宋喜秀

充電樁簡稱電樁，又稱充電栓、充電槍、充電艙、加電槍、電螞蟻，其功能類似于加油機(jī)，是一種與電網(wǎng)配電的用電側(cè)電能補(bǔ)充裝置。充電樁由輸入端、輸出端及操作控制系統(tǒng)組成，電能從輸入端輸入，通過控制顯示系統(tǒng)變成可以測量、可以顯示、可以控制的充電電源，從輸出端輸出到電動汽車的電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，簡稱BMS)，與車載電池組對接互動。充電樁結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了其安裝應(yīng)用過程的復(fù)雜性：

首先，是自動化通信技術(shù)的先進(jìn)性。操作系統(tǒng)與電源、電池的雙向通信過程，對信息數(shù)據(jù)的傳輸速率要求越來越高；業(yè)務(wù)量與日俱增，對控制顯示終端的擴(kuò)展性要求越來越多；運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，高強(qiáng)度的電磁波和環(huán)境噪音長期干擾，對系統(tǒng)的可靠性要求越來越細(xì)。

其次，是基礎(chǔ)性建設(shè)項(xiàng)目的長期性。充電樁一般安裝在商場、公共停車場等車流量較大的公共建筑、居民小區(qū)停車場或充電站內(nèi)，需保障安全、長期維護(hù)。

最后，是整體性價格體系的合理性。供電的電網(wǎng)所有方、裝樁的電樁投資方、供地的場地出租方、用電的車輛持有人，應(yīng)該合理分?jǐn)傠姌兜陌惭b應(yīng)用成本。

與充電樁安裝應(yīng)用過程的復(fù)雜性相對應(yīng)的是亟待解決的系統(tǒng)性的老大難問題：充電裝置定型難、充電場地定點(diǎn)難、充電收費(fèi)定價難。

1 充電裝置定型難

充電樁輸出充電電源，屬于常規(guī)的傳導(dǎo)充電，有交流與直流2種基本類型。傳導(dǎo)充電過程控制又有連續(xù)電流充電與脈沖電流充電兩種模式。其中，連續(xù)電流充電結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，應(yīng)用較為普遍。

連續(xù)電流充電按電流大小不同細(xì)分為慢充、快充2種技術(shù)路線，以標(biāo)稱容量為1C的電池為例，0.1～0.2C的充電電流為慢充，0.2C以上的充電電流為快充，0.8C的充電電流則為超快速充電。為了規(guī)范充電流程，保證充電安全，國家制定了GB/T18487.1-2015《電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)一般要求》和GB/T20234.2-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電接口》汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 交流充電樁

交流充電樁是安裝在電動汽車車外、與交流電網(wǎng)連接，為電動汽車車載充電機(jī)提供交流電源的供電裝置。交流充電樁可以同時具備計量計費(fèi)功能和安全防護(hù)功能。其工作原理見圖1。

圖1 交流充電樁

交流充電樁由主電路、控制電路及顯示窗口、傳感器和通訊接口等3部分組成。其中，主電路是充電樁的配電系統(tǒng)，負(fù)責(zé)交流電源與充電接口之間的連接與切斷；控制電路由PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)及其功能擴(kuò)展模塊組成，實(shí)施充電樁正常運(yùn)行控制、各功能塊的保護(hù)、故障檢測及處理、記錄充電參數(shù)，顯示充電過程信息及用戶充電金額等信息；傳感器和通訊接口則用于采集和監(jiān)控電壓、電量、頻率和有功功率等數(shù)據(jù)參數(shù)。

交流充電樁的本質(zhì)是一個控制電源——只提供電力輸出，沒有充電功能，而是通過連接車載充電機(jī)為電動汽車充電。而車載充電機(jī)受車身空間限制，功率十分有限，因?yàn)椴荒軐?shí)現(xiàn)快速充電，俗稱為“慢充”。

1.2 直流充電樁

直流充電樁(如圖2)安裝在車外的機(jī)柜里，將經(jīng)過轉(zhuǎn)換的直流電能輸送到電動汽車的充電接口，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為蓄電池的化學(xué)能儲存起來。與交流充電樁相比，直流充電樁在同樣的通信功能基礎(chǔ)上，增加了將輸入端的交流電轉(zhuǎn)換為直流電的整流功能和調(diào)節(jié)直流電功率的功率轉(zhuǎn)換功能——根據(jù)充電樁和車載BMS之間的通訊，功率轉(zhuǎn)換器能在線調(diào)節(jié)直流充電功率，并通過顯示器即時顯示充電電壓、充電電流、充電量和充電費(fèi)用等。同時，按照GB/T18487.1-2015《電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)一般要求》規(guī)定，充電樁還設(shè)置有一個鎖止杠桿類的鎖緊裝置，以利于插入和取出插頭，提供一個確定鎖緊的信號，以確保充電安全。

直流充電樁一般采用三相四線制供電(AC380V±15%，頻率50 Hz)，可以提供足夠的功率，輸出的電壓和電流調(diào)整范圍大，可以實(shí)現(xiàn)相對快充的要求。

不論是交流充電樁，還是直流充電樁，在對動力電池充電時，都必須對充電電壓、電流進(jìn)行安全防護(hù)。以鋰離子電池為例，一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電池芯外，都會有一片保護(hù)板，這片保護(hù)板主要就是提供供電電壓上限、放電電壓下限及過載電流上限三項(xiàng)保護(hù)。一旦電池外殼破裂，就會發(fā)生爆炸。充電時必須控制電壓上限，因?yàn)殇囯姵剡^充到電壓高于4.2 V后，正極材料內(nèi)游走到負(fù)極的離子數(shù)目過半，剩下的鋰離子數(shù)量不到一半，此時儲存格很容易垮掉，使電池容量產(chǎn)生永久性的下降；電流過大時，鋰離子來不及進(jìn)入儲存格，會在獲得電子后在材料表面聚集，產(chǎn)生鋰原子結(jié)晶，這與過充一樣，也是一種安全隱患。

因?yàn)橐骖櫺阅芘c安全，所以，充電裝置定型難。一方面，電子技術(shù)與日俱進(jìn)，產(chǎn)品升級日新月異，智能通信技術(shù)的先進(jìn)性更是水漲船高，定型投產(chǎn)很容易未老先衰，一不小心就會淪落成落后產(chǎn)能；另一方面，國產(chǎn)動力電池技術(shù)還不夠成熟，電動汽車市場也正在發(fā)育，充電樁先入為主，確實(shí)有長期閑置甚至淘汰的市場風(fēng)險。因此，目前的充電樁主要是直流充電樁、交流充電樁和交直流一體充電樁3個基本型，根據(jù)不同的電壓等級為各種型號的電動汽車充電。無線充電及超快速充電的超級充電模式，還未形成氣候。

2 充電場地定點(diǎn)難

圖2 直流充電樁

圖3 國家電網(wǎng)興建的充電站

圖4 特斯拉超級充電樁

充電樁的安裝成本主要來自3方面：機(jī)器、場地和基本建設(shè)。機(jī)器即充電樁的成本構(gòu)成比較簡單，特別是交流充電樁，只是一種控制電源的基本配置，沒有充電模塊，所以，成本只有數(shù)千元；基建費(fèi)用因場地、規(guī)模和功能不同而有所差別，但其支出項(xiàng)目都是屈指可數(shù)、有據(jù)可查的；最難運(yùn)作和控制的是場地費(fèi)用。

顯而易見，充電樁必須安裝在那些最熱鬧、最便捷的地方，才能物有所值。但是，無利不起早，這些最熱鬧、最便捷的地方寸土寸金，“土豪”們也想通過出租場地的方式動一動“新能源蛋糕”的奶酪。就這樣，居高不下的地價不僅加重了房地產(chǎn)市場的泡沫，也使充電樁運(yùn)營商“壓力山大”。

解決充電場地定點(diǎn)難，路在何方？

⑴政府主導(dǎo)，國企先行。鼓勵國家電網(wǎng)(如圖3)、公交公司、國有房企等有條件的國有企業(yè)投資公共事業(yè)，建設(shè)公用充電樁、充電站。圖3是國家電網(wǎng)投資興建的充電站。

⑵公私合營，取長補(bǔ)短。以國有資本的先天優(yōu)勢，低成本取得公共資源，以股份公司模式規(guī)范運(yùn)營。這是大規(guī)模經(jīng)營充電樁的一種有效途徑之一。

⑶招商引資，以點(diǎn)帶面。制定一系列優(yōu)惠政策吸引投資，放水養(yǎng)魚?？偛吭O(shè)在美國加州硅谷地帶的特斯拉(Tesla)汽車公司，是世界上第一個采用鋰離子電池的電動車公司，就在中國的百余座城市布局有近400個超級充電樁(如圖4)和1 300多個目的地充電樁，覆蓋了大半個中國，基本滿足了特斯拉車主的長途充電需求。

⑷規(guī)劃引領(lǐng)，重新規(guī)范。制定《電動汽車充電設(shè)施布點(diǎn)規(guī)劃》，要求新建的商務(wù)辦公樓、住宅小區(qū)、酒店賓館、超市賣場等民用建筑工程項(xiàng)目和自走式城市公共停車場，按停車位總數(shù)的一定比例，配建充電樁位或預(yù)留充電設(shè)施接口。

⑸隨機(jī)應(yīng)變，自給自足。開發(fā)適合家庭及小區(qū)安裝的家用充電設(shè)施和能夠應(yīng)急的移動充電器。如采用機(jī)動、電動雙?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的插電式混合動力汽車(如圖5)，就可以依靠外接單相電源(AC220V±15%，頻率50 Hz)直接進(jìn)行補(bǔ)充。

在社會各界的共同努力下,一個以公用充電樁為主、專用充電樁為輔、家用充電樁為補(bǔ)充和車載移動充電裝置應(yīng)急的“3+1” 充電解決方案正在應(yīng)運(yùn)而生。

3 充電收費(fèi)定價難

圖5 混合動力充電原理

圖6 脈沖電流充電

一個充電樁，利益連三方——電網(wǎng)所有方、電樁投資方、場地出租方形成的三角形利益共同體，使充電收費(fèi)科目繁多，價格高企。電力供應(yīng)的充電費(fèi)是國家電網(wǎng)必須收的，電樁運(yùn)行的服務(wù)費(fèi)是項(xiàng)目運(yùn)營應(yīng)該收的，停車場地的停車費(fèi)是有關(guān)部門批準(zhǔn)收的……水漲船高的結(jié)果，使新能源汽車的節(jié)能降耗優(yōu)勢開始面臨挑戰(zhàn)，為此，各地為控制電動汽車車主的充電費(fèi)用負(fù)擔(dān)，紛紛規(guī)定了費(fèi)用上限。但是，規(guī)定費(fèi)用上限只是權(quán)宜之計，隨著政府補(bǔ)貼機(jī)制的退出，充電收費(fèi)定價難問題還要靠產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部消化。特斯拉公司對中國區(qū)新客戶的優(yōu)惠政策已經(jīng)開始退坡——從2017年1月15日開始，新購買特斯拉汽車的用戶每年在享受免費(fèi)充電行駛1 000英里(約合1 609 km)后，繼續(xù)使用超級充電站將按照1.8元/kWh付費(fèi)。

事實(shí)上，除了費(fèi)用負(fù)擔(dān)，電動汽車車主的充電負(fù)擔(dān)還有消耗在排隊、慢充、停車方面的時間成本：短期補(bǔ)電不放心，慢充多付停車費(fèi)。特別是重型電動作業(yè)車——車身負(fù)擔(dān)重，行程相對短，電能負(fù)荷大，充電難充滿。脈沖充電和無線充電能夠大幅度降低電動汽車的充電時間周期。

3.1 脈沖充電

脈沖充電是一種效率更高的傳導(dǎo)充電模式。傳導(dǎo)控制系統(tǒng)采用智能控制算法實(shí)施對充電電流脈沖寬度T1、間歇脈沖時間T2、放電電流脈沖T3的分段調(diào)節(jié)(如圖6)，以消除被充電電池組的電極化現(xiàn)象，減少大電流充電產(chǎn)生的熱量，使電池組時刻處于較佳的電流接受狀態(tài)，提高充電速度和充電效率。特斯拉超級充電站就是從太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)輸入電能，以脈沖電流充電模式進(jìn)行超快速充電的一種超級快速充電站。

3.2 無線充電

與有線充電相比，無線充電省略了充電接口，增加了接收線圈。目前有4條技術(shù)路線。

一是電磁感應(yīng)。變壓器就是利用電磁感應(yīng)原理把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍?，又把磁能變回電能，進(jìn)行能量傳遞的。把變壓器的2個繞組分離開來，就是一種無線供電設(shè)施(如圖7)。當(dāng)然，2個繞組簡單分離后，因?yàn)橹虚g沒有高磁導(dǎo)率磁芯介質(zhì)，電源發(fā)射線圈發(fā)射的磁力線會嚴(yán)重發(fā)散，而且，2個繞組相距越遠(yuǎn)，磁能損失越嚴(yán)重，所以，不適合大功率、遠(yuǎn)距離的無線充電。

二是光電耦合。以光的形式傳遞電能，到達(dá)目的地后，再將光能轉(zhuǎn)化為電能。光電轉(zhuǎn)換技術(shù)比較直觀，但也有技術(shù)缺陷——遇到障礙物會被反射，必須直來直去。

三是磁共振。利用共振原理，在2個振動頻率相同的感應(yīng)線圈之間傳遞能量。與電磁感應(yīng)方式相比，磁共振方式無須2個線圈位置吻合，可以延長傳輸距離。韓國魚尾市于2013年8月修建的12千米長的“充電馬路”，就是利用磁共振原理，實(shí)現(xiàn)了移動充電。電動公交車可以邊行駛邊充電，不需使用車頂?shù)碾娎|，也不用去專門充電站沖電。

四是無線電波方式。主要由微波發(fā)射裝置、微波接收裝置及微波轉(zhuǎn)化成直流電的轉(zhuǎn)化裝置組成。最理想的發(fā)射裝置是來自太空的太陽能發(fā)電站。

因?yàn)闊o線充電會產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，當(dāng)人或動物位于電動汽車和充電裝置之間時，有可能受到電磁傷害，所以注意和規(guī)范無線充電系統(tǒng)的電磁安全問題，也是必須的。

充電收費(fèi)定價難，難在鐵三角的利益平衡上。各方利益主體應(yīng)該從國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度出發(fā)，去掉不合理的利益杠桿，為新能源汽車的長足發(fā)展創(chuàng)造一個更加公平合理的充電收費(fèi)空間，更加迅速高效的時間周期。

電動汽車和充電樁，就好比是推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的2個輪子，有車沒樁或有樁沒車，都不會成功。只有將充電裝置定型難、充電場地定點(diǎn)難、充電收費(fèi)定價難等老大難問題各個擊破，電動汽車和充電樁相輔相成的閉環(huán)系統(tǒng)才能形成良性循環(huán)，才能相得益彰。

圖7 無線充電原理圖