劉 暢，龐東澤

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引言

電動汽車作為一種新能源汽車，擁有普通燃油汽車無法比擬的優(yōu)點，正成為世界各國研究的重點。 在我國，以電動汽車為主的新能源汽車工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)列入“十二五”規(guī)劃，成為推動我國節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)升級的重大工程［1-2］。根據(jù)國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，計劃2015年電動汽車規(guī)模提升至100萬輛。我國“十一五”規(guī)劃《綱要》提出了“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP能耗降低20%、主要污染物排放總量減少10%的具有法律效力的約束性指標(biāo)。與國際先進水平相比，我國現(xiàn)在的電能利用效率還比較低。通過加強電力需求側(cè)管理，“十一五”期間，我國可累計節(jié)約1 500億kWh的電量，相當(dāng)于節(jié)約7 500 t原煤。由此可見，電力需求側(cè)節(jié)能具有顯著的社會效益，節(jié)能潛力巨大。電動汽車的普及，必須配套建設(shè)充足的充電基礎(chǔ)設(shè)施，常規(guī)的分散充電樁將大規(guī)模分布于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、工作區(qū)等片區(qū)。因此，對電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的能效分析，尤其是與居民生活密切相關(guān)的常規(guī)慢充的能效分析，顯得十分必要［3］。而目前電動汽車充換電設(shè)施相關(guān)技術(shù)規(guī)范制定相對滯后，我國尚未出臺有關(guān)電動汽車充換電能源利用效率的檢測評估方法標(biāo)準(zhǔn)。在節(jié)能已取得一定成果的前提下，迫切需要有相關(guān)的研究機構(gòu)開展電動汽車充換電設(shè)施的能效研究，確定能效評估的關(guān)鍵因素，以解決政府部門對節(jié)能監(jiān)管的技術(shù)問題，為電動汽車管理部門實施電動汽車的節(jié)能審查和監(jiān)管提供技術(shù)參考，減少電動汽車充換電不必要的能源消耗。

1 電動汽車常規(guī)慢充方式分析

電動汽車常規(guī)慢充是指用較小交流電流對整車進行充電的交流慢充方式［4-5］。電動乘用車根據(jù)使用情況在使用結(jié)束后或動力電池荷電狀態(tài)（SOC）低于設(shè)定值之后立即充電。 用外部交流電源（交流充電樁）給電動車自帶動力電池充電機提供電能。交流慢充電電流比較低，充電時間相對較長，一般充電時間為5～8 h，有的甚至長達(dá)10～20 h。

常規(guī)慢充方式的優(yōu)點。充電所需功率和電流相對較低，充電設(shè)備成本比較低?？沙浞掷秒娏Φ凸葧r段進行充電，降低充電成本?？商岣叱潆娦屎脱娱L電池的使用壽命。

常規(guī)慢充方式的缺點。充電時間過長，當(dāng)車輛有緊急運行需求時難以滿足，并且需要專門的停車場地。 電池和車載充電機與車輛是一個整體，使得整車的價格相對較高。

常規(guī)慢充方式適用情況主要有：1）用戶對電動乘用車的行駛里程要求相對較低，車輛行駛里程能滿足用戶1天使用需要，利用晚間停運時間可以完成充電。2）由于常規(guī)慢充充電電流和充電功率比較小，因此在居民區(qū)、停車場和公共充電站都可以進行充電。 3）規(guī)模較大的集中充電站，能夠同時為多輛電動乘用車提供停車場地并進行充電。

電動汽車交流充電樁接入配電網(wǎng)典型方式如圖1所示。 圖1中（a）區(qū)域表示，交流充電樁可分散分布于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)的公共停車場，在允許接入的條件下，就近接入到附近的0.4 kV電網(wǎng)獲取工作電源。圖1中（b）區(qū)域表示，作為交流充電樁集中分布的大型停車場，電動汽車充電站分為專用變壓器和專線接入，專用變壓器接入將上級電源降壓10 kV后直接向充電站提供電能，專線接入則通過10 kV線路將充電站接入電網(wǎng)。充電站站內(nèi)再配置配電變壓器向充電機提供工作電源。

圖1 電動汽車常規(guī)慢充接入配電網(wǎng)典型方式

2 電動汽車常規(guī)慢充能效鏈模型

常規(guī)慢充充電方式下，純電動汽車經(jīng)電動汽車交流充電樁將電網(wǎng)電能儲存于動力電池，在車輛行駛時，動力電池輸出電能經(jīng)由電動機驅(qū)動車輛運行，實現(xiàn)能量由電能、化學(xué)能和動能的轉(zhuǎn)換。

在能量由電網(wǎng)電能經(jīng)電動汽車交流充電樁轉(zhuǎn)換為動力電池化學(xué)能的過程中，能量損失主要包括：1）電網(wǎng)電能經(jīng)配電線路傳輸?shù)木€路損耗；2）電網(wǎng)電能經(jīng)配電變壓器傳輸?shù)淖儔浩鲹p耗；3）電網(wǎng)電能經(jīng)交流充電樁對電動汽車動力電池充電的損耗。通過以上分析，可以建立接入交流充電樁的電動汽車能量效率鏈模型，如圖2所示。

圖2 電動汽車常規(guī)慢充方式能效鏈模型

3 影響常規(guī)慢充能效的關(guān)鍵因素

3.1 配網(wǎng)能效

線路選型。作為電力系統(tǒng)的電能傳輸?shù)闹匾浇?，電力線路的選取對配電網(wǎng)能效分析有著重要的意義。電力線路的技術(shù)參數(shù)將會直接影響到電力線路的功率損耗。針對電動汽車常規(guī)慢充的充電方式，由于常規(guī)慢充充電功率較小，充電電流一般為10～20 A，對導(dǎo)線載流量要求不高，可采用較小截面積的導(dǎo)線，對于低壓配電線路中的進戶線，其導(dǎo)線截面積為4～50 mm2，最小導(dǎo)線截面積的導(dǎo)線載流量為25 A，承受常規(guī)充電電流能力較強，低壓線路的干線、支線和進戶線均可滿足接入和供電安全載流量的要求，為了減小供電線路的損耗，需根據(jù)接入常規(guī)慢充的臺數(shù)和接入功率選定線路規(guī)格。

網(wǎng)絡(luò)接入方式。常規(guī)慢充的充電方式多被采用于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和大型停車場，電動汽車充電機的接入對電力傳輸網(wǎng)的載流和變壓器的容量有一定影響。對于以大型停車場為基礎(chǔ)的電動汽車充電站，可通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化來實現(xiàn)減少諧波，提高功率因數(shù)，通過電力網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來降低電力輸電線路損耗。

峰谷差和負(fù)荷率。負(fù)荷率是指平均負(fù)載與最大負(fù)載功率之比。針對常規(guī)慢充充電方式，用戶接入的充電時間多為負(fù)荷低谷期。大規(guī)模電動汽車的接入，可有效地減少電力負(fù)荷的峰谷差，提高電力系統(tǒng)負(fù)荷率。對于電力線路來說，在一定時間段內(nèi)運行方式和總供電量不變條件下，負(fù)荷率的提高可降低電力線路的有功損耗和無功損耗。常規(guī)慢充的充電方式可實現(xiàn)削峰填谷。

相間不平衡負(fù)載。常規(guī)慢充充電方式的采用對配電線路的用電負(fù)載分布會產(chǎn)生一定的影響。配電網(wǎng)單相負(fù)載所占比重較大，常規(guī)慢充方式會造成一定的三相負(fù)載不平衡的狀況，這種不平衡在傳輸中，會使電力線路的損耗增大 。三相負(fù)載不平衡度越大，其損耗也就越大。電力線路的三相負(fù)載的不平衡，不僅引起電力線路的A、B、C三相導(dǎo)線總損耗增大，同時在中性導(dǎo)線中產(chǎn)生零序電流，引起中性導(dǎo)線產(chǎn)生損耗，電力線路三相負(fù)載的不平衡會引起電力線路損耗大大增加。為了降低配網(wǎng)損耗，提高電能使用效率，應(yīng)盡量減小三相負(fù)載不平衡度。

3.2 變壓器運行能效

變壓器選型。作為電力系統(tǒng)中電能變換的重要設(shè)備，變壓器技術(shù)參數(shù)選取對配電網(wǎng)能效有重要影響。變壓器技術(shù)參數(shù)和運行方式將會直接影響到變壓器功率損耗。針對電動汽車常規(guī)慢充的充電方式，由于常規(guī)慢充多使用居民用電，接入公用網(wǎng)配電變壓器，需針對交流充電樁的充電功率和接入臺數(shù)對現(xiàn)有低壓配電系統(tǒng)的配電變壓器做負(fù)載率分析，考慮配電變壓器平均容量在100～550 kVA，在不改造配電容量的基礎(chǔ)上，對常規(guī)慢充有較強的接納能力。對于常規(guī)慢充接入電網(wǎng)，需綜合變壓器容量、負(fù)載率和備用情況分析變壓器的工作效率。

峰谷差和負(fù)荷率。對于電力變壓器來說，在一定時間段內(nèi)運行方式和總供電量不變條件下，采用常規(guī)慢充的充電方式可有效提高電力變壓器的負(fù)荷率，負(fù)荷率的提高可降低電力變壓器的有功損耗和無功損耗。

相間不平衡負(fù)載。常規(guī)慢充充電方式的采用將會引起配電線路的用電負(fù)載分布的變化，對于公共配網(wǎng)變壓器的能耗產(chǎn)生一定影響。配電網(wǎng)單相負(fù)載所占比重較大，常規(guī)慢充會產(chǎn)生一定的三相負(fù)載不平衡的狀況，對于民用變壓器三相負(fù)載不平衡有著更為明顯的影響。配電變壓器由于三相負(fù)載不平衡會使其損耗增大。三相負(fù)載不平衡度越大，其損耗也就越大。 適當(dāng)調(diào)整使得三相負(fù)載接近平衡，可降低變壓器損耗，提高變壓器的使用效率。

3.3 充電樁能效

啟動浪涌。 浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。 由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。電動汽車充電機用于動力電池充電，其充電功率可達(dá)到幾千瓦到十幾千瓦。電動汽車充電機在接入電源的瞬間，由于輸入濾波電容迅速充電，浪涌電流很大，有可能會高達(dá)十幾安培，浪涌電流的存在一方面會對設(shè)備有一定的沖擊作用，另一方面也存在不容忽視的能耗問題。

空載損耗。 電動汽車充電機在接通電源后，電動汽車充電機將處于待機狀態(tài)，電動汽車充電機的充電功率不同，空載損耗也不同。當(dāng)電動汽車得到大規(guī)模的應(yīng)用后，電動汽車充電機的待機空載損耗將不容忽視。

穩(wěn)態(tài)能耗。電動汽車充電機的工作原理是由整流電路對輸入三相交流電進行整流［7］，再經(jīng)濾波電路后，為高頻DC-DC功率變換電路提供直流輸入，功率變換電路的輸出經(jīng)過輸出濾波電路后，為車用動力蓄電池充電，充電機原理框圖如圖3所示。

圖3 充電機原理框圖

交流電在各個電能變換環(huán)節(jié)存在電能損耗問題，例如三相不控整流二極管的能效，整流橋損耗，高頻DC/DC的能效。由此可知，各電能變換環(huán)節(jié)的電力電子器件的參數(shù)選取及工作方式直接決定整臺充電機的工作參數(shù)、充電功率，工作效率及其功率因數(shù)，從而決定電動汽車充電機的運行能效。因此，有必要分析電動汽車充電機正常工作時的電能消耗問題［8-9］。

諧波損耗。市場上使用的電動汽車充電機大多數(shù)采用三相不控整流充電機，該類充電機是由工頻變壓器、三相不控整流和高頻變壓器隔離DC/DC變換器組成，作為一類電力電子設(shè)備，電動汽車充電機在使用過程中將會產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，從而引發(fā)一系列諧波問題［10-11］。對采用三相橋式不控整流電路的充電機來說，脈動數(shù)P=6，交流側(cè)諧波次數(shù)主要為 6k±1 次（k=1，2，3，…，n），充電機主要產(chǎn)生5，7，11，13次諧波。電動汽車充電現(xiàn)多采用兩段式充電方式：恒流限壓和恒壓限流充電。諧波電流隨充電功率增大而增大，在充電機輸出功率的最大值時諧波達(dá)到最大值，之后快速減小，并在充電結(jié)束時刻達(dá)到最小值。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時，因集膚效應(yīng)使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗和電能損耗，使導(dǎo)體發(fā)熱嚴(yán)重，降低設(shè)備利用率和經(jīng)濟效益；增加了輸、供電和用電設(shè)備的額外附加損耗；同時諧波的存在會大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導(dǎo)致的噪聲會使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)，由于以上損耗增加，會減少變壓器的實際帶負(fù)載能力。

4 結(jié)語

對于電動汽車充換電基礎(chǔ)設(shè)施能效的評估和指標(biāo)體系，雖然各研究機構(gòu)和企業(yè)做了一些研究試驗，但目前我國沒有比較科學(xué)且統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通過對電動汽車充放電設(shè)施能效研究，制定其能效的評價指標(biāo)，并深入研究其測試方法，使測試數(shù)據(jù)能較客觀科學(xué)，真實地反映電動汽車充放電設(shè)施的實際能效水平，為電動汽車管理部門實施電動汽車的節(jié)能審查和監(jiān)管提供技術(shù)參考。

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