近年來，電動汽車及充電樁開發(fā)呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢，據(jù)國家能源局統(tǒng)計，截至2019年底，全國充電基礎(chǔ)設(shè)施為121.9萬個，同比增加50萬個。據(jù)公安部統(tǒng)計，截至2019年底，全國新能源汽車保有量為381萬輛，占汽車總量的1.46%，比2018年底增加了120萬輛，增長了46.05%。

為了推進(jìn)電動汽車充電設(shè)施的發(fā)展，國務(wù)院、發(fā)改委、住建部在2015年下半年相繼發(fā)文，隨后各地方政府也開始頒布相應(yīng)規(guī)定。受海南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳委托，筆者參與編制了海南省地方標(biāo)準(zhǔn)《海南省電動汽車充電設(shè)施建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》），《標(biāo)準(zhǔn)》中提出若采用監(jiān)控管理系統(tǒng)可調(diào)節(jié)充電電流，則同時系數(shù)可進(jìn)一步降低。本文以電動汽車電池充電特性為切入點，針對居民充電習(xí)慣，介紹本標(biāo)準(zhǔn)的各項指標(biāo)，同時提出定容量自動充電系統(tǒng)和定容量變功率充電系統(tǒng)的概念。

電池種類與充電特性

>>>>電池種類

目前市面上的電動汽車主要使用鋰電池，主流電池包含下面兩種：磷酸鐵鋰電池和鎳鈷錳三元聚合物鋰電池。其中磷酸鐵鋰電池為比亞迪汽車的研究方向，早期由于能量密度低，低溫性能差等原因，較少采用，但經(jīng)過改良后，目前已突破傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池的能量密度限制，達(dá)到了三元材料水平。鎳鈷錳三元聚合物鋰電池的能量密度高，目前應(yīng)用最廣，但其造價高，若能在安全性上實現(xiàn)突破，未來仍將占據(jù)市場主流。

>>>>電池充電特性

鋰電池的種類有多種，但電池的充電特性相差不大。目前的主流充電方式為智能恒功率充電，充電過程如圖1所示。

如圖1所示，第一階段為限流段，即電池預(yù)充電階段，電壓電流緩慢上升；第二階段為恒流階段，電流保持不變，電壓穩(wěn)定增加；第三階段為恒功率段，電壓繼續(xù)上升，電流減小，充電功率保持恒定；第四階段為恒壓段（浮充），電壓保持不變，電勢差減小，電流減小。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定值，電池管理系統(tǒng)切斷電源，充電完成。

實際調(diào)查顯示，電動汽車開始充電時電池內(nèi)會存有余量，日常充電只經(jīng)歷最后兩個階段，即恒功率段和恒壓段，且恒壓充電階段時間較短，計算負(fù)荷時忽略。例如，額定功率7 kW的電動汽車在7 kW交流樁恒流充電時，充電功率維持在6.7 kW左右，即可認(rèn)為電動汽車在充電階段功率基本恒定。見吉利和北汽電動汽車充電功率曲線圖（圖2、圖3）。

充電容量計算

>>>>交流充電樁

交流充電樁是為電動汽車車載充電機(jī)提供交流電源的供電裝置。目前大部分交流充電樁僅具有保護(hù)及計量功能，不具備調(diào)節(jié)輸出功率的功能。

充電過程：汽車與充電樁連接后，首先雙方通信，充電樁從汽車讀取電池電量及充電功率等基本信息，刷卡購電后，開始充電，同時，將充電信息顯示在液晶屏上。

>>>>直流充電樁

直流充電樁即非車載充電機(jī)，是為電動汽車動力電池直接提供直流電源的供電裝置。直流充電樁不僅具有保護(hù)及計量功能，還可根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出電流。

充電過程：直流充電樁充電過程與交流充電樁類似，雙方建立連接后，充電樁根據(jù)車載BMS（電池管理系統(tǒng)）的信息，自動調(diào)整適應(yīng)于電動車的充電參數(shù)直接給電池充電。

>>>> 充電容量計算公式

以交流充電樁為例，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，按下式計算負(fù)荷：

式中：

S —— 總用電容量，kVA；

P1、P2 …… Pn —— 各類充電設(shè)備單臺的輸出功率，kW，當(dāng)無具體參數(shù)時，單相交流充電樁可按7 kW設(shè)計或預(yù)留，三相交流充電樁可按21 kW 設(shè)計或預(yù)留；

Kx —— 需要系數(shù)（交流樁取0.9以上）；

Kt —— 同時系數(shù)；

cos φ —— 功率因數(shù)（一般為0.92以上）。

>>>>同時系數(shù)的確定

目前全國范圍內(nèi)地方標(biāo)準(zhǔn)及區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)針對電動汽車的同時系數(shù)和需要系數(shù)提出了推薦值，但因沒有大量數(shù)據(jù)支撐，也沒有相似負(fù)荷可供參考，故差異較大。本文嘗試建立一種簡單數(shù)學(xué)模型，即通過數(shù)學(xué)期望計算出一個時間段內(nèi)的平均充電汽車數(shù)量，再依據(jù)概率論和統(tǒng)計學(xué)原理計算得出在高峰期充電汽車的數(shù)量，最終確定同時系數(shù)的最低取值。因為影響計算結(jié)果的因素很多，故作出以下假設(shè)：

a. 海南省目前禁止地下車庫設(shè)置7 kW以上充電樁，故模型中討論的充電樁均為7 kW。

b. 小區(qū)按照1 000戶計算，每戶配1.2個車位，即共計1 200個車位。

c. 計算按遠(yuǎn)期考慮，即1 200個車位配1 200輛電動汽車。

d. 根據(jù)美國家用車輛調(diào)查結(jié)果的數(shù)據(jù)，平均每天有14%的家用車輛處于閑置狀態(tài)，43.5 % 的電動汽車行駛里程數(shù)在20英里（約32 km）之內(nèi)，83.7 % 的電動汽車行駛里程數(shù)在60英里（約96 km）之內(nèi)。美國人均擁有車輛的數(shù)量比我國多，車輛每天的平均行程比我國少。對比國外數(shù)據(jù)，結(jié)合國內(nèi)實際情況進(jìn)行調(diào)整，初步確定我國車輛使用數(shù)據(jù)，即：10 % 的電動汽車閑置，30%的電動車輛每天行駛40 km，40 % 的電動車輛每天行駛100 km，20 % 的電動車輛每天行駛200 km（網(wǎng)約車）。

e. 按城市綜合工況考慮，且海南省屬熱帶地區(qū)，每百km耗電量取20 kWh，即行駛40 km耗電8 kWh，需充電1.2 h；行駛100 km耗電20 kWh，需充電3.1 h；行駛200 km耗電40 kWh，需充電6.2 h。

f. 除開10 % 的閑置車輛，其他車輛均在晚上7點至早上7點之間充電。

數(shù)學(xué)期望，在概率論和統(tǒng)計學(xué)中是指試驗中每次可能結(jié)果的概率乘以其結(jié)果的總和，是最基本的數(shù)學(xué)特征之一。它反映隨機(jī)變量平均取值的大小。其公式為：

E（X）= X1 × p（X1）+ X2 × p（X2）+ …… + Xn × p（Xn）

根據(jù)上文的假設(shè)，可得出整個小區(qū)電動汽車的充電小時期望值為：E（X） = 0.1 × 0 + 0.3 × 360 × 1.2 + 0.4 × 480 × 3.1 + 0.2 × 240 × 6.2 = 1 022.4 h。充電時間為12 h，即平均每小時有1 022.4 / 12 = 85.2輛車進(jìn)行充電。

對國外電動汽車行駛里程調(diào)查所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理后，再利用極大似然估計方法分別將開始充電時刻及日行駛里程進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果顯示電動汽車開始充電時刻滿足正態(tài)分布，日行駛里程符合對數(shù)正態(tài)分布，再利用蒙特卡洛仿真法求解一天內(nèi)每一時刻單臺電動汽車充電功率需求的期望，曲線類似偏正態(tài)分布?？芍妱悠嚸咳諆?nèi)的充電負(fù)荷分布呈現(xiàn)集中性，而根據(jù)我國居民出行習(xí)慣，電動汽車在下班后剛回到小區(qū)后會有短暫的充電高峰期，對應(yīng)曲線中的峰值區(qū)，參考交通評價的高峰小時系數(shù)3.0，充電時亦有相對于平均充電車數(shù)量的峰值，保守取值5.0，即高峰時期同時充電的電動汽車數(shù)量為85.2 × 5.0 = 426輛，除以電動汽車總量即可得最小同時系數(shù)，即426 / 1 200 = 0.355，故將最低同時系數(shù)暫定為0.4，后期若能取得大量實測數(shù)據(jù)，則可將同時系數(shù)相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)電動汽車數(shù)量較少時，數(shù)據(jù)的離散性較大，同時系數(shù)相應(yīng)增加。

經(jīng)過以上分析，筆者在《標(biāo)準(zhǔn)》中提出了表1的同時系數(shù)Kt推薦值，供大家參考。

>>>>負(fù)荷對比

以住宅為例，某小區(qū)共有基本住戶1 000戶，每戶建筑面積90 ~ 120 m2，按每戶1.2個車位設(shè)計，則需設(shè)置1 200個車位。

住宅區(qū)居民用電負(fù)荷：根據(jù)JGJ 242 - 2011《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》，每戶用電負(fù)荷取6 kW，需要系數(shù)取0.26，則總計算負(fù)荷Pe= 6 × 1 000 × 0.26 = 1 560 kW。

充電樁用電負(fù)荷：按同時系數(shù)計算，高峰時期同時充電的電動汽車達(dá)480輛，即Pe= 480 × 7 × 0.9 = 3 024 kW。

由計算可以看出，充電樁系統(tǒng)計算負(fù)荷約是住宅居民用電負(fù)荷的2倍，在未來電動汽車普及的情況下，夜間的充電高峰將對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大負(fù)擔(dān)。

降低充電容量的有效辦法

根據(jù)上文，夜間充電高峰的計算負(fù)荷峰值十分巨大，所以降低系統(tǒng)峰值負(fù)荷，既可減小系統(tǒng)容量，節(jié)省投資，又可減少電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。目前市場上推出一種有序充電解決方案，并在充電工程上取得一定成功，有效解決用電高峰時對電網(wǎng)的沖擊。解決辦法是通過電腦控制系統(tǒng)，把電動車充電時間移到電力供電谷峰時段，但這種做法是在有條件的情況下，主動式的調(diào)節(jié)，不能滿足電動車全時段的充電需求。

為滿足電動車的基本充電需求，有效降低充電容量，減少電網(wǎng)沖擊，降低工程投資，本文提出兩個解決方案。

>>>>定容量自動充電系統(tǒng)

電動汽車充電并非同時開始，充滿電所需時間與充電時電池剩余電量也不相同。定容量自動充電系統(tǒng)（DRXT）按照以下邏輯：

Se ＞ Sp時，所有汽車同時充電；Se ≤ Sp時，自動輪換充電。式中：Se—— 變壓器設(shè)定可用容量； Sp —— 接入充電系統(tǒng)汽車車充電容量之和。

當(dāng)接入充電系統(tǒng)汽車充電容量之和Sp小于變壓器設(shè)定可用容量Se時，所有汽車正常連續(xù)充電。當(dāng)Sp大于等于Se時，DRXT開始工作，保證充電容量不超變壓器設(shè)定可用容量的情況下，電動汽車按先進(jìn)先出的原則排隊充電，輪換時間可以設(shè)定。

DRXT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

DRXT系統(tǒng)由中心控制器、電能采集器和執(zhí)行器組成，通過485總線或交換機(jī)連接組成定容量自動充電系統(tǒng)。中心控制器通過485通信總線或交換機(jī)與執(zhí)行器進(jìn)行充電信息交換，執(zhí)行器與電動汽車進(jìn)行信息交換、控制充電電源的通斷。

舉例，某小區(qū)安裝1 000個7 kW充電樁，依據(jù)負(fù)荷計算公式，充電容量為Sp = 1 000 × 0.4 × 7 × 0.9 / 0.92 = 2 739 kVA，如果變壓器負(fù)載率取0.86，變壓器設(shè)計容量需要3 185 kVA，按常規(guī)設(shè)計通常選用2臺1 600 kVA變壓器。如果采用DRXT系統(tǒng)，可選用1臺容量1 600 kVA的變壓器。DRXT的控制方式為：首先輸入這臺變壓器的設(shè)定可用容量，即：Se = 1 600 × 0.86 = 1 376 kVA，中心控制器通過安裝在變壓器低壓側(cè)的電能采集器，實時讀取變壓器的輸出容量，當(dāng)接入系統(tǒng)的電動汽車充電容量Sp1小于1 376 kVA時，系統(tǒng)默認(rèn)執(zhí)行所有汽車正常充電；當(dāng)大于等于1 376 kVA時，比如有250臺車接入系統(tǒng)充電，則此時Sp2 = 1 750 kVA ＞ Se，為保證系統(tǒng)安全，系統(tǒng)只允許196輛電動汽車同時充電，設(shè)定充電輪換間隔為10 min，每隔10 min，充電時間最長的車停止充電，充電時間最短的車開始充電，由執(zhí)行器完成通斷控制。當(dāng)有電動汽車充滿后，系統(tǒng)將其斷開，退出循環(huán)，其余車?yán)^續(xù)循環(huán)輪換充電。

>>>>定容量變功率充電系統(tǒng)

定容量變功率充電系統(tǒng)（DBXT）的原理：通過連續(xù)調(diào)節(jié)每個充電樁的充電功率使其滿足以下條件：

Sg = Se / N

式中：

Sg —— 每臺車的充電容量；

Se —— 變壓器設(shè)定可用容量；

N —— 接入充電系統(tǒng)的電動汽車數(shù)量。

當(dāng)接入充電系統(tǒng)汽車充電容量之和小于等于變壓器設(shè)定可用容量Se時，每臺車正常充電，當(dāng)接入充電系統(tǒng)汽車充電容量之和大于變壓器設(shè)定可用容量Se時，DBXT系統(tǒng)啟動，按照原理Sg= Se / N，即把變壓器設(shè)定可用充電容量均勻分配到每臺電動汽車上。

DBXT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與DRTX相同，只是工作原理不同。DBXT中心智能控制器收集安裝在變壓器低壓側(cè)的電能采集器的變壓器實時輸出容量信息、接收由充電執(zhí)行器送來的每臺電動汽車的電池充電狀態(tài)信息和接入系統(tǒng)電動汽車的臺數(shù)，然后經(jīng)過分析運算把變壓器的設(shè)定可用容量平均分配給每臺充電車。當(dāng)有電動汽車充滿后，系統(tǒng)將其斷開，并按照公式重新計算每臺車的可分配充電容量。DBXT能夠保證無論多少輛汽車接入，所有車均能保持充電狀態(tài)，但在車輛超出系統(tǒng)能力后，充電功率隨接入系統(tǒng)的汽車數(shù)量變化。

舉例，與上述同例，如果換用DBXT系統(tǒng)，控制方式為：首先輸入一臺變壓器的最設(shè)定可用容量1 376 kVA，如果有200臺車接入系統(tǒng)充電，每臺車的分配充電容量為Sg = 1 376 kVA / 200 = 6.88 kVA，如果有400臺車接入系統(tǒng)，每臺電動汽車的充電容量為Sg = 1 376 kVA / 400 = 3.44 kVA。每當(dāng)有新的電動汽車接入或充滿電退出，系統(tǒng)均會重新計算并分配充電容量。

>>>>結(jié)論

定容量自動充電系統(tǒng)的優(yōu)點是控制簡單，容易實現(xiàn)，缺點是車的充電量不均勻，尤其是變壓器可用容量小，充電樁數(shù)量多的情況下更為明顯。定容量變功率充電系統(tǒng)的優(yōu)點是所有接入到充電系統(tǒng)的車能獲得均勻的充電量，充電量按充電時間均勻分配。缺點是控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，所有型號電動汽車的電池充電標(biāo)準(zhǔn)需要統(tǒng)一且需開放充電協(xié)議，完善這樣的協(xié)議應(yīng)由國家層面主導(dǎo)。

采用以上兩種充電系統(tǒng)，可以極大緩解電網(wǎng)的供電壓力，也特別適用于已建成供電系統(tǒng)的住宅小區(qū)或辦公場所等，不需要增容擴(kuò)建供電系統(tǒng)。

發(fā)展與展望

目前普遍認(rèn)為制約電動車的發(fā)展因素包括電池容量及充電速度，但筆者認(rèn)為一味地追求充電速度不利于電動汽車的發(fā)展。在電機(jī)效率基本恒定的今天，60 kWh電量便能保證300 km的續(xù)航，對于普通居民，一夜（9 h）充電，第二天能行駛300 km就完全能滿足使用要求，這也是推薦交流充電樁功率采用7 kW的原因?？梢灶A(yù)知，未來電動汽車的充電價格將分為兩類：一類是公共充電，以直流充電為主，充電速度快，面向社會，充電價格高；一類是家庭充電，以交流慢充為主，充電速度慢，集中在小區(qū)，不對外開放，充電價格低。

以史為鏡，可以知興替。曾經(jīng)的汽油摩托車已基本被電動摩托車所取代，在不久的將來，電動汽車制造成本下降，續(xù)航里程提高，將會迎來爆發(fā)式的增長。電動車的發(fā)展離不開充電設(shè)施的建設(shè)，以現(xiàn)狀來看，大量建設(shè)充電樁會造成不必要的浪費；而從長遠(yuǎn)來看，預(yù)留變電所位置及電纜通道也是必要的?！稑?biāo)準(zhǔn)》的實施，無疑為電動汽車的發(fā)展邁出了堅實的一步。

本文全文載于《建筑電氣》2020年第11期，詳文請見雜志。

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