电动车充放电对建筑供电的影响探讨

徐伟华 / 陈双燕

(1.电力规划总院有限公司，北京 100120； 2. 中国建筑设计院有限公司，北京 100044)

电动车充放电对建筑供电的影响探讨

徐伟华1/ 陈双燕2

(1.电力规划总院有限公司，北京 100120； 2. 中国建筑设计院有限公司，北京 100044)

介绍了汽车电动化的发展前景和充电桩的选择方案，探讨汽车电动化对建筑供电设计的影响。

电动汽车充放电 建筑供电

0 概述

电动汽车虽有其自身优势及国家政策扶持，但质疑的声音也时而有之。尽管电动汽车的发展还面临不少困难，但有理由对电动汽车的未来保持信心。本文探讨了汽车保有量增长、电动汽车与内燃车竞争的前景，并分析了电动汽车对建筑供电的影响。

1 我国汽车保有量展望

以千人汽车保有量为指标，美国约为800辆[1]，欧盟高收入国家和日本约为600辆，韩国约为400辆。2016年底我国千人汽车保有量达140辆，对我国汽车市场达到饱和或接近饱和时的汽车保有量进行预测，我国千人汽车保有量将达到400辆，甚至600～800辆。

通过回顾我国汽车保有量增长的过程，我国汽车保有量从1996年末的1 100.1万辆增长为2016年末的1.94亿辆，近20年千人汽车保有量年均增长率为14.7%。因为2016年我国千人汽车保有量的增长率是12.1%，所以如果以11%的年均增长率去预测未来汽车保有量，以2016年底的人口数量13.8亿人不变进行粗略测算，千人汽车保有量年均增长率取11%，我国千人汽车保有量将分别在2020年、2024年、2027年超过200辆、300辆、400辆。

2 汽车电动化前景

虽然目前电动汽车还存在续航里程短、充电难、充电慢等问题，但是这些和充电桩、电池相关的技术问题将随着科技的进步逐步得到解决。除了电动汽车制造厂家的努力外，老百姓对电动汽车的接纳和电力系统对电动汽车的支持是影响汽车电动化过程的重要因素。

不管是内燃车还是电动汽车，对于普通百姓而言都只是交通工具，性价比是选购的决定性因素。从全寿命周期看，不管行驶里程是高还是低，购买及使用电动汽车的费用均低于内燃车。以费用计算举例：1)行驶里程高的用车方式，比如出租车，取电耗20 kW·h /100km、油耗8L/100km，一般工商业用电平段0.605元/ kW·h、油价6.44元/L，行驶6年、每年行驶15万km进行测算，虽然电动汽车比内燃车的购车费多了大约19.5万元，但行驶90万km的电动汽车比内燃车至少节约35.5万元动力费，以充电不耽搁营运时间为前提，开电动汽车的出租司机6年间可以比开内燃车的出租司机多赚16万元；2)行驶里程低的用车方式，比如某些私家车，由于行驶里程短，“以电代油”所节约的动力费不足以弥补多付的购置费，如果让电动汽车通过充、放电为电力系统调频调峰等服务，以另一种形式提高电动汽车的利用率，目前具备放电功能的车型已存在(如比亚迪e6)，只是电网目前尚不允许电动汽车放电。只有允许电动汽车以合理的价格对外放电，私家车市场的大门才会向电动汽车敞开。从我国富煤贫油少气的化石能源结构上看，电动汽车电能双向流动只是时间问题。

有关资料表明，我国每年新增石油消费量的70%以上被新增汽车所消耗[2]，由此可以看出石油行业对汽车的重视程度。虽然电动汽车用电量不大，未超过全社会用电量的5%，但是电动汽车对于电力行业的意义在于汽车电动化之后，电动汽车可以为电力系统提供丰富、优质的调频调峰资源。

结合电动汽车的经济性及其与电力系统关系的分析可知，汽车电动化可以实现，但其所需的时间和汽车的正常更替速度有关，尽管《机动车强制报废标准规定》取消了私家车强制报废年限，不过按照成熟市场报废汽车占汽车保有量6%～8%[3]计算，汽车更替的时间大约是16年。也就是说从电动汽车向电网放电的调度及交易关系理顺起到汽车电动化基本完成，大约需要16年。

3 充电桩选择

1)充电桩类型

充电桩的建设应全力争取电力系统的支持并获得民众的认可。只有处于泊车状态的电动汽车具备持续插电条件，电力系统才有可能将行驶里程不高的私家电动汽车用于调频调峰。再根据居住地、工作地、目的地均方便充电的要求，车桩比约为1∶3才较为合理。

当充电桩的数量显著多于电动汽车的数量时，必须尽可能地降低充电桩的成本。如果是大功率变流器车载，那么充电桩可简化近似于三相配电箱，只有这样，三相交流充电桩才能为电动汽车提供廉价、便利的大功率充电条件；行驶里程低的电动汽车才有持续插电的条件接受电力系统调度对外售电；充电服务费才能大幅降低，从而将“以电代油”的收益尽可能多地分享给车主，私家车市场的大门才能向电动汽车敞开。

因此，不是电动汽车本身，而是电力系统和普通百姓的利益决定了三相交流大功率充电方案才是电动汽车充放电的合理方案，这要求充电桩向三相配电箱简化、大功率四象限变流器为车载。

2)充电桩功率探讨

我国高速公路上小型车和大型车分别限速120km/h和100km/h，取百公里电耗分别为20kW·h和140kW·h，如果按上限速度行驶4h考虑续航里程，则动力电池容量分别为100kW·h和700kW·h。如果按满足5min之内以10C电流从零开始充入80%的电量考虑充电桩的功率上限，那么小型和大型电动汽车的充电功率上限分别不超过1 000kW和7 000kW。

3)充电桩电压电流探讨

交流充电最高可以采用440V电压和63A电流[4]的接口，功率为48kW；对于100kW·h的动力电池，100min才能从0%充入80%的电量。

对于100kW·h的动力电池，如果考虑导线截面的约束，适当将电流提高到150A，三相交流400V、690V和1 200V电压的功率分别为99kW、179kW和312kW，从0%充入80%的电量分别需要49min、27min和15min。如果考虑交流电压高于额定10%等因素，1 200V电压等级和150A电流电缆可以提供350kW功率，勉强够小型电动汽车快速充电用。

对于700kW·h的动力电池而言，功率为350kW时从0%充入80%的电量需96min，也就是说要想满足大型电动汽车的快速充电要求，还需进一步提高电压。鉴于10kV配电网已不堪重负，如果采用20kV电压，那么在10C充电的电流会达到202A，若再采用2根充电枪同时充电，那么单枪的充电电流可以降到150A以下，则充电接口可以按最大50mm2电缆考虑。

4)全碳化硅变流器

虽然上述探讨解决了三相交流桩的功率以及实现相应功率的电压、电流组合，但是如果要避免换电和直流快充的不足来实现汽车全面电动化，还需要合适的电力电子器件支持。碳化硅击穿电压的强度约为硅的10，能带隙、热导率均约为硅的3倍[5]，碳化硅器件的这些特性使得大功率三相四象限变电流器车载成为可能。

4 对建筑供电的影响

电动汽车对建筑供电的影响源于其潜在着很高的总体充放电功率及其作为电力系统储能元件的潜力。在设计充电基础设施时，首先从车主用车便利的角度考虑快速充电的需求，其次考虑满足电力系统利用电动汽车调频调峰的需求。

1)对充电桩供电的影响

综合考虑满足电动汽车充电和节能、节铜等因素，相线截面不宜超过50mm2。

如果要考虑快充需求，即在5min之内充入80%电量，那么应该采用10C电流充电。对于100kW电池的小型汽车，10C电流充电的功率为1 000kW。对于50mm2的电缆，1 200V电压的输送功率约为310kW；400V电压的输送功率约为100kW。是否采用1 200V电压还要看电动汽车大功率充电的发展。

如果不考虑快充需求，那么充电电流≥0.25C。对于100kW电池的小型汽车，0.25C电流充电的功率为25kW，已有车型已能达到40kW。

总之，充电桩供电线路的导线截面，下限是宜按每根充电枪≥25kW考虑，上限可取50mm2。在目前电动汽车处于发展初期、对充电方法尚存争议的特殊阶段，选择变压器时可以考虑多个抽头。

2)对配电变压器容量选择的影响

对于负荷密度低的地区，满足至少一辆车能够快充是设计需要注意的问题，即10kV/0.4kV变压器的容量≥100kVA。

对于大型停车场，配电变压器的容量应能够满足单台车快充的需求，但长远来看，总变电容量满足电力系统利用电动汽车调频调峰的需求是设计时需要考虑的问题。在满足单辆汽车快充功率需求与电动汽车整体作为电储能元件功率需求的基础上，如何利用电动汽车的充放电提高供电可靠性、提高配电设施的利用率，值得进一步深入研究，也是设计师水平的体现。

5 结束语

分析我国的化石能源结构特点及汽车市场的饱和度可知，现在是电动汽车发展很好的机遇期，且建筑供电大致处于电网和电动汽车连接处的有利位置，汽车电动化对于建筑供电而言是难得的发展与市场机遇。笔者认为，以为处理电动汽车充电对建筑供电影响的关键所在：1)充电技术路线的选择，本文支持交流三相大功率充放电；2)兼顾电动汽车作为交通工具和作为电力系统调频调峰工具，处理好变电容量的匹配。

[1] 2016年全球汽车行业市场现状及发展趋势[EB/OL].http://www.chyxx.com/industry/201607/429684.html， 2016-07-11.

[2] 汽车产业实现转型升级亟需践行绿色制造[EB/OL].http://www.caam.org.cn/hangye/20150701/1405163599.html. 2015-07-01

[3] 汽车拆解市场蓄势待发[EB/OL].http://stock.jrj.com.cn/2014/08/05003617739412.shtml，2014-08-05.

[4] GB/T20234.2-2015电动汽车传导充电用连接装置 第2部分 交流充电接口 [S].北京：中国标准出版社，2015.

[5] 性价比：SiC MOSFET比Si MOSFET不只高出一点点[EB/OL]. http://www.eepw.com.cn/article/281267.htm，2015-10-13.

Discussion on Electric Vehicle Charging and Discharging to Buildings Electric Power Supply

Xu Weihua / Chen shuangyan

The prospects of automotive electrification and the choice of charging pile are introduced, and the influence of automotive electrification on building power supply design is discussed.

electric vehicle charging and discharging, building power supply