电动车持续发展，搞好充电基础设施是关键！

目前世界各地在争相将燃油汽车替换为电动汽车，预计电动汽车的普及率将迅速攀升。与目前部署的充电桩数量相比，预计电动车 (EV) 的迅速采用将会对可用的充电桩数量带来重大改变。在本文中，我们将研究电动车采用率的增加将对配电基础设施提出怎样的要求，以及在规划电动车充电基础设施时必须考虑的一些因素。

电动车成长预测

有关电动车的讨论通常会从惊人的增长率统计数据以及诱人的预测销售量谈起。据Energy Innovation预测，到2030年全球电动车的数量将达2亿5000万辆左右（图1），届时每年销售量约为4400万辆。但EV30@30情境预计，到2030年时，所有电动车（两轮车除外）将占全球新增汽车销售量的30%。此数据包含油电混合版及纯电动版汽车、公交车和卡车。如此看来，大势已定，但我们终究还是要面对现实：此成长轨迹的误差线为何？又有哪些假设和已知的风险？这些来自不同出处的成长率数据有部分存在很大的差异。其所引用的销售数据各自加入了一些假设，也就是电动车购买力、未来技术的提升、油价、法规奖励，还有数十项其他变动因素。此外还在很大程度上取决于中国的电动车使用增长情况，毕竟中国在2018年的全球新车销售量占比高达45%，相较之下欧洲为24%，美国为22%。而美国能源信息署 (EIA) 发布的《2020年年度能源展望》中的一项数据显示，美国2030年的电动车总销售量将远低于100万辆，如果地理位置划分维持不变，这数量只有国际能源署 (IEA) 预测数量的十分之一不到。另外，据该展望预测，2050年之后燃油车的销售量仍将占很大比例。具体要相信哪项数据，还是取决于读者自己的判断了。


图1: 2018到2030年所有电动车全球库存预测（来源：EIA）

影响电动车采用率的因素

电动车目前的售价仍较为昂贵，乐观派预计价格将会随销售量和技术的提升而调降，但销售量要提升，前提是要先降低价格，这又变成了是先有鸡还是先有蛋的问题。有些制造商承认，为了刺激市场，几乎每辆车都是亏本出售，这绝非是一种好的商业模式，同时也考验了投资人的耐心。来自政府的压力是另一刺激因素，为了达到减缓气候变迁的目标，控制污染程度，全世界的掌权者都宣布要在特定日期前实现禁售内燃机引擎 (ICE) 车辆的目标。这一目标看似耸动，但这大多是指禁售纯ICE车辆，油电混合车则不在禁售名单内。汽车厂商也玩起了文字游戏，他们不顾一切地设法不让其ICE制造类资产遭到完全“扼杀”，因此所谓的在销售车款中加入100%的电动车系列，其实是指100%纯电动车或油电混合车。

另一个会影响电动车价格的因素，则是油价。油价对未来电动车销量的增长有很大的影响，截至2020年上半年，原油价格仍呈持续波动的态势。

尽管世界卫生组织指出全球因空气污染导致的早死人数多达420万人，但要是电动车的购买和使用成本无法提供足以替代ICE的激励因素，关于减缓气候变迁和改善环境的争论也可能会逐渐消退。

里程焦虑

充电问题是影响电动车发展的一大障碍。最早的电动车行驶里程大约只有160公里左右，成为了短途出行的利基产品，需要频繁开到充电站进行“充电”。受技术进步的影响，目前高阶车款行驶里程可达到480公里左右，但由于担心充电桩过于稀少，仍不能消除里程焦虑。众所周知，一般电动车没电就会“抛锚”，就算有路过的热心车主出借备用电池，也无法让车子起死回生继续行驶。

相较于加油站，充电桩数量更少，且间距也更远，但这不过是供需问题；美国约有2亿7000万辆汽车和15万间加油站，以每间加油站有八支加油枪来算，每支加油枪约分配225辆汽车。相比之下，全球约有500万辆电动车和约41万个公共充电桩，每个充电桩约分配到12辆电动车，可用性提高了18倍！如果将办公室和家庭充电桩算进来，大概每辆电动车可分配到一个充电桩。

然而这种直接比较是不现实的，毕竟汽车加满油约需要10分钟，加上稍作休息，再去超商喝个饮料，可能只需要15分钟的时间。但是，电动车用高速公路休息站的慢速充电桩进行充电，可能需要好几个小时才能充满，假如所有充电桩都有人使用，下一个充电站又远在天边，这个可用性数据就没有任何意义了。

我们相信未来终将是电动车的天下，可以预料到基础设施也会随之成长，以符合其中一个预期的成长情境，并希望发展的越来越好。而目前的情况是，有些地区可能存在供不应求的情况，有些则是供过于求，另外还需要考虑到需求的不确定性以及各地区的差异性问题。可以确定的是，像新车销售量约60%为电动车的挪威，他们在未来几年建置的充电桩数量，势必会高过2019年新电动车挂牌数百分比只有1.6%的英国。

充电焦虑

除了里程焦虑，我们还应该考虑未来的电力供给问题。目前电动车充电对电网载荷的影响几乎可以省略不计。据Bloomberg ENF数据显示，从2018年到2050年电动车用电量将增长57%，但仍只占全球总用电量的9%。到2050年时，美国的电动车用电量将达到800至900兆瓦时，而总用电量约为30,000兆瓦时（图2）。


图2: 在BAU情景下以及在成本逐渐下降以在2050年达到BAU值40%的情景下，美国电动车的年度电力需求表（来源：Energy Innovation）

我们假设技术仍会不断发展，例如，电动车目前将电池电力转换为车轮动力的效率只有59%至62%，因此仍有改善空间（对于ICE来说，汽油中的化学能转化为动能的效率只有17%至21%）。至今针对电动车销量和用电量的数据都只是指轻型车 (LDV)，如果日后电动卡车问世，这些数据就会显得过于保守了。建造所需的充电站和升级电厂基础设施的时间表，实非通过政府管理条款和直接的政治手段就能解决的，但电力设备供应商则相信电动车已成为汽车发展的必然趋势，并规划了充足的基本能源供应方案。不管怎样，随着基础设施的扩张，对于不断增长的普通市场来说，占比9%的电动车用电量并不会对发电量造成任何问题。但就配电来说，当靠近充电电缆时，情况就会有所不同（图3）。


图3: 高压配电网可为电动车充电提供所需电力（来源：Bukhta Yurii/shutterstock.com）

符合未来电动车充电需求的配电硬件设施

从记录来看，电力需求在夜间较低，负载高峰约在早上7点人们展开一天的活动时，另一次高峰期则是在傍晚，当人们回到家，暖气/烹煮器具全开时。在用电组合中加入电动车充电，用电模式将发生很大的变化，为了让汽车在隔天早上上班前充满电，负载高峰会变成夜间。标准的家用充电器功率约为3 kW或7 kW，电动车充满约需6至12小时，插电式混合动力汽车 (PHEV) 约需2至4小时，跟彻夜开启一到两部高功率暖气差不多。但是，“快速”充电器的额定功率可能高达22kW，几乎要达到馈入家庭供电功率的上限，对没有电动车充电的高峰用电量来说普遍偏高，当然就24小时的平均用电量来说也高出许多。当随着拥有电动车的家庭越来越多，对当地的配电网络将造成直接的额外压力，电线杆上的变压器将中压降至家用电压时，也会不断发出高分贝的滋滋声作为抗议。而高电压配电网络和变电站的处理能力则较佳，因为其是针对工业供电，用电高峰期不同。当地的供电基础设施可能是第一个瓶颈，例如，城市公寓可能有停车位，但电动车电力供应不会直接来自最终用户供电系统，是存在重大地区差异的城市公寓可能都有停车空间，但是，电动车无法直接由终端用户线路供电，会在更高的公用事业电源下进行计量和聚合，对家庭用电和工业用电之间的负载，在硬件额定值内进行平衡。路旁和公用的快速充电桩也是如此，其负载将直接加诸在高电压网路上。

使用再生能源实现双赢

对电动车存在已久的一项争议，就是它并不是这么“环保”，毕竟其充电所需电力最终还是来自煤炭或燃气发电机。这一问题会随着再生能源使用率的提高而改变，但也存在着一些缺点，比如，太阳能板在晚上不能靠太阳发电，而风机发电又是一种不可预测的能源。最理想的做法，就是利用一些能源储存方法来平衡供电量，比如用湖泊进行水力发电储能，但此法受限于地理因素。虽然也有一些前景看好的创意，例如将压缩气体储存在岩床内，但还有一种更为可行的方法，就是利用电动车内的合并电池组，将能源“输回”电网作为缓冲，然后提供电费上的回馈作为奖励（图4）。


图4: 电动车可以采用太阳能电池供电（来源：Thinnapob Proongsak/shutterstock.com）

利用双向充电器这个早已存在的技术，可将电动车储存的电能馈回电网。如果车子闲置不用，电力公司为了调度会先从电动车电池汲取电力，并随后再为电池充电，只要车主先在智慧充电器内设定将车充满电所需的时间，对车主几乎不会造成任何影响。

结论

随着电动车采用率的不断上升，市场也期待基础设施能跟上其预期成长脚步。但是，电动车充电基础设施的规划极其复杂，因为有太多消费者和地方上的变数需要考虑。影响电动车采用率的部分因素包括电动车购买价格、政府的电动车使用奖励法规、电力供给、再生能源的作用，以及对快速充电站之便利性和可用性的疑虑。有鉴于上述这些因素都可能造成重大影响，对电动车采用率带来不确定性，因此众所期待的充电基础设施究竟能否支撑这些需求，还有待观察。


文章来源：贸泽电子

作者简介：Robert Huntley是一位具有HND资格认证的工程师和技术作家。他拥有电信、导航系统和嵌入式应用工程等专业背景，代表贸泽电子撰写了各种技术和实践文章。