害較大，導(dǎo)致電池壽命縮短。因此，快速充電模式只能作為電動汽車能源補(bǔ)給的一種補(bǔ)充模式。

通過電動汽車電池?fù)Q/充站、 電池配送站為電動汽車快速更換電池， 更換時(shí)間通常在 5min以內(nèi)。更換電池方式在電池流通管理、安全充電、 電池維護(hù)等方面都有優(yōu)勢： 電池?fù)Q/充站能統(tǒng)一管理電池，讓電池在最好的條件下充電，延長電池使用壽命； 電池?fù)Q/充站能做到定期對電動車電池檢修和維護(hù)，使電池的使用壽命和利用效率提高， 減輕用戶的維護(hù)負(fù)擔(dān)； 同時(shí)， 電池?fù)Q/充站還可以有效利用低谷時(shí)段對電池進(jìn)行統(tǒng)一充電，對電網(wǎng)起到了良好的削峰填谷的作用，更換電池模式是電動汽車能源補(bǔ)給的主要模式。

2 電動汽車換/充電服務(wù)模式研究

2.1 電動汽車服務(wù)模式

電動汽車換/充電服務(wù)模式是指電動汽車換/充電服務(wù)商向用戶提供的換/充電模式、 電池供給模式、電能計(jì)費(fèi)模式、增值服務(wù)模式等運(yùn)營服務(wù)種類。換/充電模式將決定電動汽車是采用充電還是換電，主要包括集中換電和分布式充電；集中換電是指由換/充電站提供電池更換服務(wù)；分布式充電是指在住宅小區(qū)、 公共停車場、 換/充電站等利用專用充電機(jī)直接充電。

電池供給模式是指用戶采用購買電池還是租用電池的形式；購買電池形式一次性投資大、運(yùn)營費(fèi)用少，但電池的充電、維護(hù)不便；租用電池形式相當(dāng)于分期付款，電池使用更方便。電能計(jì)費(fèi)模式可以根據(jù)電能消耗量、行駛里程或服務(wù)類型，按用戶需求進(jìn)行制定，電能計(jì)費(fèi)模式很大程度取決于政府的價(jià)格政策。增值服務(wù)模式是基于換/充電業(yè)務(wù)而衍生的一些新服務(wù)， 如電池維護(hù)、電池回收、行駛路線定位及安全服務(wù)等。

電動汽車換/充電服務(wù)的發(fā)展仍受諸多技術(shù)因素影響，面臨很多不確定性，如電池容量、電池使用壽命、 換/充電技術(shù)、 服務(wù)定價(jià)機(jī)制等， 但目前主要有 2 種形態(tài)， 即集中換電（租用電池）和分布式充電（購買電池）服務(wù)模式。

2.2 集中換電服務(wù)模式

集中換電服務(wù)模式是指建設(shè)電動汽車集中換/充電設(shè)施，采用電池租賃方式，為電動汽車客戶提供快速電池更換業(yè)務(wù)。采用“集中充電，統(tǒng)一配送”的新型模式，能最大程度滿足電動汽車能源供給服務(wù)對便捷性、經(jīng)濟(jì)性及電網(wǎng)友好性的需求，該服務(wù)模式具有以下特點(diǎn)。

（1）符合電動汽車自身發(fā)展特點(diǎn)。 相對于燃油車而言，電動汽車面臨的最大問題就是能源補(bǔ)給的便捷性。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，如采用普通充電模式， 需要 5～8 h； 如采用快速充電模式， 對電池?fù)p傷極大，將大大降低循環(huán)利用次數(shù)，提高電池使用成本； 一般動力鋰電池能量密度為 400～600 Wh/L， 最 大 行 駛 距 離 只 有 120～160 km/次 ；即使將來電池技術(shù)持續(xù)改進(jìn)，但自充電模式仍難以像燃油車加油一樣便捷。 “集中充電，統(tǒng)一配送”服務(wù)模式能大大縮短客戶等候時(shí)間，提高便捷性；同時(shí)，也有利于電池集約化管理，便于電池統(tǒng)一維護(hù)、統(tǒng)一回收。

（2）符合我國城市發(fā)展特點(diǎn)。 城市是未來電動汽車發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，由于我國城市人口密集，不少居住在高層建筑，停車位極其緊張，有車庫的只是少數(shù)。同時(shí)，我國目前城市用地，特別是城市中心地區(qū)用地極度緊張，因此，普通充電模式無法滿足城市電動汽車規(guī)?；l(fā)展的需求。集中換電模式則不受居住、辦公條件等限制，電池在大型充電站集中充電，由小型配送站完成電池更換服務(wù)；配送站服務(wù)網(wǎng)絡(luò)門店要求低，對用戶沒有任何特殊要求，易于合理布點(diǎn)，在便捷性上具有突出的優(yōu)勢，能夠滿足用戶的持續(xù)駕駛需求。

（3）有利于實(shí)現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。 電動汽車充電過程中充電功率大，同時(shí)，電動汽車充電設(shè)備屬非線性用電設(shè)備，這些用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流注入電力系統(tǒng)，導(dǎo)致諧波電流含量超標(biāo)，影響周邊用戶的電能質(zhì)量。集中換電便于用電負(fù)荷統(tǒng)一調(diào)度、管理和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)之間的良性互動，實(shí)現(xiàn)二者協(xié)調(diào)發(fā)展。一方面， 集中充/放電能夠最大程度發(fā)揮削峰填谷作用，提高電力系統(tǒng)負(fù)荷率，有利于優(yōu)化利用電力資源，集中充電也更有利于諧波治理。另一方面，配有大量電池的集中充電站本身就是一個(gè)能夠快速響應(yīng)的儲能電站，能夠在出現(xiàn)事故后為電網(wǎng)提供緊急備用電源，提高電網(wǎng)應(yīng)對事故能力及安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。

2.3 分布式充電服務(wù)模式

分布式充電服務(wù)模式，是指在住宅小區(qū)、公共停車場、 換/充電站等區(qū)域建設(shè)小功率充電樁，為電動汽車客戶提供充電業(yè)務(wù)。這種服務(wù)模式符合當(dāng)前客戶需求，使用方便，運(yùn)營成本較省。在電池技術(shù)成熟發(fā)展階段，將是有固定停車位的家庭用車首選服務(wù)模式。

3 結(jié)論

（1）新型、 高能的動力鋰電池具有體積小、質(zhì)量輕、能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景好，將逐步取代鉛酸電池和鎳氫電池，成為未來電動汽車動力電池發(fā)展的重要方向。

（2）應(yīng)積極采用“集中充電， 統(tǒng)一配送”的充電模式， 充分利用電網(wǎng)廉價(jià)的“谷電”資源， 平衡用電負(fù)荷峰谷差，挖掘現(xiàn)有電網(wǎng)潛力，盡可能減輕電動汽車發(fā)展對電網(wǎng)的供電壓力；同時(shí)，亦有利于電流諧波的統(tǒng)一治理。

（3）地方政府應(yīng)積極推廣“集中換電為主、 分布式充電為輔”的服務(wù)模式， 加快電動汽車換/充電設(shè)施的建設(shè)；對于城市出租汽車、公交車及無固定車位的家庭用車， 優(yōu)先選用“車電分離”的集中換電（租用電池）服務(wù)模式。

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[3]姚建歆，王媚.電動汽車充電系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用分析研究[J].華東電力，2008（8）∶111-114.

[4]陳新琪，李鵬.電動汽車充電對電網(wǎng)諧波的影響分析[J].中國電力，2008（9）∶35-40.

（本文編輯：楊 勇）

Analysis and Research on Service M odes of Swapping/Charging of Electric Vehicles

WANG Ke
（Jinhua Electric Power Bureau， Jinhua Zhejiang 321017， China）

The electric vehicle is a kind of environmentally-friendly vehicle with great potential.Charging/ swapping facilities for energization are key support to development of electric vehicles and they are essential links in commercialization and industrialization of electric vehicles.By research on characteristics of charging and discharging of batteries and servicemodes of swapping/charging,the paper figures out development direction tailoring to establish servicemodes of swapping/charging of electric vehicles.

electric vehicle； battery characteristics； swapping/charging； service

TM714 ∶F416.471

： B

： 1007-1881（2012）11-0073-04

2012-03-23

王 珂（1974-）， 女， 浙江義烏人， 工程師， 從事電力營銷管理工作。