崔繼慧

電動(dòng)汽車充電設(shè)施與發(fā)展現(xiàn)狀研究＊

崔繼慧

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)信息學(xué)院，北京 100070）

全球性能源危機(jī)和環(huán)境污染促進(jìn)了世界各國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，完善的充電基礎(chǔ)設(shè)施是電動(dòng)汽車普及的重要保障。介紹了電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，包括分散式充電樁、集中式充換電站和無線充電設(shè)施。介紹了充電設(shè)施的概念、工作原理和依托技術(shù)等，其中，充電站的充電模式包括交流充電設(shè)備、快速充電設(shè)備和快速電池更換設(shè)備，無線充電技術(shù)主要包括電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式和電波式三種無線電能傳輸技術(shù)。最后介紹了電動(dòng)汽車充電設(shè)施的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出推進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是當(dāng)前的緊迫任務(wù)。

電動(dòng)汽車；分散式充電樁；集中式充換電站；無線充電設(shè)施

1 引言

在全球能源短缺和環(huán)境嚴(yán)重污染的情況下，各國(guó)都開始大力推進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展。從現(xiàn)有的技術(shù)來看，推進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展可以降低交通污染，由于電動(dòng)汽車是由電能驅(qū)動(dòng)車輛行駛的，不會(huì)產(chǎn)生CO、HC、PM等有害氣體，即使電能生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生有害氣體，但可以通過太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能等可再生資源來代替，所以電動(dòng)汽車越來越受到人們的青睞。而且據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析可知，新能源汽車的產(chǎn)量、銷售量都比上一年同期增長(zhǎng)了很多，電動(dòng)汽車逐漸成為乘車市場(chǎng)中重要的一員。

從目前來看，缺乏公用充電設(shè)施以及自用充電設(shè)施正在成為電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用中的限制因素。同時(shí)，電動(dòng)汽車由于續(xù)駛里程較低，其需要的充電次數(shù)一般明顯多于普通汽車加油次數(shù)，且充電時(shí)間一般多于加油時(shí)間。為了最大限度發(fā)揮電動(dòng)汽車減少環(huán)境污染的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)電動(dòng)汽車廣泛使用，需要研發(fā)并合理地布置充電設(shè)施，使電動(dòng)汽車能夠方便、及時(shí)地補(bǔ)充電能。目前正在開發(fā)或者使用的電動(dòng)汽車充電設(shè)施主要包括分散式充電樁、集中式充換電站和無線充電設(shè)施。

2 電動(dòng)汽車充電設(shè)施介紹

2.1 電動(dòng)汽車分散式充電樁

分散式充電樁[1]包括私人充電樁和公共充電樁。私人充電樁的建設(shè)位置固定，車樁按照1∶1配置，不需要規(guī)劃。公共充電樁建設(shè)場(chǎng)所有居民區(qū)、辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)和休閑娛樂區(qū)等功能區(qū)的停車位。充電樁主要由樁體、電氣模塊、計(jì)量模塊等組成，一般為交流式和直流式兩種充電模式[2]。

分散式充電樁主要有三個(gè)特點(diǎn)：①在建設(shè)用地方面，分散式充電設(shè)施不需要單獨(dú)征地，在小區(qū)停車場(chǎng)、辦公樓停車場(chǎng)等停車區(qū)域都可以建設(shè)，可充分利用空間資源；②在電網(wǎng)影響方面，分散充電設(shè)施主要由慢速充電樁組成，充電電流約為15 A，對(duì)電網(wǎng)的沖擊比較小；③投資方面，分散式充電設(shè)施依靠停車場(chǎng)建設(shè)，不存在征地費(fèi)用問題，并且對(duì)技術(shù)要求較低，容易實(shí)現(xiàn)，投資小。

2.2 電動(dòng)汽車集中式充換電站

電動(dòng)汽車集中式充換電站[3]是由三個(gè)及以上電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)（或）交流充電樁組成（至少有一臺(tái)非車載充電機(jī)），可以為電動(dòng)汽車提供充電和（或）更換電池服務(wù)，并通過一系列結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備相互配合，從而滿足廣大用戶需求的一種充電設(shè)施，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。目前較為成熟的充電站主要包括三種充電模式：交流充電設(shè)備、快速充電設(shè)備（非車載充電機(jī)）、快速更換電池設(shè)備。

圖1 充電站結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 交流充電設(shè)備

交流電充電樁，是一種通用性最高的落地式充電設(shè)備，占地面積不超過0.4 m2，具有投資小、易安裝、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。通過聚電樁APP，可實(shí)現(xiàn)查找、預(yù)約、充電組態(tài)現(xiàn)實(shí)監(jiān)控的功能，此外通過聚電充電樁管理平臺(tái)，將現(xiàn)實(shí)中的充電樁與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，分享充電設(shè)備，這樣不僅提高了充電樁的使用率，也解決了充電站車位空置和占有率低的問題。但是交流充電樁的充電速度較慢，一般充電時(shí)間為5～12 h。

2.2.2 快速充電設(shè)備

快速充電設(shè)備（非車載充電機(jī)）是由充電設(shè)備控制系統(tǒng)與BMS（電池管理系統(tǒng)）對(duì)充電過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，適時(shí)根據(jù)電池狀態(tài)和電池信息調(diào)整充電電壓、電流，直至完成充電的一種設(shè)備。快速充電站可為多臺(tái)電動(dòng)汽車同時(shí)快速充電，按小型轎車充電電流3C（C為電池容量）計(jì)算，理論快充時(shí)間僅需20 min，按充電電流0.3C計(jì)算，充電時(shí)間約為3～4 h。

2.2.3 快速更換電池設(shè)備

快速更換電池設(shè)備（簡(jiǎn)稱換電站）是利用大容量充電能力的充電站，連續(xù)為電池組充電，并將充滿電的電池進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)車輛需要充電時(shí)，只需進(jìn)站更換電池組就可完成充電，換下的電池留在換電站繼續(xù)充電，這樣可以省去原本較長(zhǎng)的充電等待時(shí)間。

2.3 電動(dòng)汽車無線充電設(shè)施

無線充電設(shè)施利用耦合的電磁場(chǎng)為媒介實(shí)現(xiàn)電能傳遞，車輛在道路上行駛的過程中能通過無線設(shè)備補(bǔ)充電能，無線充電設(shè)備可以充分利用車輛行駛時(shí)間進(jìn)行充電。目前無線充電技術(shù)主要包括三種無線電能傳輸技術(shù)：電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式和電波式[5]。

2.3.1 電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指導(dǎo)體在變化的磁通量中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，若將此導(dǎo)體合成一個(gè)回路，則產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)會(huì)驅(qū)動(dòng)電子流動(dòng)并形成感應(yīng)電流。電磁感應(yīng)式無線電能傳輸（ICPT）系統(tǒng)基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能輸送，將空氣作為介質(zhì)，使能量從初級(jí)側(cè)通過空氣輸送至次級(jí)側(cè)。

2.3.2 磁耦合共振式無線電能傳輸技術(shù)

使用“磁耦合共振”原理可以實(shí)現(xiàn)磁耦合共振式無線電能傳輸。在感應(yīng)場(chǎng)中，磁場(chǎng)能量在輻射源附近和它內(nèi)部之間循環(huán)往復(fù)地來回傳遞，并且借助這種現(xiàn)象，將電磁共振技術(shù)應(yīng)用于研究生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)射裝置中。發(fā)射裝置空間附近匯聚了大量未向外界輻射的交磁，而系統(tǒng)中的電容則束縛住了電場(chǎng)，使得它未向外界產(chǎn)生輻射的交磁。磁耦合共振式無線電能傳輸技術(shù)是一種在電磁場(chǎng)中使用高頻磁共振作為彼此傳輸能量而不輻射到外部的裝置的工具。

2.3.3 電波式無線電能傳輸技術(shù)

電波式無線電能傳輸技術(shù)也稱為射頻或微波（頻率范圍為300 MHz～300 GHz）WPT，它以微波為載體實(shí)現(xiàn)電能傳輸。在通過調(diào)節(jié)電路處理電能之后，再將電能供給負(fù)載。

3 國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r

3.1 電動(dòng)汽車充電站發(fā)展現(xiàn)狀

2013年美國(guó)發(fā)布了《工作場(chǎng)所充電計(jì)劃》，預(yù)計(jì)到2018年在工作場(chǎng)所建設(shè)20 000個(gè)充電設(shè)施。2016年，據(jù)美國(guó)能源署統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，美國(guó)已建成14 300家電動(dòng)汽車充電站，36 000個(gè)充電網(wǎng)點(diǎn)。2016年，美國(guó)能源部宣布提供45億美元的擔(dān)保貸款來開發(fā)可再生能源項(xiàng)目，其中包括電動(dòng)汽車充電站項(xiàng)目，目的是打造全美的充電站網(wǎng)絡(luò)。

2010年日本發(fā)布了《日本下一代汽車戰(zhàn)略2010》，該戰(zhàn)略提出，計(jì)劃到2020年建設(shè)200萬(wàn)個(gè)交流充電樁、5 000個(gè)直流充電樁。2015年日本提前完成了這一目標(biāo)。此外，日本為了鼓勵(lì)電動(dòng)汽車快速發(fā)展，引入了汽車減免稅和充電設(shè)施補(bǔ)貼措施。

在評(píng)估2020年充電設(shè)施發(fā)展規(guī)劃時(shí)，德國(guó)計(jì)劃在私人領(lǐng)域建設(shè)102.2萬(wàn)個(gè)交流充電樁；在半公共領(lǐng)域建設(shè)10.3萬(wàn)個(gè)交流充電樁和7 100個(gè)直流充電樁；在公共領(lǐng)域建設(shè)7 000個(gè)交流充電樁。2009年，法國(guó)推出國(guó)家電動(dòng)汽車“14點(diǎn)”計(jì)劃，預(yù)計(jì)投資15億歐元來建設(shè)公共充電基礎(chǔ)設(shè)施。2014年，英國(guó)宣布會(huì)在2015—2020年5年期間投入5億英鎊，促進(jìn)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。2016年，寶馬、戴姆勒、大眾、福特四大公司發(fā)表聯(lián)合聲明稱，將在歐洲建立高性能的電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)建造400個(gè)充電站。

據(jù)公安部公布的數(shù)據(jù)[6]，截至2018年底，中國(guó)新能源汽車擁有量達(dá)到261萬(wàn)輛，純電動(dòng)汽車數(shù)量約為211萬(wàn)輛。公共型充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量為29.98萬(wàn)個(gè)，私人類充電設(shè)施數(shù)量為47.7萬(wàn)個(gè)。預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)電動(dòng)汽車推廣規(guī)模將達(dá)到589萬(wàn)輛，新建充換電站1.21萬(wàn)座，充電樁480萬(wàn)個(gè)。中國(guó)2015—2020年新增各類充電設(shè)施總體目標(biāo)如圖2所示。

（a）集中式充換電站

（b）分散式充電樁

圖2 中國(guó)2015—2020年新增各類充電設(shè)施總體目標(biāo)

3.2 電動(dòng)汽車無線充電設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

無線充電技術(shù)在國(guó)外開始發(fā)展較早，研究成果相對(duì)成熟，部分結(jié)果已應(yīng)用到了實(shí)際產(chǎn)品。其中日本汽車制造廠商在該領(lǐng)域有著較長(zhǎng)的研究歷史，并且已經(jīng)取得了一定的成果，其次是歐美的汽車制造廠商。

如今，中國(guó)的重點(diǎn)高校和汽車制造商也積極參與到這項(xiàng)研究中，主要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證無線充電的效率以及安全性等。

4 結(jié)論

主要介紹了電動(dòng)汽車充電設(shè)施的類型以及發(fā)展現(xiàn)狀。然而，充電難問題依然存在，充電站公共資源并沒有得到充分應(yīng)用。換電站可以快速地為電動(dòng)汽車補(bǔ)充能量，但更換電池的成本較高而且缺乏統(tǒng)一的電池標(biāo)準(zhǔn)。

無線充電設(shè)施從理論上說可以縮短充電時(shí)間，但是建設(shè)成本高，技術(shù)要求復(fù)雜，大量推廣使用還需一定的時(shí)間。作為電動(dòng)汽車普及的重要保障，有必要進(jìn)一步完善和推進(jìn)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

［1］牛樂樂.電動(dòng)汽車分散式充電設(shè)施二次規(guī)劃研究［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2018，36（5）：19-24.

［2］肖志遠(yuǎn).淺析電動(dòng)汽車充電樁建設(shè)［J］.建材與裝飾，2015（51）：210-212.

［3］榮幸.電動(dòng)汽車充電站選址問題研究［D］.北京：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2017.

［4］張建峰，李業(yè)農(nóng).電動(dòng)汽車充電站結(jié)構(gòu)與接入電源探討［J］.計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（4）：76.

［5］劉浩.無線充電技術(shù)研究及其在電動(dòng)汽車充電中的應(yīng)用［D］.北京：華北電力大學(xué)，2017.

［6］電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015—2020年）發(fā)布［J］.汽車縱橫，2015（12）：10-13.

N031

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.027

2095－6835（2019）15－0072－02

崔繼慧（1993—），女，山西大同人，在讀研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理。

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：8192006）；北京市教委社科重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：SZ201910038021）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕