徐偉華 / 陳雙燕

(1.電力規(guī)劃總院有限公司，北京 100120； 2. 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100044)

電動(dòng)車充放電對(duì)建筑供電的影響探討

徐偉華1/ 陳雙燕2

(1.電力規(guī)劃總院有限公司，北京 100120； 2. 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100044)

介紹了汽車電動(dòng)化的發(fā)展前景和充電樁的選擇方案，探討汽車電動(dòng)化對(duì)建筑供電設(shè)計(jì)的影響。

電動(dòng)汽車充放電 建筑供電

0 概述

電動(dòng)汽車雖有其自身優(yōu)勢(shì)及國(guó)家政策扶持，但質(zhì)疑的聲音也時(shí)而有之。盡管電動(dòng)汽車的發(fā)展還面臨不少困難，但有理由對(duì)電動(dòng)汽車的未來保持信心。本文探討了汽車保有量增長(zhǎng)、電動(dòng)汽車與內(nèi)燃車競(jìng)爭(zhēng)的前景，并分析了電動(dòng)汽車對(duì)建筑供電的影響。

1 我國(guó)汽車保有量展望

以千人汽車保有量為指標(biāo)，美國(guó)約為800輛[1]，歐盟高收入國(guó)家和日本約為600輛，韓國(guó)約為400輛。2016年底我國(guó)千人汽車保有量達(dá)140輛，對(duì)我國(guó)汽車市場(chǎng)達(dá)到飽和或接近飽和時(shí)的汽車保有量進(jìn)行預(yù)測(cè)，我國(guó)千人汽車保有量將達(dá)到400輛，甚至600～800輛。

通過回顧我國(guó)汽車保有量增長(zhǎng)的過程，我國(guó)汽車保有量從1996年末的1 100.1萬輛增長(zhǎng)為2016年末的1.94億輛，近20年千人汽車保有量年均增長(zhǎng)率為14.7%。因?yàn)?016年我國(guó)千人汽車保有量的增長(zhǎng)率是12.1%，所以如果以11%的年均增長(zhǎng)率去預(yù)測(cè)未來汽車保有量，以2016年底的人口數(shù)量13.8億人不變進(jìn)行粗略測(cè)算，千人汽車保有量年均增長(zhǎng)率取11%，我國(guó)千人汽車保有量將分別在2020年、2024年、2027年超過200輛、300輛、400輛。

2 汽車電動(dòng)化前景

雖然目前電動(dòng)汽車還存在續(xù)航里程短、充電難、充電慢等問題，但是這些和充電樁、電池相關(guān)的技術(shù)問題將隨著科技的進(jìn)步逐步得到解決。除了電動(dòng)汽車制造廠家的努力外，老百姓對(duì)電動(dòng)汽車的接納和電力系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車的支持是影響汽車電動(dòng)化過程的重要因素。

不管是內(nèi)燃車還是電動(dòng)汽車，對(duì)于普通百姓而言都只是交通工具，性價(jià)比是選購(gòu)的決定性因素。從全壽命周期看，不管行駛里程是高還是低，購(gòu)買及使用電動(dòng)汽車的費(fèi)用均低于內(nèi)燃車。以費(fèi)用計(jì)算舉例：1)行駛里程高的用車方式，比如出租車，取電耗20 kW·h /100km、油耗8L/100km，一般工商業(yè)用電平段0.605元/ kW·h、油價(jià)6.44元/L，行駛6年、每年行駛15萬km進(jìn)行測(cè)算，雖然電動(dòng)汽車比內(nèi)燃車的購(gòu)車費(fèi)多了大約19.5萬元，但行駛90萬km的電動(dòng)汽車比內(nèi)燃車至少節(jié)約35.5萬元?jiǎng)恿M(fèi)，以充電不耽擱營(yíng)運(yùn)時(shí)間為前提，開電動(dòng)汽車的出租司機(jī)6年間可以比開內(nèi)燃車的出租司機(jī)多賺16萬元；2)行駛里程低的用車方式，比如某些私家車，由于行駛里程短，“以電代油”所節(jié)約的動(dòng)力費(fèi)不足以彌補(bǔ)多付的購(gòu)置費(fèi)，如果讓電動(dòng)汽車通過充、放電為電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰等服務(wù)，以另一種形式提高電動(dòng)汽車的利用率，目前具備放電功能的車型已存在(如比亞迪e6)，只是電網(wǎng)目前尚不允許電動(dòng)汽車放電。只有允許電動(dòng)汽車以合理的價(jià)格對(duì)外放電，私家車市場(chǎng)的大門才會(huì)向電動(dòng)汽車敞開。從我國(guó)富煤貧油少氣的化石能源結(jié)構(gòu)上看，電動(dòng)汽車電能雙向流動(dòng)只是時(shí)間問題。

有關(guān)資料表明，我國(guó)每年新增石油消費(fèi)量的70%以上被新增汽車所消耗[2]，由此可以看出石油行業(yè)對(duì)汽車的重視程度。雖然電動(dòng)汽車用電量不大，未超過全社會(huì)用電量的5%，但是電動(dòng)汽車對(duì)于電力行業(yè)的意義在于汽車電動(dòng)化之后，電動(dòng)汽車可以為電力系統(tǒng)提供豐富、優(yōu)質(zhì)的調(diào)頻調(diào)峰資源。

結(jié)合電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性及其與電力系統(tǒng)關(guān)系的分析可知，汽車電動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)，但其所需的時(shí)間和汽車的正常更替速度有關(guān)，盡管《機(jī)動(dòng)車強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》取消了私家車強(qiáng)制報(bào)廢年限，不過按照成熟市場(chǎng)報(bào)廢汽車占汽車保有量6%～8%[3]計(jì)算，汽車更替的時(shí)間大約是16年。也就是說從電動(dòng)汽車向電網(wǎng)放電的調(diào)度及交易關(guān)系理順起到汽車電動(dòng)化基本完成，大約需要16年。

3 充電樁選擇

1)充電樁類型

充電樁的建設(shè)應(yīng)全力爭(zhēng)取電力系統(tǒng)的支持并獲得民眾的認(rèn)可。只有處于泊車狀態(tài)的電動(dòng)汽車具備持續(xù)插電條件，電力系統(tǒng)才有可能將行駛里程不高的私家電動(dòng)汽車用于調(diào)頻調(diào)峰。再根據(jù)居住地、工作地、目的地均方便充電的要求，車樁比約為1∶3才較為合理。

當(dāng)充電樁的數(shù)量顯著多于電動(dòng)汽車的數(shù)量時(shí)，必須盡可能地降低充電樁的成本。如果是大功率變流器車載，那么充電樁可簡(jiǎn)化近似于三相配電箱，只有這樣，三相交流充電樁才能為電動(dòng)汽車提供廉價(jià)、便利的大功率充電條件；行駛里程低的電動(dòng)汽車才有持續(xù)插電的條件接受電力系統(tǒng)調(diào)度對(duì)外售電；充電服務(wù)費(fèi)才能大幅降低，從而將“以電代油”的收益盡可能多地分享給車主，私家車市場(chǎng)的大門才能向電動(dòng)汽車敞開。

因此，不是電動(dòng)汽車本身，而是電力系統(tǒng)和普通百姓的利益決定了三相交流大功率充電方案才是電動(dòng)汽車充放電的合理方案，這要求充電樁向三相配電箱簡(jiǎn)化、大功率四象限變流器為車載。

2)充電樁功率探討

我國(guó)高速公路上小型車和大型車分別限速120km/h和100km/h，取百公里電耗分別為20kW·h和140kW·h，如果按上限速度行駛4h考慮續(xù)航里程，則動(dòng)力電池容量分別為100kW·h和700kW·h。如果按滿足5min之內(nèi)以10C電流從零開始充入80%的電量考慮充電樁的功率上限，那么小型和大型電動(dòng)汽車的充電功率上限分別不超過1 000kW和7 000kW。

3)充電樁電壓電流探討

交流充電最高可以采用440V電壓和63A電流[4]的接口，功率為48kW；對(duì)于100kW·h的動(dòng)力電池，100min才能從0%充入80%的電量。

對(duì)于100kW·h的動(dòng)力電池，如果考慮導(dǎo)線截面的約束，適當(dāng)將電流提高到150A，三相交流400V、690V和1 200V電壓的功率分別為99kW、179kW和312kW，從0%充入80%的電量分別需要49min、27min和15min。如果考慮交流電壓高于額定10%等因素，1 200V電壓等級(jí)和150A電流電纜可以提供350kW功率，勉強(qiáng)夠小型電動(dòng)汽車快速充電用。

對(duì)于700kW·h的動(dòng)力電池而言，功率為350kW時(shí)從0%充入80%的電量需96min，也就是說要想滿足大型電動(dòng)汽車的快速充電要求，還需進(jìn)一步提高電壓。鑒于10kV配電網(wǎng)已不堪重負(fù)，如果采用20kV電壓，那么在10C充電的電流會(huì)達(dá)到202A，若再采用2根充電槍同時(shí)充電，那么單槍的充電電流可以降到150A以下，則充電接口可以按最大50mm2電纜考慮。

4)全碳化硅變流器

雖然上述探討解決了三相交流樁的功率以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功率的電壓、電流組合，但是如果要避免換電和直流快充的不足來實(shí)現(xiàn)汽車全面電動(dòng)化，還需要合適的電力電子器件支持。碳化硅擊穿電壓的強(qiáng)度約為硅的10，能帶隙、熱導(dǎo)率均約為硅的3倍[5]，碳化硅器件的這些特性使得大功率三相四象限變電流器車載成為可能。

4 對(duì)建筑供電的影響

電動(dòng)汽車對(duì)建筑供電的影響源于其潛在著很高的總體充放電功率及其作為電力系統(tǒng)儲(chǔ)能元件的潛力。在設(shè)計(jì)充電基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，首先從車主用車便利的角度考慮快速充電的需求，其次考慮滿足電力系統(tǒng)利用電動(dòng)汽車調(diào)頻調(diào)峰的需求。

1)對(duì)充電樁供電的影響

綜合考慮滿足電動(dòng)汽車充電和節(jié)能、節(jié)銅等因素，相線截面不宜超過50mm2。

如果要考慮快充需求，即在5min之內(nèi)充入80%電量，那么應(yīng)該采用10C電流充電。對(duì)于100kW電池的小型汽車，10C電流充電的功率為1 000kW。對(duì)于50mm2的電纜，1 200V電壓的輸送功率約為310kW；400V電壓的輸送功率約為100kW。是否采用1 200V電壓還要看電動(dòng)汽車大功率充電的發(fā)展。

如果不考慮快充需求，那么充電電流≥0.25C。對(duì)于100kW電池的小型汽車，0.25C電流充電的功率為25kW，已有車型已能達(dá)到40kW。

總之，充電樁供電線路的導(dǎo)線截面，下限是宜按每根充電槍≥25kW考慮，上限可取50mm2。在目前電動(dòng)汽車處于發(fā)展初期、對(duì)充電方法尚存爭(zhēng)議的特殊階段，選擇變壓器時(shí)可以考慮多個(gè)抽頭。

2)對(duì)配電變壓器容量選擇的影響

對(duì)于負(fù)荷密度低的地區(qū)，滿足至少一輛車能夠快充是設(shè)計(jì)需要注意的問題，即10kV/0.4kV變壓器的容量≥100kVA。

對(duì)于大型停車場(chǎng)，配電變壓器的容量應(yīng)能夠滿足單臺(tái)車快充的需求，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，總變電容量滿足電力系統(tǒng)利用電動(dòng)汽車調(diào)頻調(diào)峰的需求是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題。在滿足單輛汽車快充功率需求與電動(dòng)汽車整體作為電儲(chǔ)能元件功率需求的基礎(chǔ)上，如何利用電動(dòng)汽車的充放電提高供電可靠性、提高配電設(shè)施的利用率，值得進(jìn)一步深入研究，也是設(shè)計(jì)師水平的體現(xiàn)。

5 結(jié)束語

分析我國(guó)的化石能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及汽車市場(chǎng)的飽和度可知，現(xiàn)在是電動(dòng)汽車發(fā)展很好的機(jī)遇期，且建筑供電大致處于電網(wǎng)和電動(dòng)汽車連接處的有利位置，汽車電動(dòng)化對(duì)于建筑供電而言是難得的發(fā)展與市場(chǎng)機(jī)遇。筆者認(rèn)為，以為處理電動(dòng)汽車充電對(duì)建筑供電影響的關(guān)鍵所在：1)充電技術(shù)路線的選擇，本文支持交流三相大功率充放電；2)兼顧電動(dòng)汽車作為交通工具和作為電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰工具，處理好變電容量的匹配。

[1] 2016年全球汽車行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[EB/OL].http://www.chyxx.com/industry/201607/429684.html， 2016-07-11.

[2] 汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)亟需踐行綠色制造[EB/OL].http://www.caam.org.cn/hangye/20150701/1405163599.html. 2015-07-01

[3] 汽車拆解市場(chǎng)蓄勢(shì)待發(fā)[EB/OL].http://stock.jrj.com.cn/2014/08/05003617739412.shtml，2014-08-05.

[4] GB/T20234.2-2015電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第2部分 交流充電接口 [S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5] 性價(jià)比：SiC MOSFET比Si MOSFET不只高出一點(diǎn)點(diǎn)[EB/OL]. http://www.eepw.com.cn/article/281267.htm，2015-10-13.

Discussion on Electric Vehicle Charging and Discharging to Buildings Electric Power Supply

Xu Weihua / Chen shuangyan

The prospects of automotive electrification and the choice of charging pile are introduced, and the influence of automotive electrification on building power supply design is discussed.

electric vehicle charging and discharging, building power supply