电动汽车充电设施与发展现状研究＊

2019-08-22崔继慧

科技与创新 2019年15期

崔继慧

电动汽车充电设施与发展现状研究＊

崔继慧

（首都经济贸易大学信息学院，北京 100070）

全球性能源危机和环境污染促进了世界各国电动汽车产业的发展，完善的充电基础设施是电动汽车普及的重要保障。介绍了电动汽车充电基础设施，包括分散式充电桩、集中式充换电站和无线充电设施。介绍了充电设施的概念、工作原理和依托技术等，其中，充电站的充电模式包括交流充电设备、快速充电设备和快速电池更换设备，无线充电技术主要包括电磁感应式、磁场共振式和电波式三种无线电能传输技术。最后介绍了电动汽车充电设施的国内外发展现状，指出推进充电基础设施建设是当前的紧迫任务。

电动汽车；分散式充电桩；集中式充换电站；无线充电设施

1 引言

在全球能源短缺和环境严重污染的情况下，各国都开始大力推进电动汽车的发展。从现有的技术来看，推进电动汽车的发展可以降低交通污染，由于电动汽车是由电能驱动车辆行驶的，不会产生CO、HC、PM等有害气体，即使电能生产会产生有害气体，但可以通过太阳能、风能、核能等可再生资源来代替，所以电动汽车越来越受到人们的青睐。而且据中国汽车工业协会统计分析可知，新能源汽车的产量、销售量都比上一年同期增长了很多，电动汽车逐渐成为乘车市场中重要的一员。

从目前来看，缺乏公用充电设施以及自用充电设施正在成为电动汽车推广应用中的限制因素。同时，电动汽车由于续驶里程较低，其需要的充电次数一般明显多于普通汽车加油次数，且充电时间一般多于加油时间。为了最大限度发挥电动汽车减少环境污染的优势，推动电动汽车广泛使用，需要研发并合理地布置充电设施，使电动汽车能够方便、及时地补充电能。目前正在开发或者使用的电动汽车充电设施主要包括分散式充电桩、集中式充换电站和无线充电设施。

2 电动汽车充电设施介绍

2.1 电动汽车分散式充电桩

分散式充电桩[1]包括私人充电桩和公共充电桩。私人充电桩的建设位置固定，车桩按照1∶1配置，不需要规划。公共充电桩建设场所有居民区、办公区、商业区和休闲娱乐区等功能区的停车位。充电桩主要由桩体、电气模块、计量模块等组成，一般为交流式和直流式两种充电模式[2]。

分散式充电桩主要有三个特点：①在建设用地方面，分散式充电设施不需要单独征地，在小区停车场、办公楼停车场等停车区域都可以建设，可充分利用空间资源；②在电网影响方面，分散充电设施主要由慢速充电桩组成，充电电流约为15 A，对电网的冲击比较小；③投资方面，分散式充电设施依靠停车场建设，不存在征地费用问题，并且对技术要求较低，容易实现，投资小。

2.2 电动汽车集中式充换电站

电动汽车集中式充换电站[3]是由三个及以上电动汽车非车载充电机（或）交流充电桩组成（至少有一台非车载充电机），可以为电动汽车提供充电和（或）更换电池服务，并通过一系列结构复杂的设备相互配合，从而满足广大用户需求的一种充电设施，其结构如图1所示[4]。目前较为成熟的充电站主要包括三种充电模式：交流充电设备、快速充电设备（非车载充电机）、快速更换电池设备。

图1 充电站结构图

2.2.1 交流充电设备

交流电充电桩，是一种通用性最高的落地式充电设备，占地面积不超过0.4 m2，具有投资小、易安装、免维护等优点。通过聚电桩APP，可实现查找、预约、充电组态现实监控的功能，此外通过聚电充电桩管理平台，将现实中的充电桩与互联网连接起来，分享充电设备，这样不仅提高了充电桩的使用率，也解决了充电站车位空置和占有率低的问题。但是交流充电桩的充电速度较慢，一般充电时间为5～12 h。

2.2.2 快速充电设备

快速充电设备（非车载充电机）是由充电设备控制系统与BMS（电池管理系统）对充电过程进行实时控制，适时根据电池状态和电池信息调整充电电压、电流，直至完成充电的一种设备。快速充电站可为多台电动汽车同时快速充电，按小型轿车充电电流3C（C为电池容量）计算，理论快充时间仅需20 min，按充电电流0.3C计算，充电时间约为3～4 h。

2.2.3 快速更换电池设备

快速更换电池设备（简称换电站）是利用大容量充电能力的充电站，连续为电池组充电，并将充满电的电池进行存储。当车辆需要充电时，只需进站更换电池组就可完成充电，换下的电池留在换电站继续充电，这样可以省去原本较长的充电等待时间。

2.3 电动汽车无线充电设施

无线充电设施利用耦合的电磁场为媒介实现电能传递，车辆在道路上行驶的过程中能通过无线设备补充电能，无线充电设备可以充分利用车辆行驶时间进行充电。目前无线充电技术主要包括三种无线电能传输技术：电磁感应式、磁场共振式和电波式[5]。

2.3.1 电磁感应式无线电能传输技术

电磁感应现象是指导体在变化的磁通量中产生电动势，若将此导体合成一个回路，则产生的电动势会驱动电子流动并形成感应电流。电磁感应式无线电能传输（ICPT）系统基于电磁感应原理实现电能输送，将空气作为介质，使能量从初级侧通过空气输送至次级侧。

2.3.2 磁耦合共振式无线电能传输技术

使用“磁耦合共振”原理可以实现磁耦合共振式无线电能传输。在感应场中，磁场能量在辐射源附近和它内部之间循环往复地来回传递，并且借助这种现象，将电磁共振技术应用于研究生产系统发射装置中。发射装置空间附近汇聚了大量未向外界辐射的交磁，而系统中的电容则束缚住了电场，使得它未向外界产生辐射的交磁。磁耦合共振式无线电能传输技术是一种在电磁场中使用高频磁共振作为彼此传输能量而不辐射到外部的装置的工具。

2.3.3 电波式无线电能传输技术

电波式无线电能传输技术也称为射频或微波（频率范围为300 MHz～300 GHz）WPT，它以微波为载体实现电能传输。在通过调节电路处理电能之后，再将电能供给负载。

3 国内外电动汽车充电设施发展状况

3.1 电动汽车充电站发展现状

2013年美国发布了《工作场所充电计划》，预计到2018年在工作场所建设20 000个充电设施。2016年，据美国能源署统计数据显示，美国已建成14 300家电动汽车充电站，36 000个充电网点。2016年，美国能源部宣布提供45亿美元的担保贷款来开发可再生能源项目，其中包括电动汽车充电站项目，目的是打造全美的充电站网络。

2010年日本发布了《日本下一代汽车战略2010》，该战略提出，计划到2020年建设200万个交流充电桩、5 000个直流充电桩。2015年日本提前完成了这一目标。此外，日本为了鼓励电动汽车快速发展，引入了汽车减免税和充电设施补贴措施。

在评估2020年充电设施发展规划时，德国计划在私人领域建设102.2万个交流充电桩；在半公共领域建设10.3万个交流充电桩和7 100个直流充电桩；在公共领域建设7 000个交流充电桩。2009年，法国推出国家电动汽车“14点”计划，预计投资15亿欧元来建设公共充电基础设施。2014年，英国宣布会在2015—2020年5年期间投入5亿英镑，促进新能源汽车行业的发展。2016年，宝马、戴姆勒、大众、福特四大公司发表联合声明称，将在欧洲建立高性能的电动汽车充电网络，预计建造400个充电站。

据公安部公布的数据[6]，截至2018年底，中国新能源汽车拥有量达到261万辆，纯电动汽车数量约为211万辆。公共型充电基础设施数量为29.98万个，私人类充电设施数量为47.7万个。预计到2020年，全国电动汽车推广规模将达到589万辆，新建充换电站1.21万座，充电桩480万个。中国2015—2020年新增各类充电设施总体目标如图2所示。