為電動汽車構建充電基礎設施

詳盡導語： 全世界對於電動汽車的採納正在迅速增加,相關機構預計每年增長速度將達到32%。但該預測只有在住宅、辦公室和公共場所的充電基礎設施相匹配的情況下才會發生,遺憾的是,衡量要構建的基礎設施規模也非常困難。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202007/415582.htm

簡短導語： 電動汽車的採納率將顯著增加,充電基礎設施必須要保持同步發展。

在本白皮書中,我們將分析電動汽車採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設施提出新的要求。

有關電動汽車的文章通常從令人印象深刻的增長率統計數據開始,並且很樂意談論預計的電動汽車銷售量。 來自國際能源署(IEA)機構 ^[1] 的數據就是一個例子,其發布的數據預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?假設和確定的風險是什麼?經過深入研究,一些出於不同來源的增長數據顯示出很大差異,所引用的銷售數據包含有關電動汽車價格承受能力的變化、未來技術改進、油價、監管激勵措施以及更多「數十個」假設。這些預測還高度依賴中國的市場佔有率,中國在2018年佔全球市場的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] 中的另一組數字顯示,到2030年,美國純電動汽車的總銷量將遠遠少於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預測的十分之一。該數據預測,到2050年及以後,汽油車仍將佔主導地位。因此,也需要考慮這些數據。

影響電動汽車採用率的主要因素

電動汽車目前相對昂貴,因此樂觀的預測假設其價格會隨著銷量和技術改進而下降,但只有當價格下降時,銷量才會增加,這還是回到雞和蛋誰先出現的問題。一些製造商承認,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模式,並會考驗投資者的耐心。政府壓力是另一個驅動因素,需要達到氣候變化的目標,也需要控制汙染水平,世界各地的行政當局已經宣布了在特定日期之前"禁止內燃機(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。汽車製造商也在以同樣方式玩弄文字,他們不會放棄內燃機汽車的製造能力和資產,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變化影響未來電動汽車的使用。儘管近期價格一直相對穩定,但地緣政治以及任何政府補貼都會產生巨大影響。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於20美元(考慮通貨膨脹調整後),那麼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英裡的行駛裡程,約為汽油動力汽車或SUV成本的四分之一。

儘管世界衛生組織報告指出,全球有420萬人因空氣汙染而過早死亡^[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,那麼緩解氣候變化和改善環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計保有量。(來源:EIA)

裡程憂慮

提高電動汽車市場份額的一個障礙是對於充電的擔憂。起初的電動汽車裡程數只有100英裡左右,這使電動汽車適用於只做短途旅行的特定類型司機,需要經常返回充電站為電動汽車充電。目前情況已經好轉,對於較好車型來說,續航裡程已經能夠達到300英裡左右,但焦慮依然存在,主要是認為充電點依然很少。這當然是一個現實情況,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上路行駛。

與加油站相比,充電站似乎數量很少而且彼此距離甚遠,但這只是暫時由供需關係決定。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,則幾乎可以實現兩者均衡,每輛電動汽車都有一個充電點。

顯然,這樣直接的比較並不合適。加油站可以在大約十分鐘內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,在高速公路服務區的「慢速」充電站為電池充電可能會花費數小時,如果所有充電樁都在使用中,而下一個充電站又在數英裡之外,那麼有再多數量的可用充電樁也無濟於事。

每個人都希望相信電動汽車有一個美好的未來前景,我們可以預期,未來基礎設施的建設能夠滿足其中一種發展情況,並希望是正確的一種。但是,由於需求的不確定性以及需要考慮的局部變數,將會出現過於樂觀或者過於悲觀。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年新電動汽車的註冊率僅僅為1.6%^[4]。

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

電力供應問題

雖然電動汽車的裡程問題令人擔憂,但未來的電力供應需要來自那裡呢?目前,電動汽車充電對電網的負荷幾乎沒有太多的增加。據彭博社BNEF ^[5] 預測,到2050年,電動汽車所需電力也將僅佔全球總需求的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,這裡對技術改進也進行了假設。例如,電動車需要把能量從電池轉換到車輪,目前的效率僅為59% ～ 62%,因此預期有相當大的改進空間。內燃機汽車燃料中的化學能轉化為動力的轉換效率僅為17%～21%。迄今引用的電動汽車銷售和能源消耗數字僅與輕型車輛(LDV)有關,如果電動卡車成為現實,上述這些數字可能非常保守。與建設充電站和升級公用事業基礎設施相關的時間表遠遠超出了政府行政條款和直接政治範疇,但公用事業提供商無論如何都會確信電動汽車的長期確定性,並將規劃有足夠的基礎能源供應。因此,隨著基礎設施的不斷擴展以適應不斷增長的總體市場,從發電的環節看,電動汽車充電的9%份額並不是問題。但是,在配電方面,當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體

從歷史上看,夜間電力需求較低,隨著烤麵包機、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生。如果將家用電動汽車充電添加到負荷內,用電模式將發生顯著變化,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的極限,通常比沒有電動汽車的峰值水平要高很多,當然,在24小時內的平均水平也要高得多。隨著越來越多家庭採用電動汽車,當地配電網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。但高壓配電網和發電站不會因此退縮,因為他們也在向工業領域供電,所不同的是工業在不同時間達到峰值。本地供應基礎設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於最終消費者的電力。這些電力是按照用量計費,但將匯總到更高的公用事業級別,其中負載控制包括了家用和工業用載荷,只要這些負荷在硬體額定值範圍內。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絡上。

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公司互動,通過控制臨近社區內電動汽車的充電,可以保持總負載在允許邊界內。這不僅有助於防止超載,而且對公用事業公司來說也有正面的好處。公用事業公司更喜歡平穩的負荷,這樣可以避免電力需求的高峰和低谷,從而無需對發電廠進行昂貴的調整和關閉。在一些地區,公用事業公司通過給與回扣和特別費率,來鼓勵在非尖峰時段進行智能充電。

除了具備一系列智能特性和互聯基礎設施外,無論在車輛內部還是充電基礎設施中設計大功率充電和電池監控系統都面臨一些常見的挑戰,其中許多已經為電力系統設計工程師所熟知,而能源效率、散熱和電源線調節是三大考慮因素。在頻繁發生高功率負載開關的電氣環境中,電源可能會經歷劇烈的高速dv/dt 瞬態,如果這種高壓尖峰得不到充分保護,可能會對連接的設備造成災難性和永久性損壞。對於所有類型的電動汽車充電基礎設施,強烈建議使用如 Bourns Hybrid GMOV 等專業大功率保護設備,它由節省空間的氣體放電管和金屬氧化物變流器組成,採用單個緊湊、低洩漏和長壽命封裝,可提供一種非常可靠的方法來保護任何電路免受過電壓瞬態浪湧的影響。

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並不是所謂的環保綠色,因為這些人認為充電所需的電能最終來自於骯髒的煤炭或燃氣發電機。隨著可再生資源使用量的增加,情況正在發生改變。但沒有太陽時不能實現光伏發電,難以預測的風力同樣使渦輪機發電並不可靠。理想的解決方案是採用一些儲能手段來保障電力供應,但至今沒有完美的解決方案。例如,湖泊中的水力發電只適合某些地形。雖然業內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」能量回電網作為緩衝,以換取你的帳單回扣(見圖4)。

將能量返回電網需要雙向充電器,這些技術已經具備。如果您知道汽車將閒置一段時間,公用事業公司可能會根據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過編程,知道您在何時使用汽車,並在此之前將電動汽車電池充滿電能,並準備出發。

[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%」