电子产品世界

摘要：世界各地都在竞相用电动汽车取代化石燃料汽车，我们可以看到在超市停车场、博物馆和许多其他公共场所的充电站如雨后春笋般涌现。预计电动汽车采用率将以每年32%的速度快速增长，虽然目前道路上只有1%左右的电动汽车，但预计到2050年，电动汽车将占所有轻型汽车销售的65%左右。与目前部署的充电站数量相比，未来充电站的数目需要大幅度提高。目前，在一个典型的500车位停车场中，或许只能找到  5 个充电桩，只有可用停车位的1%。另一个考虑因素是在繁忙时段可能形成的长等待队列，因为即使是快速充电器，完全充满车辆电池电量也需要一定时间。快速、高电流充电站的日益普及，也突显出对当地电网基础设施的巨大需求，以提供足够数量的充电站。虽然电动卡车的采用还处于起步阶段，但这也将给充电设施带来更大压力。

在本白皮书中，我们将分析电动汽车采用率的提升如何对建有充电站（如公共停车场、办公室或家中等）的配电基础设施提出新的要求。

一般的电动汽车文章通常以令人印象深刻的增长率统计数据开始，而且人们很容易谈论起预期的电动汽车销量。能源创新（Energy Innovation）组织^[1]的数字就是其中一个例子，该机构预测，到2050年，市场上销售的新轻型汽车中，将有65%～75%会是电动汽车，2012～2016年间平均增长率为32%，仅在2017年6月为止就已经增长了45%（见图1）。通过更深入分析，一些出自不同来源的增长数据也显示了巨大差异。在未来30年中，70%（+/-5%）的销售数字增长有其内在的假设：其中包括关于电动汽车价格的变化、未来的技术改进、油价、政府机构的激励和其他"几十个"更多要素。Energy Innovation的另一个数字来自能源信息管理局（EIA）2107年年度能源展望（Energy Information Administration (EIA) Annual Energy Outlook 2107）"无清洁能源（No Clean Power）"案例，在2025年市场占有率达到约5%之后，几乎不会再有增长。因而，需要自己作出选择。

图1 美国电动汽车市场份额的三种预测：能源创新能源政策仿真（EPS）1.3.1正常业务（BAU）案例，EIA 2017年度能源展望"无清洁能源"案例，以及彭博新能源金融（BNEF）2017年电动汽车展望案例（资料来源：Energy Innovation）

影响电动汽车市场主要因素

电动汽车目前相对昂贵，因此乐观的预测往往会假设价格会随着销量和技术改进而下降，但只有当价格下降时，销量才会增加，这还是鸡和蛋哪个先有的问题。一些制造商承认，为了刺激市场，每售出一辆车都会亏损，但这不是一个好的商业模式，并会考验投资者的耐心。政府压力是另一个驱动因素，需要达到气候变化的目标，也需要控制污染水平，世界各地的政府机构已经宣布了在特定日期之前"禁止内燃机（ICE）"的目标。这种标题给人留下深刻印象，但往往意味着禁止只使用ICE的车辆，而混合动力车则无期限限制。汽车制造商也在以同样方式玩弄文字，他们不会放弃内燃机汽车的制造能力和资产，而去承诺生产100%的电动汽车。未来有一天如果他们承诺，实际意味着100%全电动和混合动力汽车。

油价也会在一定程度影响未来电动汽车的采用程度。虽然当下物价相对稳定，但地缘政治对于油价影响巨大，任何政府补贴也都有影响。例如，在美国，石油的补贴高达每年40亿美元^[2]。如果原油价格从目前每桶54美元左右再次降至低于20美元（通货膨胀调整后），消费者可能会重新考虑电动汽车的运行成本。目前，电动汽车每1美元电费大约可行驶43英里，大约是燃油汽车或SUV成本的四分之一。

如果电动汽车的购买和使用成本不能鼓励人们放弃之前的内燃机汽车，即使每年有20万美国人由于大气污染而死于肺部疾病，缓解气候变化和改善环境等理由可能也不会奏效^[3]。

续航里程忧虑

提高电动汽车市场份额的一个障碍是人们对于充电的担忧。起初的电动汽车里程数只有100英里左右，这使电动汽车只适用于做短途旅行的特定类型司机，需要经常返回充电站为电动汽车充电。当下情况已经好转，对于较好车型来说，续航里程已经达到300英里左右，但焦虑依然存在，主要是认为充电站依然很少。这当然是一个现实情况，即便借用另一台路过的Good Samaritan备用电池，一个因电池电量耗尽而搁浅的电动汽车也不能恢复上路行驶。

与传统加油站相比，充电站的确很少，而且彼此之间距离较远，但这只是由供求关系决定。在美国，大约有2.7亿辆汽车^[4]和15万个加油站，一个加油站假设有8个加油泵，每个泵服务大约225辆汽车。相比之下，大约 794,000 辆电动汽车拥有约 48,500 个公共充电桩，每个充电桩服务16台电动汽车，充电桩的服务载荷是传统加油泵的14分之一！如果将办公室和家庭充电点考虑在内，则接近每台电动汽车拥有一个充电点。

显然，我们不能这样直接比较，一个油箱可以在大约10分钟内重新加满，加上适当的放松休息和从便利店购买一些饮料，也许需要15分钟。但是，在高速公路服务站，从"慢速"充电站充电可能需要几个小时，因此，如果所有充电点都在使用中，而下一个充电站距离数英里远，即便有更多的充电桩也没有多大帮助。

由于每个人都相信电动汽车的美好未来，我们可以期望未来要构建的基础设施会匹配其中一种采纳率预测方案，希望其中之一是正确的。不过，由于需求还有一些不确定性，以及可能会发生一些局部变化，或许会有欠缺或者过冲。可以肯定的是，加州在未来几年内安装的充电桩数量将比北达科他州多，目前，北达科他州电动汽车的销量比加州少40倍左右^[5]。

电力供应焦虑

虽然续航里程问题值得认真考虑，但电力供应也应该需要关注，至少在未来更应该这样。目前，电动汽车充电对电网的负荷几乎没有影响，但到2050年，如果预计75%的电动汽车每天都需要充电，电力需求可能高达美国电力总消耗量的15%，即900TWh（见图2）。

图2 在BAU场景下，假定成本逐渐下降，到2050年达到BAU价格只有现在的40%，美国电动LDV的年度电力需求，（资料来源：Energy Innovation）

同样，这里对技术改进也进行了假设。例如，电动汽车需要把能量从电池传输到车轮，目前的效率仅为 59% 到 62%，因此预期有相当的改进空间。内燃机汽车燃料中的化学能转化为动力的转换效率仅为17%到21%。迄今引用的电动汽车销售和能源消耗数字仅与轻型车辆（LDV）有关，如果电动卡车成为现实，上述这些数字可能非常保守。与建设充电站和升级公用事业基础设施相关的时限远远超出了政府行政条款和直接政治范畴，但公用事业提供商无论如何都会确信电动汽车的长期确定性，并将规划有足够的基础能源供应。无论如何，随着电动汽车总体市场的增长和基础设施的完善，电动汽车充电的额外15%载荷在发电层面并不是问题。然而，在配电层面，随着您愈加接近汽车充电电缆，情况就大有不同。

图3 高压配电将具有 EV 充电能力

满足未来电动汽车充电需求的配电硬件

从历史上看，夜间电力需求较低，随着烤面包机、电淋浴和其他家用电器在早上7点左右开始使用，负荷会快速增大。在傍晚时分，炊具、加热/冷却电器等开始最大负荷运行，这种峰值情况再次发生。如果将家用电动汽车充电添加到负荷内，用电模式将发生显著变化，负载会在夜间达到峰值，以便电动汽车能够做好早晨通勤准备。标准家用充电器可能为 3 或 7kW，需要 6 到 12 小时才能充满 EV，而PHEV 需要 2 到 4 小时，这仅仅与晚上运行一两个高功率加热器类似。但快速充电器的额定功率可达22kW左右，这接近家用电力供应的极限，通常比没有EV的峰值水平要高，当然，在24小时内的平均水平也要高得多。随着越来越多家庭采用电动汽车，当地配电网会马上感受到额外压力，将中等水平电压降至家用水平的变压器会大声鸣叫。但高压配电网和发电站不会因此退缩，因为这些也在向工业领域供电，所不同的是工业在不同时间达到峰值。本地电力供应基础设施可能是第一个瓶颈，也有因地而异的显著差异。例如，城市公寓可能有停车位，但 EV 供电不会直接来自于最终消费者的电力。这些电力是按照用量计费，但会是汇总到更高的公用事业级别，其中负载控制包括了家用和工业用载荷，只要其在硬件额定值范围内。路边和公共快速充电点也是如此，这些充电点负载更直接连在高压网络上。

电动汽车充电器具备足够智能，能够控制充电速率，因此电池在计划的时间内即可准备就绪，拥有所需要的电力，但他们却对电源的其他需求一无所知。智能充电器有机会与公用事业公司交互，能够控制临近社区内电动汽车的充电，以保持总负载在允许大小内。这不仅有助于防止超载，而且对公用事业公司来说也具有一个正面的好处。公用事业公司更喜欢平稳的负荷，这样可以避免电力需求的高峰和低谷，从而无需对发电厂进行昂贵的调整和关闭。在一些地区，公用事业公司通过给与回扣和特别费率鼓励用户在非高峰时段进行智能充电^[6]。

除了具备一系列智能特性和互联基础设施外，无论在车辆内部还是充电基础设施中设计大功率充电和电池监控系统都面临一些挑战，其中许多已经为电力系统设计工程师所熟知，而能源效率、散热和电源线调节是三大考虑因素。在频繁发生高功率负载开关的电气环境中，电源可能会经历剧烈的高速dv/dt 瞬态，如果这种高压尖峰得不到充分保护，可能会对连接的设备造成灾难性和永久性损坏。对于所有类型的电动汽车充电基础设施，强烈建议使用专业大功率保护设备，如 Bourns Hybrid GMOV。它由节省空间的气体放电管和金属氧化物变流器组成，采用单一紧凑型、低泄漏和长寿命封装，可提供一种非常可靠的方法来保护所有电路免受过电压瞬态浪涌的影响。

可再生资源双赢策略

长期以来，对电动汽车的一个反对意见是它们并不是所谓的绿色，这些观点认为充电所需的电能最终来自于高排放的煤炭或燃气发电机。随着可再生资源使用量增加，这种状况正在发生改变。没有太阳时不能实现光伏发电，难以预测的风力同样使涡轮机发电并不可靠。理想的解决方案是采用一些储能手段来保障电力供应能力，但至今没有完美的解决方案。例如，利用湖泊中的水力发电只适合某些地点。虽然业内有一些很有前途的想法，例如使用存储在基岩（bedrock）中的压缩油气，另一种可能性是使用电动汽车的电池组“借给”电网能量以作为缓冲，并可换取账单回扣（图4）。

图4 太阳能可以储存在电动汽车电池中

将能量返回电网需要双向充电器，这些技术已经具备。如果您知道汽车将闲置一段时间，公用事业公司可能会根据需要利用您的电池组进行能量提取和存储，而不会影响您的使用，因为智能充电器已经过编程，知道您何时需要使用汽车，并在此之前将电动汽车电池充满电。

参考资料：

[1] 能源创新，旧金山

[2] 美国财政部公开文件

[3] 麻省理工学院新闻研究：空气污染每年导致美国20万人过早死亡。

[4] Statista

[5] 汽车联盟高级技术汽车销售汇总（Dashboard）

[6] Pluginamerica州联邦激励

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