電動(dòng)汽車背景

1、1.1 選題背景隨著全球能源危機(jī)的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國(guó)政府及汽車企業(yè)普遍認(rèn)識(shí)到節(jié)能和減排是未來汽車技術(shù)發(fā)展的主攻方向1。電動(dòng)汽車作為新一代的交通工具，在節(jié)能減排、減少人類對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴方面具備傳統(tǒng)汽車不可比擬的優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車具備接入電網(wǎng)進(jìn)行電能補(bǔ)給的能力，受到各國(guó)政府的廣泛關(guān)注。在美國(guó)，能源部牽頭實(shí)施了 EV Project2計(jì)劃，通過免費(fèi)為電動(dòng)汽車的用戶建設(shè)家用充電樁來推廣電動(dòng)汽車的使用。中國(guó)在2009年1月，財(cái)政部、科技部發(fā)布了關(guān)于開展節(jié)能與新能源汽車示范推廣試點(diǎn)工作的通知，提出了“十城千輛”的大規(guī)模示范應(yīng)用計(jì)劃。2010年4 月，電

2、動(dòng)汽車傳導(dǎo)式充電接口、電動(dòng)汽車充電站通用要求、電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)與非車載充電機(jī)之間的通信協(xié)議和輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能耗量試驗(yàn)方法4 項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，而國(guó)家對(duì)包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的新能源汽車也實(shí)施了補(bǔ)貼扶持政策。目前，電動(dòng)汽車主要分為插入式混合電動(dòng)汽車(plug-in hybrid electric vehicle ，PHEV) 和純電動(dòng)汽車(battery electric vehicle ，BEV) 。隨著未來電動(dòng)汽車的普及，電動(dòng)汽車大規(guī)模接入電網(wǎng)充電，將對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行與規(guī)劃產(chǎn)生不可忽視的影響。這些影響主要包括：1 ）負(fù)荷的增長(zhǎng)。電動(dòng)汽車充電將導(dǎo)致負(fù)荷增長(zhǎng)，若大量電動(dòng)汽車集中在負(fù)荷高峰期充電

3、，將進(jìn)一步加劇電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差，加重電力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。2 ）電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化控制難度的增加。電動(dòng)汽車用戶用車行為和充電時(shí)間與空間分布的不確定性，使得電動(dòng)汽車充電負(fù)荷具有較大的隨機(jī)性，這將加大電網(wǎng)控制的難度。3 ）影響電能質(zhì)量。電動(dòng)汽車充電負(fù)荷屬于非線性負(fù)荷，所使用的電力電子設(shè)備將產(chǎn)生一定的諧波，有可能引起電能質(zhì)量問題。 4 ）對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃提出新的要求。在配電網(wǎng)中增加眾多充電設(shè)施以及大量電動(dòng)汽車充電，將改變配電網(wǎng)負(fù)荷結(jié)構(gòu)和特性，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃準(zhǔn)則可能無法適用于電動(dòng)汽車大規(guī)模接入的情景3。 在全球新能源汽車的廣泛深入研究下,逐步形成了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化、規(guī)模化。電動(dòng)汽車的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)牽涉到全社會(huì)各方面，

4、電動(dòng)汽車的運(yùn)營(yíng)需要政府電動(dòng)汽車整車以及配件生產(chǎn)企業(yè)能源供給企業(yè)整體運(yùn)營(yíng)企業(yè)的相互配合，根據(jù)不同的組織方式和盈利模式形成了不同的運(yùn)營(yíng)模式4。電動(dòng)汽車充電站的運(yùn)營(yíng)究竟選取哪種模式，最主要包括以下三個(gè)方面：一是消費(fèi)者使用的總體經(jīng)濟(jì)性、方便性，這關(guān)系到運(yùn)營(yíng)模式的競(jìng)爭(zhēng)力；二是能源供給企業(yè)的盈利模式，這決定著電動(dòng)汽車充電站的可持續(xù)發(fā)展能力；三是對(duì)城市電網(wǎng)運(yùn)行的影響，這是城市整個(gè)電網(wǎng)能否安全、高效地運(yùn)行的關(guān)鍵因素。 1 ） 整車充電中的慢速充電方式可以充分利用低谷電力充電，電費(fèi)相對(duì)降低，但是充電時(shí)間過長(zhǎng)使車輛的使用十分不便；快速充電方式下充電時(shí)間短易于車輛的使用，但是充電費(fèi)用較高，且會(huì)大大縮短電池的使用壽命

5、；而且整車充電模式下初次購(gòu)買及后續(xù)更換電池的費(fèi)用很高（約占車輛總費(fèi)用30%50%）。換電池模式單純的租賃費(fèi)和電費(fèi)支出可能比整車充電模式有一定幅度增加，但是由于節(jié)省購(gòu)買電池的費(fèi)用，如果政策和管理到位，理論上車輛整個(gè)生命時(shí)期的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用會(huì)顯著低于整車充電模式，且換電池模式的靈活性、方便性都相對(duì)較好。 2 ） 換電池模式屬于能源新物流模式。換電池模式有利于電池生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，有利于能源供給企業(yè)的規(guī)?；少?gòu)與集約化管理，能夠顯著降低總運(yùn)營(yíng)成本。能源供給企業(yè)作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的中間運(yùn)營(yíng)商，有利于政府施加更具針對(duì)性的扶持和優(yōu)惠政策，如電價(jià)政策、購(gòu)買電池補(bǔ)貼政策等，容易建立起清晰的財(cái)務(wù)盈利模式，比單

6、純提供充電服務(wù)可獲得更高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，具有更大的發(fā)展空間。3 ） 整車充電中的快充大量發(fā)展將使得電網(wǎng)諧波污染問題突出，治理成本提高。換電池模式集中充電便于統(tǒng)一調(diào)度、管理和監(jiān)控，能夠最大程度發(fā)揮削峰填谷作用，提高電力系統(tǒng)負(fù)荷率，最大限度減少諧波污染等對(duì)電網(wǎng)的不利影響，有利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力資源的優(yōu)化利用。 從目前電動(dòng)汽車充換電的模式的宏觀研判可以看出，以電池慢充、快速換電為特征的運(yùn)行模式具有明顯的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前途。運(yùn)行模式快速換電（集中慢充）交流慢速充電直流快速充電電能補(bǔ)充時(shí)間5-10分鐘6-12小時(shí)1-3小時(shí)安全性和可操作性好好低或不可行電池維護(hù)專業(yè)維護(hù)和管理缺乏維護(hù)和管理缺乏維護(hù)和管理對(duì)

7、電網(wǎng)影響可有效互動(dòng)成規(guī)模后，影響較大影響較大對(duì)用戶影響解除用戶對(duì)電池壽命、成本和性能顧慮用戶對(duì)電池壽命、成本和性能等有顧慮用戶對(duì)電池壽命、成本和性能等有顧慮圖1 電動(dòng)汽車運(yùn)行模式分析對(duì)比綜上所述，換電池模式具有更突出的優(yōu)勢(shì)和更廣闊的發(fā)展前景?？紤]到差異化需求和特殊情況下電能補(bǔ)給的需要，以更換電池為主、整車充電為輔的運(yùn)營(yíng)模式將成為我國(guó)電動(dòng)汽車充電站未來發(fā)展的主流模式。2011年1月國(guó)家電網(wǎng)公司確定了“換電為主，插充為輔，集中充電，統(tǒng)一配送”的電動(dòng)汽車服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略。在該運(yùn)營(yíng)模式中至少有2 種類型的工作站，其中集中型充電站實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的大規(guī)模集中充電，而配送站則不具備充電功能，只是作為用戶獲得更換

8、電池服務(wù)的場(chǎng)所。這樣的運(yùn)營(yíng)模式的特點(diǎn)是： 1 ）配送站不承擔(dān)充電功能，沒有電網(wǎng)接入的問題，站址選擇靈活，以滿足用戶更換電池方便為主要規(guī)劃目標(biāo)； 2 ）集中型充電站充電功率大，且可集中控制充電功率，有利于制定電網(wǎng)友好的充電方案，在時(shí)空隨機(jī)性方面，充電具有優(yōu)越性6。1.2 選題意義集中型充電站一般由上級(jí)110（35）/10kV直接供電，其負(fù)荷一般可達(dá)數(shù)千kW甚至更大。研究顯示，未來電動(dòng)汽車充電負(fù)荷占未來電網(wǎng)負(fù)荷的20%以上甚至更高，如此大比重的電動(dòng)汽車負(fù)荷的合理充放電將會(huì)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷特性產(chǎn)生較大的影響。圖2 電動(dòng)汽車換電站接線示意圖集中型充電站可看作大型的充電負(fù)荷，作為儲(chǔ)能單元，在條件成熟時(shí)也可作為

9、系統(tǒng)的備用電源，在電動(dòng)汽車迅速發(fā)展的條件下，研究其選址、容量、負(fù)荷曲線等特性，其意義體現(xiàn)在：（1）集中型充電站需滿足本地區(qū)的電動(dòng)汽車負(fù)荷需求，所以其選址要求與電動(dòng)汽車交通密度和充電需求的分布盡可能一致，并應(yīng)符合充電站服務(wù)半徑要求。研究電動(dòng)汽車充電站選址及規(guī)模對(duì)促進(jìn)電動(dòng)汽車發(fā)展具有積極作用。（2）電動(dòng)汽車集中充電站作為分布式的儲(chǔ)能裝置，可以通過協(xié)調(diào)控制其充放電過程，使之在系統(tǒng)負(fù)荷高峰時(shí)放電、低谷時(shí)充電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的削峰填谷。若控制不當(dāng)，在電網(wǎng)高峰期充電，將加重系統(tǒng)負(fù)荷負(fù)擔(dān)，降低其經(jīng)濟(jì)性。這就要求充電站負(fù)荷曲線與原電力負(fù)荷曲線盡可能互補(bǔ)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性。研究針對(duì)不同負(fù)荷特性的配電網(wǎng)中充電

10、站選址及規(guī)模對(duì)改善電網(wǎng)負(fù)荷特性、實(shí)現(xiàn)削峰填谷，進(jìn)而減少發(fā)電側(cè)裝機(jī)容量及輸配電設(shè)施規(guī)模具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。（3）配電網(wǎng)中電動(dòng)汽車充電站在電網(wǎng)故障停電時(shí)，可以為系統(tǒng)提供電源支持，從而減少停電用戶數(shù)量及用戶停電時(shí)間，對(duì)改善配電網(wǎng)可靠性有積極作用。（4）電動(dòng)汽車充電站在上級(jí)系統(tǒng)元件檢修時(shí)對(duì)用戶供電，實(shí)現(xiàn)不停電或者少停電檢修。（5）采用集中型充電站換電池模式下電動(dòng)汽車數(shù)量與其動(dòng)力電池?cái)?shù)量并非嚴(yán)格一致，動(dòng)力電池?cái)?shù)量過多勢(shì)必經(jīng)濟(jì)性太差，動(dòng)力電池?cái)?shù)量太少又會(huì)影響與電網(wǎng)的互動(dòng)甚至不能充到最優(yōu)惠電價(jià)的電能，造成電動(dòng)汽車不能真正實(shí)現(xiàn)削峰填谷，因此研究動(dòng)力電池與電動(dòng)汽車數(shù)量及充電站規(guī)模的匹配對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展及與電網(wǎng)互動(dòng)

11、能力意義重大。參考文獻(xiàn)：1 楊孝綸電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及前景( 上)J 汽車科技，2007(6)：10-132 Boulanger A G ，Chu A C，Maxx S，et alVehicle electrification ：status and issuesJProceedings of the IEEE，99(6)：1116-1138.3 胡澤春，宋永華，徐智威，羅卓偉，占愷嶠，賈龍.電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)的影響與利用J. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，,32（4）：1-10.4 陳政琦. 電動(dòng)汽車發(fā)展及運(yùn)營(yíng)模式探討(上)J.大眾用電，2012（4）：175 周逢權(quán)，連湛偉，王曉雷，等電動(dòng)汽車充電站運(yùn)營(yíng)模式探析J電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38(21):63-666 高賜威,張亮,薛飛,等.考慮集中型充電站定址分容的電網(wǎng)規(guī)劃研究J 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(7):40-467 吳憩棠我國(guó)“十城千輛”計(jì)劃的進(jìn)展J新能源汽車，2009，1(24)：15-198 宋永華，