為電動汽車構(gòu)建充電基礎(chǔ)設(shè)施

詳盡導(dǎo)語： 全世界對于電動汽車的采納正在迅速增加,相關(guān)機構(gòu)預(yù)計每年增長速度將達到32%。但該預(yù)測只有在住宅、辦公室和公共場所的充電基礎(chǔ)設(shè)施相匹配的情況下才會發(fā)生,遺憾的是,衡量要構(gòu)建的基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模也非常困難。

簡短導(dǎo)語： 電動汽車的采納率將顯著增加,充電基礎(chǔ)設(shè)施必須要保持同步發(fā)展。

在本白皮書中,我們將分析電動汽車采用率的提升會如何對建有充電站的公共停車場、辦公室或家中等配電基礎(chǔ)設(shè)施提出新的要求。

有關(guān)電動汽車的文章通常從令人印象深刻的增長率統(tǒng)計數(shù)據(jù)開始,并且很樂意談?wù)擃A(yù)計的電動汽車銷售量。 來自國際能源署(IEA)機構(gòu) ^[1] 的數(shù)據(jù)就是一個例子,其發(fā)布的數(shù)據(jù)預(yù)測全球電動乘用車保有量(global stock)將從2018年的500萬輛增加到2030年的約2.5億輛,屆時年銷量約為4400萬輛。這是一種典型的EV30@30場景,即到2030年,所有電動汽車中的30%(兩輪車除外)將各擁有30%的全球市場份額(見圖1),該圖包括混合動力和純電動汽車、公共汽車和卡車。因此,電動汽車的市場吸引力依舊很強,但也必須進行實際的合理性檢查:這種增長軌跡上的誤差到底有多大?假設(shè)和確定的風(fēng)險是什么?經(jīng)過深入研究,一些出于不同來源的增長數(shù)據(jù)顯示出很大差異,所引用的銷售數(shù)據(jù)包含有關(guān)電動汽車價格承受能力的變化、未來技術(shù)改進、油價、監(jiān)管激勵措施以及更多“數(shù)十個”假設(shè)。這些預(yù)測還高度依賴中國的市場占有率,中國在2018年占全球市場的45%,而歐洲為24%,美國為22%。美國能源信息署(EIA)的《2020年年度能源展望》 ^[2] 中的另一組數(shù)字顯示,到2030年,美國純電動汽車的總銷量將遠遠少于100萬輛,如果按地域劃分的市場份額百分比保持不變,則不到IEA預(yù)測的十分之一。該數(shù)據(jù)預(yù)測,到2050年及以后,汽油車仍將占主導(dǎo)地位。因此,也需要考慮這些數(shù)據(jù)。

影響電動汽車采用率的主要因素

電動汽車目前相對昂貴,因此樂觀的預(yù)測假設(shè)其價格會隨著銷量和技術(shù)改進而下降,但只有當(dāng)價格下降時,銷量才會增加,這還是回到雞和蛋誰先出現(xiàn)的問題。一些制造商承認,為了刺激市場,每售出一輛車都會虧損,但這不是一個好的商業(yè)模式,并會考驗投資者的耐心。政府壓力是另一個驅(qū)動因素,需要達到氣候變化的目標,也需要控制污染水平,世界各地的行政當(dāng)局已經(jīng)宣布了在特定日期之前"禁止內(nèi)燃機(ICE)"的目標。這種標題給人留下深刻印象,但往往意味著禁止只使用ICE的車輛,而混合動力車則無限制日期。汽車制造商也在以同樣方式玩弄文字,他們不會放棄內(nèi)燃機汽車的制造能力和資產(chǎn),而去承諾100%的電動汽車。未來有一天如果他們承諾,實際意味著100%全電動或混合動力汽車。

油價通過其自身的動態(tài)變化影響未來電動汽車的使用。盡管近期價格一直相對穩(wěn)定,但地緣政治以及任何政府補貼都會產(chǎn)生巨大影響。目前的原油價格約為54美元,如果像1998年那樣,原油價格每桶再次跌至低于20美元(考慮通貨膨脹調(diào)整后),那么消費者可能會再次考慮電動汽車的運行成本。目前,電動汽車每一美元的電力可獲得約43英里的行駛里程,約為汽油動力汽車或SUV成本的四分之一。

盡管世界衛(wèi)生組織報告指出,全球有420萬人因空氣污染而過早死亡^[3]。如果電動汽車的購買和運營成本高昂,沒有動力促使人們放棄使用ICE,那么緩解氣候變化和改善環(huán)境的爭論就可能會減弱。

圖1:2018年至2030年全球所有電動汽車的預(yù)計保有量。(來源:EIA)

里程憂慮

提高電動汽車市場份額的一個障礙是對于充電的擔(dān)憂。起初的電動汽車里程數(shù)只有100英里左右,這使電動汽車適用于只做短途旅行的特定類型司機,需要經(jīng)常返回充電站為電動汽車充電。目前情況已經(jīng)好轉(zhuǎn),對于較好車型來說,續(xù)航里程已經(jīng)能夠達到300英里左右,但焦慮依然存在,主要是認為充電點依然很少。這當(dāng)然是一個現(xiàn)實情況,即便借用另一臺路過的Good Samaritan備用電池,一個因電池電量耗盡而擱淺的電動汽車仍不能恢復(fù)上路行駛。

與加油站相比,充電站似乎數(shù)量很少而且彼此距離甚遠,但這只是暫時由供需關(guān)系決定。在美國,大約有2.7億輛汽車和15萬個加油站,平均每個加油站有8臺油泵,每臺泵約服務(wù)225臺汽車。相比之下,全球有大約500萬輛電動汽車,約410,000個公共充電樁,平均每個充電樁服務(wù)12輛電動汽車,可用性是燃油汽車的18倍!如果將辦公室和家庭充電點考慮在內(nèi),則幾乎可以實現(xiàn)兩者均衡,每輛電動汽車都有一個充電點。

顯然,這樣直接的比較并不合適。加油站可以在大約十分鐘內(nèi)重新加滿一個汽油箱,如果需要簡短的休息,或者從便利店買一罐蘇打水,大約需要15分鐘。但是,在高速公路服務(wù)區(qū)的“慢速”充電站為電池充電可能會花費數(shù)小時,如果所有充電樁都在使用中,而下一個充電站又在數(shù)英里之外,那么有再多數(shù)量的可用充電樁也無濟于事。

每個人都希望相信電動汽車有一個美好的未來前景,我們可以預(yù)期,未來基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)能夠滿足其中一種發(fā)展情況,并希望是正確的一種。但是,由于需求的不確定性以及需要考慮的局部變數(shù),將會出現(xiàn)過于樂觀或者過于悲觀。但可以確定,在未來幾年中,挪威約有60%的新車銷售將是電動汽車,在未來幾年中將比英國部屬更多的充電站,英國在2019年新電動汽車的注冊率僅僅為1.6%^[4]。

圖2:在BAU應(yīng)用場景,以及成本逐漸下降的情況下,到2050年BAU價格達到只有現(xiàn)在的40%,美國電動LDV的年電力需求。(資料來源:Energy Innovation)

電力供應(yīng)問題

雖然電動汽車的里程問題令人擔(dān)憂,但未來的電力供應(yīng)需要來自那里呢?目前,電動汽車充電對電網(wǎng)的負荷幾乎沒有太多的增加。據(jù)彭博社BNEF ^[5] 預(yù)測,到2050年,電動汽車所需電力也將僅占全球總需求的9%,與2018年相比,增長了57%。在美國,到2050年,電動汽車的充電能量需求將達到800～900太瓦小時,而總電力消耗量約為30,000太瓦小時。

同樣,這里對技術(shù)改進也進行了假設(shè)。例如,電動車需要把能量從電池轉(zhuǎn)換到車輪,目前的效率僅為59% ～ 62%,因此預(yù)期有相當(dāng)大的改進空間。內(nèi)燃機汽車燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動力的轉(zhuǎn)換效率僅為17%～21%。迄今引用的電動汽車銷售和能源消耗數(shù)字僅與輕型車輛(LDV)有關(guān),如果電動卡車成為現(xiàn)實,上述這些數(shù)字可能非常保守。與建設(shè)充電站和升級公用事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的時間表遠遠超出了政府行政條款和直接政治范疇,但公用事業(yè)提供商無論如何都會確信電動汽車的長期確定性,并將規(guī)劃有足夠的基礎(chǔ)能源供應(yīng)。因此,隨著基礎(chǔ)設(shè)施的不斷擴展以適應(yīng)不斷增長的總體市場,從發(fā)電的環(huán)節(jié)看,電動汽車充電的9%份額并不是問題。但是,在配電方面,當(dāng)您靠近汽車的充電電纜準備充電時,情況就不同了。

圖3:高壓配電將能夠提供電動汽車充電的電力。

滿足未來電動汽車充電需求的配電硬件

從歷史上看,夜間電力需求較低,隨著烤面包機、電淋浴和其他家用電器在早上7點左右開始使用,負荷會快速增大。在傍晚時分,炊具、加熱/冷卻電器開始最大負荷運行,這種峰值情況再次發(fā)生。如果將家用電動汽車充電添加到負荷內(nèi),用電模式將發(fā)生顯著變化,負載會在夜間達到峰值,以便電動汽車能夠做好早晨通勤準備。標準家用充電器可能為 3 或 7kW,需要 6 到 12 小時才能充滿 EV,而插電式混合動力電動汽車(PHEV)則需要 2 ～ 4 小時,這僅僅與晚上運行一兩個高功率加熱器類似。但快速充電器的額定功率可達22kW左右,這接近家用電力供應(yīng)的極限,通常比沒有電動汽車的峰值水平要高很多,當(dāng)然,在24小時內(nèi)的平均水平也要高得多。隨著越來越多家庭采用電動汽車,當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)會馬上感受到額外壓力,將中等水平電壓降至家用水平的變壓器會大聲鳴叫。但高壓配電網(wǎng)和發(fā)電站不會因此退縮,因為他們也在向工業(yè)領(lǐng)域供電,所不同的是工業(yè)在不同時間達到峰值。本地供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施可能是第一個瓶頸,也有因地而異的顯著差異。例如,城市公寓可能有停車位,但電動汽車供電不會直接來自于最終消費者的電力。這些電力是按照用量計費,但將匯總到更高的公用事業(yè)級別,其中負載控制包括了家用和工業(yè)用載荷,只要這些負荷在硬件額定值范圍內(nèi)。路邊和公共快速充電點也是如此,這些充電點負載更是直接連在高壓網(wǎng)絡(luò)上。

電動汽車充電器具備足夠的智能,能夠控制充電速率,因此電池在計劃的時間內(nèi)即可準備就緒,擁有所需的電力,但他們卻對電源的其他需求一無所知。智能充電器卻能夠與公用事業(yè)公司互動,通過控制臨近社區(qū)內(nèi)電動汽車的充電,可以保持總負載在允許邊界內(nèi)。這不僅有助于防止超載,而且對公用事業(yè)公司來說也有正面的好處。公用事業(yè)公司更喜歡平穩(wěn)的負荷,這樣可以避免電力需求的高峰和低谷,從而無需對發(fā)電廠進行昂貴的調(diào)整和關(guān)閉。在一些地區(qū),公用事業(yè)公司通過給與回扣和特別費率,來鼓勵在非高峰時段進行智能充電。

除了具備一系列智能特性和互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施外,無論在車輛內(nèi)部還是充電基礎(chǔ)設(shè)施中設(shè)計大功率充電和電池監(jiān)控系統(tǒng)都面臨一些常見的挑戰(zhàn),其中許多已經(jīng)為電力系統(tǒng)設(shè)計工程師所熟知,而能源效率、散熱和電源線調(diào)節(jié)是三大考慮因素。在頻繁發(fā)生高功率負載開關(guān)的電氣環(huán)境中,電源可能會經(jīng)歷劇烈的高速dv/dt 瞬態(tài),如果這種高壓尖峰得不到充分保護,可能會對連接的設(shè)備造成災(zāi)難性和永久性損壞。對于所有類型的電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施,強烈建議使用如 Bourns Hybrid GMOV 等專業(yè)大功率保護設(shè)備,它由節(jié)省空間的氣體放電管和金屬氧化物變流器組成,采用單個緊湊、低泄漏和長壽命封裝,可提供一種非?？煽康姆椒▉肀Ｗo任何電路免受過電壓瞬態(tài)浪涌的影響。

圖4:太陽能可以存儲在電動汽車電池中。

可再生能源的共贏策略

長期以來,對電動汽車的一個反對意見是它們并不是所謂的環(huán)保綠色,因為這些人認為充電所需的電能最終來自于骯臟的煤炭或燃氣發(fā)電機。隨著可再生資源使用量的增加,情況正在發(fā)生改變。但沒有太陽時不能實現(xiàn)光伏發(fā)電,難以預(yù)測的風(fēng)力同樣使渦輪機發(fā)電并不可靠。理想的解決方案是采用一些儲能手段來保障電力供應(yīng),但至今沒有完美的解決方案。例如,湖泊中的水力發(fā)電只適合某些地形。雖然業(yè)內(nèi)有一些很有前途的想法,如在基巖(bedrock,)儲存壓縮氣體,一種可能性是使用電動汽車的組合電池“借”能量回電網(wǎng)作為緩沖,以換取你的賬單回扣(見圖4)。

將能量返回電網(wǎng)需要雙向充電器,這些技術(shù)已經(jīng)具備。如果您知道汽車將閑置一段時間,公用事業(yè)公司可能會根據(jù)他們的需要利用您的汽車電池進行能量的提取和存儲,而不會影響您的使用,因為智能充電器已經(jīng)過編程,知道您在何時使用汽車,并在此之前將電動汽車電池充滿電能,并準備出發(fā)。

[1]   國際能源署(IEA)(2019),“全球電動汽車展望2019” ,國際能源署,巴黎

[5]   彭博社BNEF Blog: “全球電力需求到2050年將增長57%”