电动汽车，任重而道远

黄浩伟



电动汽车，任重而道远

黄浩伟

(青岛科技大学, 山东 青岛 266061)

电动汽车的出现是为了在方便人们出行的同时，更好地解决环境污染问题，但在研发、推行电动汽车的这条路上，我们也面临着许多的问题和挑战。为了让人们意识到电动汽车的未来发展之路确实任重而道远，提出了目前电动汽车存在的三大问题：充电焦虑问题、电动汽车经济性问题、电动汽车间接污染严重。并且通过数据对比以及文献分析所得到的结果证明这些问题确实存在，需要人们面对并解决这些问题。最终得出电动汽车的发展任重而道远的结论。

电动汽车；充电焦虑；经济性；间接污染；任重道远

0 引言

习近平总书记说：“绿水青山就是金山银山。”伴随着能源的开采及利用，人们也越发珍惜身边的宝贵资源，并且注重污染的处理与排放、注重可持续发展。伴随着新能源的出现，人们开始想办法去用新能源来代替传统能源，所以人们加大了对电动汽车的研究，希望用电动汽车代替传统汽车，从而实现减少排污，保护环境的目的。

但是电动汽车的诞生与完善之路，需要一步步地去探索，目前仍然面临着许多问题，比如说充电焦虑问题、电动汽车经济性问题、电动汽车间接污染问题等。

本文通过国内外大量的数据对比与分析，电动汽车是未来汽车的总体发展方向。如今，电动汽车承载着我们太多的重托和希望，但是要健康有序地发展，就需要解决电动汽车当今所面临的问题。

1 充电焦虑问题

电动汽车，顾名思义，这种汽车的能量来源即为电能。所以电动汽车运行体系的持续运行，对电能的需求与补给也有着非常大的需求。

电动汽车充分依赖电能，假如电动汽车成为将来交通工具的主体，那么大量的电能又如何获取并转移到电动汽车内呢？于是我们不得不思考到充电焦虑问题，找到相应的解决方案。

1.1 充电站的分布

随着电动汽车发展突飞猛进，充电基础设施建设滞后日益凸显，甚至已影响到电动汽车的进一步发展。通俗的讲，就是我们应该更加注重充电站在哪里、有多少的问题。毕竟电动汽车一旦投入使用，人们最关注也最担心的问题就是有没有地方充电、有没有足够的充电站，与此相应，便产生了充电焦虑问题。对此，国家发改委提出了这样的目标：到2020年，新增集中式充换电站超过1.2万座，分散式充电桩超过480万个。大部分的充电站都分布在高速服务区或者是加油站这些对电能需求大的地方。目前我国的充电站分布大体情况如图1所示。

图1 充电站分布图[1]

由图1可以看出：充电站大多分布在中东部地区，西部地区只有在人口较多的地方才有充电站，那么对于想要去新疆西藏等选择自驾旅游的人，驾驶电动汽车的一大问题就是没有地方充电。但是随着电动汽车产品本身质量的提升和使用的普及，充电站的数量会越来越多，分布也会越来越广泛，所以解决这一类充电焦虑问题是指日可待的。

1.2 充电时间

这里我们讲的充电时间不单单是说我们所说的开始充电到电充满的时间，一旦电动汽车走向市场并被大量应用，我们就要考虑到在充电站到底能不能充上电？保证我们需要的话平均要充多久？会不会排队等候？这些都是计算在宏观充电时间里的。

建立充电站的目的就是给电动汽车快速充电，大约10~30分钟可以充电80%，想要要完全充满，大都是5小时左右。但是充电站的广泛分布，使用户能够间歇性的充电、行驶。所以在充电时间上，一般都能够满足用户的基本需求。但是一旦充电汽车大量上市、为人所用，人们不可避免地就会面对排队等候的问题，针对此类问题，我们倾向于采用快速充电、大功率充电的方法去解决，但无论怎样，消耗时间都是无可避免的，我们所能做的，就是努力缩短等待时间。

从燃料电池、光伏电池等方面，针对传统两级式逆变器由于输入输出功率不平衡所带来的二次功率扰动问题，提出了一种六开关的混合Buck/Boost电路，并联在逆变器交流输出侧进行功率解耦，从而抑制母线电压和直流侧电流中的二次纹波，并将大电解电容替换成小容量和长寿命的薄膜电容。尽量提高燃料电池的使用寿命和光伏电池的利用率[2]。

除此之外，变压器是电力系统中的关键设备，其健康状况将直接影响到电力系统的运行状态。针对变压器局部放电类型识别问题，提出了基于统计特征参数与概率神经网络的局部放电模式分类方法。识别准确率得以提高、识别时间的开销减少[3]。

2 电动汽车经济性问题

当商品走向市场，消费者主要注重两个方面：质量与价格，即性价比。所以我们就要去考虑这样一个问题：电动汽车真的经济吗？电动汽车的经济性是与传统汽车相比较的，充电比加油便宜，比如说目前的电费加服务费大约是1.5元/度，油价却是7.2元/升，都折算成按公里要价，电动汽车每行驶1公里大约花费0.15 元，而传统汽车每行驶1公里大约花费0.4元。并且传统汽车需要定期维护保养，而电动汽车几乎可以是免维护的。这样看来电动汽车实在是经济得很，但是电动汽车也会面临电池衰减问题，并且更换电池是一笔较大的开支：蓄电池使用寿命太短。普通蓄电池充放电次数仅为300~400次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不过700~900次，按每年充放电200次计算，一个蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短，并且更换一个电池就是几万元。另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足。例如，铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但续驶里程短、加速动力差且寿命短。镍镉电池加速动力足、寿命较长，但其成本高、可回收性差。钠硫电池的比能量较高，能够提供较长的续驶里程，但它要求的工作环境较苛刻，且其活性物质具有强腐化性并易爆炸。就整体来看，成熟电池的寿命都相对较短，电动汽车的保修成本也不低。

2017年1月与12月的材料价格对比如表1所示。

数据来源：公开资料整理[4]

由图2可以看出：从产量来看，2017年国内锂电池电解液产量超过10万吨，同比增长超过13%，主要增长驱动力来自于两方面：1) 国内动力电池产量约45 GWh，同比增长达44%，带动动力型电解液产量上升；2) 电解液行业龙头企业对日韩的出口量保持稳定增长。从产值来看，2017年国内电解液产值超过50亿元，同比小幅下降，企业毛利下滑，主要原因是：1) 2017年随着终端降成本压力增加，上游化工添加剂原料价格上涨、产品价格下滑，挤压电解液企业盈利能力；2) 高能量密度电池的发展趋势下，电解液企业研发和固定资产的投入加大；3) 随着环保监管持续深入，高危化学品制剂生产企业在环保方面投入不断增加。

表1 2017年1月与12月的材料价格对比

随着电动汽车渗透率的增加，电动汽车的无序充电会给区域配电网的运行带来很大压力。为了减小电动汽车负荷对电网的影响，提出了一种电动汽车智能充电的调度策略。在分时电价的基础上，将充电成本最小化和负荷方差最小化作为目标函数，考虑了充电机最大充电功率限制等约束条件，建立了电动汽车集中充电的多目标优化调度模型，采用了非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对优化模型进行求解，通过Matlab算例的计算结果验证了该策略的可行性和有效性[5]。这非常有益于降低充电成本。随着分布式发电设备大量接入到配电网中，分布式发电设备在配电网故障情况下为接入位置负荷及周边重要负荷的供电研究日益引起关注。利用投入产出法确定负荷的失负荷价值，基于失负荷价值设定负荷权重。在接入位置和总容量确定的情况下，以总权值最大为目标，利用萤火虫优化算法讨论接入容量的最优分配以及故障条件下的孤岛运行范围，优化了含分布式电源的智能配电网[6]。

提高电动汽车的经济性还可以通过减少电能传送损失来实现。在电力系统中，无功功率在线路的首端到末端有无功功率的“消耗”，负荷端的无功功率越大，线路上的电压降也就越大。也就是说，负荷接受到系统的无功功率越多，负荷处的电压也就越小(机组端电压不变)。因为无功补偿不足，电网就必须提供无功功率，电网提供无功功率就会造成线路上的电流增大，因为电线有电阻，线路长了，就会在线路上造成压降，电流越大，造成的压降就越大，这样整个电网的电压就会下降，损失一部分电能。目前地区电网最有效的控制手段是调节有载调压变压器抽头和投切并联电容器组，统称为电压无功综合控制(VQC)[7]。减少电能的损失除了使电压稳定在高值，还应该在降低电阻方面下功夫。为了解决优化电力系统输电线路杆塔接地网接地装置存在的腐蚀严重、稳定性差和使用寿命短等问题，以500 kV输电线路接地网模型作为研究对象，我们已经提出了适用于不同环境的接地系统优化方案[8]。

电动汽车的经济性一方面体现在电能损失的多少，另一方面还要考虑对输电线以及充电站的维护费用。针对高压电力输电线智能定位法中由于采用特征提取算法导致定位速度慢的问题，已经提出了一种基于电压振幅和支持向量回归机的高压电力输电线故障智能定位系统，可以大大提高故障定位速度，而且故障定位的精确度也非常高[9]。一种适用于MMC-HVDC直流输电线路的保护新原理可以提高输电线的抗性[10]。并且考虑运行方式优化和拓扑校正控制的参考电网优化方法，使得输电网可以更加灵活的规划[11]。

电动汽车的经济性是非常大且重要的要素，首先应该让普通消费者消费的起。综合来说，随着电动汽车的在市场的大量推行以及广泛使用，电动汽车的各种成本会越来越低。从上面表格中2017年初和年尾的对比中就能看出来这样的趋势，更何况电动汽车的发展长久可期，电动汽车的经济消费会越来越低，越来越多的为老百姓所消费得起。并且已经有人建立了多电新增实体、少电新增实体、电动汽车群和电网公司的多方动态非合作博弈模型，分别在电动汽车群充电模式和放电套利模式下得到满足纳什均衡的电价交易策略[12]。

3 电动汽车间接污染严重

新能源汽车日益被大家关注，而纯电动汽车更是被推上了议论的风口浪尖。很多人都说新能源汽车目的就是为了在驾驶过程中降低排放，但是根据能量守恒定律，电的生产过程现在主要依靠火电，一样会消耗煤炭，同样会产生碳排放。所以有人说纯电动车只是节约了石油资源，并没有对环保做出特别贡献，属于假的新能源汽车。当然发电还有风电、核电、光伏发电等等，但是现在主要还是火电[13]。电动汽车本身虽无排放污染，但其间接污染是不容忽视的。如铅酸电池中的铅，从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染。再如所用电能，相当大一部分来自火力发电，煤炭燃料也会造成大气污染。

当今电动汽车间接污染较为严重主要就是燃煤发电，所以我们采取的相应措施就是煤电治理。传统汽车使用的汽油也是由煤所提炼出来的，这样看来两者几乎没有什么区别。但是我们如果治理传统汽车对环境的污染，是从每辆汽车本身下手，去治理相应的污染，这样分布治理非常麻烦。而对于电动汽车来讲，治理煤炭污染即从发电源头着手处理，这样集中治理更加方便简单。

对于电动汽车的间接污染问题，除了从煤电污染的治理入手，还应该从污染源入手，即电池。电池污染往往是被人忽视的因素之一，几乎每台电动车内部都含有大量石墨，全球最大的石墨生产国便是中国，石墨属于重度污染源，污染水源，破坏农作物，污染空气大大提高尘肺几率，这比尾气排放的污染危害要大得多[14]。目前电动汽车的电池多为锂电池，锂电池回收价值低，并且污染环境很严重，面对这样的问题，可以通过建立电池回收系统，去更高效的去回收废旧电池。并且当今水电核电等清洁能源占比不断上升，通过大力发展清洁能源来发电，甚至是取代传统的发电方式，是解决电动汽车间接污染问题的有效途径。

但是就在这样的情况下，电动汽车仍然有机会得到普及。国家统计局发布的数据显示，2017年上半年，水电发电量占全部发电量的比重为15.6%，与上年同期相比下降1.8个百分点；火电、核电、风电发电量分别占全部发电量的比重为75.1%、3.9%、5.0%，与上年同期相比分别提高0.5、0.4、0.5个百分点。也就是说，25%的电为清洁电力。这样全部电力平均一下，算下来每度电只有250克标煤。500毫升汽油行驶8公里，相当于每公里62.5克；250克除以5公里，每公里为50克。明显低于汽油油耗。并且中国火电中还有一部分天然气发电，其污染也小于煤炭[15]。所以电动汽车还是有很大的发展空间。

4 结论

(1) 对于充电焦虑问题，无论是去哪里充电还是充电时间的长短，都无需过多地担心。充电站的数量以及分布范围会随着电动汽车的上市与普及而增多、扩大。充电时间也会因为充电站之间距离的缩短而减少。充电焦虑问题也可以随之得到相应的解决。

(2) 对于电动汽车的经济问题，着实很难去解决，与传统汽车相比没有明显的优势。电动汽车蓄电池的普遍寿命比较短，一个蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足。就整体来看，成熟电池的寿命都相对较短。所以提高电动汽车电池的性能是我们以后的一个重点研究方向。

(3) 对于电动汽车间接污染严重问题，清洁能源的投入与使用是非常有效的解决问题的方法。

(4) 总而言之，随着科技不断发展进步，电动汽车的相关问题都能够得到解决，电动汽车的快速健康发展也会得到有力保障。

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Electric vehicle still have a long way to go

HUANG Haowei

(Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)

The emergence of electric vehicles is to facilitate people to travel and at the same time better solve the problem of environmental pollution. But we also face many problems and challenges on the way of research & development and implementation of electric vehicles. In order to make people realize that the future development of electric vehicles is indeed a long way to go, the three major problems of electric vehicles are presented: charging anxiety, economic problems of electric vehicles and indirect pollution of electric vehicles. And the results from data comparison and literature analysis prove that these problems do exist. People need to face and solve these problems. Finally we can come to the conclusion that the development of electric vehicles has a long way to go.

electric vehicle;charging anxiety; economic;indirect pollution; heavy responsibility and far way

2018-07-29；

2018-08-27

黄浩伟(2001—)，女，研究方向为过程装备与控制工程。E-mail: 921740801@qq.com