第38卷2010年4月云 南 电 力 技 术YUNNAN ELECTRI C P OW ER V ol 38No 2
A pr 2010
收稿日期:2010-02-22
崔玉峰 杨 晴 张林山 王 骏
(云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，云南 昆明 650217)
摘要：对国内外电动汽车、电动汽车充电系统技术、充电站建设及布局等方面发展现状进行了研究，并对电动汽车充电需求进行了分析。关键词：电动汽车 充电站
中图分类号:T M 0 文献标识码:B 文章编号:1006-7345(2010)02-0009-04
1 前言
电动汽车以电代油，能够实现 零排放 ，噪音低，是解决能源和环境问题的重要手段。随着石油资源的紧张和电池技术的发展，电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车，并开始在世界范
围内逐渐推广应用。以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的必然趋势已经成为普遍共识。充电系统为电动汽车运行提供能量补给，是电动汽车的重要基础支撑系统，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。在充电系统中，充电站的建设需要根据电动汽车的充电需求，结合电动汽车充电模式进行相应的规划和设计。以下主要从国内外电动汽车发展现状及未来趋势、电动汽车充电系统技术、电动汽车需求分析，以及电能外部接入和配套设施资金投入方面对充电站的建设做了初步研究，为云南电网进行充电站建设研究提供技术参考。
2 电动汽车发展现状及趋势
2 1 国内外电动汽车发展现状
电动汽车从动力技术上来讲主要包括混合动力汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车。近年来，随着环境污染和能源危机的加剧，世界各国电动汽车的研发方兴未艾。在电动汽车研发布局中，出现了纯电动车和燃料电池车、混合动力车 三驾马车 并行齐驱的局面，电动汽车正在朝产业化方向一步步迈进。
2 1 1 国外电动汽车发展现状
美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。美国三大汽车公司1991年联合成立了美国先进电池联合体，投入了4 5亿美元，其中政府拨款2 25亿美元，共同开
发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃科电池等各种高性能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。2 1 2 国内电动汽车发展现状
我国电动汽车的研发与国外在技术水平与产业化方面差距较小。 十五 期间，在国家863计划电动汽车重大专项连续两期的滚动支持下，我国在纯电动汽车的核心部件研发、总成集成以及整车系统设计上实现了技术创新和跨越。自主研发的55辆纯电动铿电池汽车、25辆混合动力客车、75辆混合动力轿车、20辆燃料电池轿车，以及41辆纯电动场地车等各种新能源汽车。
中国汽车产业调整和振兴规划正式发布，规划中称，将实施新能源汽车战略。规划中称，推动纯电动汽车、充电式混合动力汽车及其关键零部件的产业化。掌握新能源汽车的专用发动机和动力模块(电机、电池及管理系统等)的优化设计技术、规模生产工艺和成本控制技术。建立动力模块生产体系，形成10亿安时(Ah)车用高性能单体动力电池生产能力。发展普通型混合动力汽车和新燃料汽车专用部件。另外，启动国家节能和新能源汽车示范工程，由中央财政安排资金给予补贴，支持大中城市示范推广混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等节能和新能源汽车。
2 2 我国电动汽车发展所存在问题
1)制约电动汽车发展的技术瓶颈尚待突破;
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2)电动汽车的价格过高阻碍了电动汽车的普及和产业化;
3)我国发展电动汽车的配套设施不够完善。
2 3 电动汽车发展趋势
与其它两种新能源车相比，纯电动车无论是在技术还是企业参与度上都更有优势，其零排放、零污染的环保优势和相对其他新能源车而言的价格优势也更容易被公众认可。这主要是因为，我国在电动汽车关键技术的电池、电机发展基础好，在纯电动汽车方面的研发实力亦不亚于日韩，我国的小功率锂离子电池早已经产业化，形成了上下游结合的完整产业链，电池产品超过世界市场的三分之一，锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟，我国的高功率型动力蓄电池发展也很迅速，与国外相比有很大价格优势。
此外，我国是永磁同步电机中永磁材料 稀土资源的大国，稀土储量世界第一将有利于未来降低电动汽车的制造成本。混合动力电动车是我国目前可以小批量生产、替代燃油汽车、减少废气排放的较现实的电动车。混合动力电动车的发展也依赖于动力电池的发展，在未来10年，混合式电动车在其特定市场范围内的商业化生产将持续增长，增长速度取决于价格因素。
总之，从长远发展趋势来看，我国混合动力电动车将有长远的市场前景，不过，纯电动汽车和燃料电池汽车在产业化上的优势可能会更大。混合动力汽车在目前的高油价时期虽然具有更好的燃油经济性，并且能满足高排放标准的要求，但是由于其只是对现有汽车技术的相对改进，所以只能作为一种过渡路线。而纯电动汽车和氢燃料电池汽车在使用过程中能够实现零排放，并完全摆脱了对石油资源的依赖，将成为我国电动汽车发展的最终目标。
3 充电系统技术研究现状
电动汽车的发展包括电动汽车以及能源供给系统的研究和开发，其中能源供给系统是指充电基础设施，供电、充电和电池系统及能源供给模式。电动汽车充电技术作为一个新的科技领域，世界各国都置身于充电技术的研究，并拟制作充电技术标准，为未来企业发展占据先机。
3 1 充电系统标准发展
因为目前电动汽车充电站建设的规模小、数量少，所以电动汽车充电站相关技术大部分还处在实际应用的初级阶段。国际上电动汽车充电系统的标准主要是I E C发布的I EC61851:2001，该标准包括三个部分，分别为：一般要求(partl)、电动车辆与交流/直流电源的连接要求(part2-1)、电动车辆与交流/直流充电站(part2-2)。
我国根据国内电动汽车的发展状况，于2001年制定了3个标准，这3个国家标准分别等同(或等效)采用了I E C61851的3个部分。近年来，电动汽车以及电力技术的快速发展，这些标准己不能完全满足当前的发展需求，而且这些标准中缺乏通信协议、监控系统等方面的内容。目前国家电网公司为了规范内部电动汽车的应用，已经颁布了6项与电动汽车充电站相关的企业标准。
目前供电、充电和电池系统应用集成技术和相关标准及规范研究的缺乏，仍然是电动汽车推广应用的主要薄弱环节，给电动汽车下一步的发展和充电设施的统一规划带来了很大的困难。能够保证大规模充电站正常运营的充电站监控系统尚无成熟产品，充电站监控系统和充电机间的通信协议和通信接口尚无统一的标准可以遵循，各充电站之间也无信息联系。
3 2 电动汽车常用充电模式
根据电动汽车动力电池组的技术和使用特性，电动汽车的充电模式存在一定的差别。对于充电方案的选择，现今普遍存在常规充电、快速充电和电池组快速更换系统三种模式。
3 2 1 常规充电
1)概念：蓄电池在放电终止后，应立即充电(在特殊情况下也不应超过24h)，充电电流相当低，大小约为15A，这种充电叫做常规充电(普通充电)。常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时间为5-8小时，甚至长达10至20多个小时。
2)优缺点：因为所用功率和电流的额定值并不关键，因此充电器和安装成本比较低；可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本；可提高充电效率和延长电池的使用寿命。常规充电模式的主要缺点为充电时间过长，有紧急运行需求时难以满足。
3 2 2 快速充电
1)概念：常规蓄电池的充电方法一般时间较长，给实际使用带来许多不便。快速充电电池的出现，为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。
快速充电又称应急充电，是以较大电流短时
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第38卷国内外电动汽车发展现状及充电技术研究2010年第2期
间在电动汽车停车的20分钟至2小时内，为其提供短时充电服务，一般充电电流为150~400A 。
2)优缺点：充电时间短；充电电池寿命长(可充电2000次以上)；没有记忆性，可以大容量充电及放电，在几分钟内就可充70%~80%的电；由于充电在短时间内(约为10-15分钟)就能使电池储电量达到80%-90%，与加油时间相仿，因此，建设相应充电站时可不配备大面积停车场。但是，相对常规充电
模式，快速充电也存在一定的缺点：充电器充电效率较低，且相应的工作和安装成本较高；由于采用快速充电，充电电流大，这就对充电技术方法以及充电的安全性提出了更高的要求，同时计量收费设计也需特别考虑。
3 2 3 机械充电
1)概念：即电池组快速更换系统。通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其充电的目的。由于电池组重量较大，更换电池的专业化要求较强，需配备专业人员借助专业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。
2)优缺点：电动汽车用户可租用充满电的蓄电池，更换已经耗尽的蓄电池，有利于提高车辆使用效率，也提高了用户使用的方便性和快捷性；对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，降低了充电成本，提高了车辆运行经济性；解决了充电时间乃至蓄存电荷量、电池质量、续驶里程长及价格等难题；可以及时发现电池组中单电池的问题，进行维修工作，对于电池的维护工作将具有积极意义，电池组放电深度的降低也将有利于提高电池的寿命。3 3 充电计费方式
目前国内充电站充电计费方式均以I C 卡计费为主。
3 3 1 计费系统的硬件配置电动汽车价格
国内计费系统的硬件配置主要包括彩触摸屏,I C 卡读写装置，票据打印机,CAN 总线通信接口等。
3 3 2
充电操作及计费系统的系统流程
图3-1 I
C 卡计费系统流程图3 4 电动汽车充电站谐波污染抑制
目前，我国生产充电机技术水平较高厂家,
技术指标均能达到较高要求。
3 4 1 充电机应达到的功率因素及谐波电流控制值
1)功率因素大于90%。
2)按照GB /T -14549-1993采用专用线路供电的充电站向公用电网注入的谐波电流分量(方均根值)不应超过标准的规定值
当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时的换算方法为:
Ih =Sk1/Sk2 Ihp
式中:Sk1 公共连接点的最小短路容量，单位MV A;
Sk2 基准短路容量，单位MV A;
Ihp 基准第h 次谐波电流允许值，单位A;Ih 实际容量下第h 次谐波电流允许值，单位A 。
在公共连接点处第i 个用户的第h 次谐波电流允许值I h i 按下式计算
Ihi =Ih (S i /St )1/
式中:I h 第h 次谐波的电流允许值;
S i 第i 个用户的用电协议容量，单位MV A;
St 公共连接点的供电设备容量，单位MV A;
相位叠加系数，见表1
表1 相位叠加系数
谐波次数357911>13相位叠加系数
1 1
1 2
1 4
1 8
1 9
2
3 4 2 充电机的功率因素及谐波电流控制值
电动汽车充电机为模块化设计，单个充电模块的输出功率为5k W 。5k W 以上的充电机采用2个或以上的充电模块并联工作，满足整机输出功率需求。SDV33015充电模块输入采用有源功率因数校正电路，其电气原理如下图所示，因此整机功率因素大于90%，总谐波畸变小于30%，符合电力系统对功率因素及谐波电流控制的要求。3 5 充电站监控系统
电动汽车充电站是保障电动汽车正常使用的能源基础服务设施，电动汽车充电站监控系统作为充电站站内设备的集中监控系统，研究开发电动汽车充电站监控系统非常有必要。目前国内开发的充电站监控系统基本具备以下几大功能。3 5 1 充电监控功能
1)对充电桩的监控：监视充电桩的交流输出
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接口的状态，如电流、电压、开关状态、保护状态等；采集与充电桩相连接的电动汽车的基本信息；控制充电桩交流输出接口的开断。
2)对充电机的监控：充电机作为被监控对象，上送给监控系统主要包含两类数据，充电机状态信息；电池状态信息。
3 5 2 配电监控功能
实现对电动汽车充电站配电设备的监控，方便统一管理和数据共享。可实现对整站的总功率、总电流、总电量、功率因数、主变状态、开关状态、无功补偿及谐波治理设备的监视和控制。
3 5 3 电池维护监控功能
在大型综合充电站中，当电池使用了一段时间之后，由于电池包中的电池模块可能存在一致性的问题，需要通过专门的电池维护设备对电池进行维护、评估，来决定是否对电池进行重新配组。
3 5
4 快速更换设备监控功能
在具备电池快速更换设备的充电站中，充电站监控系统可采集快速更换设备当前轨道位置、设备状态等信息，可通过充电站监控系统对电池快速更换设备下发具体电池更换命令：让快速更换设备在指定轨道位置更换电池架上指定位置的电池包。
4 电动汽车充电需求分析
4 1 电动汽车充电量的总体需求
电动汽车充电量与电动汽车保有量及车辆的日均行驶历程、单位里程能耗水平等相关。以上海市为例，根据有关资料分析显示，到2020年电动汽车市场预计达到7万多辆，日电量总消费达到1840万k W h。
4 2 电动汽车运行模式
在不同的运行模式下，电动汽车对其续驶能力和充电时间要求也不同，直接影响充电站的建设方式和功率需求。以后电动汽车运行模式主要有三种：公交运行模式；出租车运行模式；公务车或社会车辆运行模式。
4 3 动力电池特性
不同种类动力电池具有不同的充电特性，最佳充电率在0 2~2 0C之间变化。电池系统额定电压相同的情况下，最高充电电压由于电池种类、结构型式上的区别也体现出一定的差别。对于不同种类的电池，充电方法及充电控制策略也不同，应根据其电池特性不同采用不同的充电方法。
4 4 充电时间
不同运行模式的电动汽车对充电时间提出了不同的要求，而充电时间的不同需要不同的充电方式来满足。在电动汽车对充电时间要求不高的情况下，可在停运时间利用电力低谷进行常规充电，延长车辆的续驶里程；在充电时间较为紧迫的情况下，需要采用快速充电或电池组快速更换及时实现电能补充。
4 5 充电场所及其他环境条件
动力电池充放电工作效率受充电场所及其他环境条件的影响，尤其是受环境温度的影响。在常温下，电池充电接受能力较强，随着环境温度的降低，其充电接受能力逐渐降低。因此，随环境温度降低，充电站功率需求将增加。因而，建设充电站时应尽可能保证其环境不受人为温度条件的影响。
5 结束语
以上对国内外电动汽车及其充电系统的发展现状作了研究，对电动汽车充电系统建设的影响因素进行了初步分析，总结出电动汽车充电技术发展的几大趋势，然后分析了常规充电、快速充电、机械充电这三种主要充电模式各自的优点、缺点以及适用范围。最后，根据充电站的类型、规模等各方面综合规划，给出了几种可供选择的电能外部接入方式。
参考文献
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