中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
一、成果簡(jiǎn)介
充電難是當(dāng)前電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶徑。清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院利用能源互聯(lián)網(wǎng)“分時(shí)共享”理念，自主研發(fā)出了電動(dòng)汽車分時(shí)共享充電電源系統(tǒng)，能夠大幅提升配電網(wǎng)管理充電樁的能力，單位臺(tái)區(qū)可安裝的充電樁數(shù)量數(shù)倍增加，既增加了售電，又方便了電動(dòng)汽車車主。
二、充電樁安裝困境
“買車容易充電難！”是很多車主的困惑，也是汽油車替換為電動(dòng)汽車的巨大阻力。
圖1 電動(dòng)車與充電樁現(xiàn)狀
有記者在走訪了一些老小區(qū)后發(fā)現(xiàn)：配電變壓器容量不夠的情況十分突出。其中2010年前的小區(qū)物業(yè)管理大都表示，由于當(dāng)時(shí)的變壓器容量設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮電動(dòng)汽車，所以后期加裝充電樁變得非常困難。極端情況下，例如，某小區(qū)一共有1400多個(gè)車位，在安裝了3個(gè)充電樁后，變電箱就已經(jīng)不堪負(fù)荷了。現(xiàn)在沒(méi)辦法增容，如果再安裝增加容量的話變電箱就隨時(shí)都有可能燒掉。
解決電動(dòng)汽車充電難，是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到配電整體能力的提升，不是簡(jiǎn)單安裝充電樁就可以解決的。充電樁也不是在地面打幾個(gè)孔固定，再拉上電線就可以的，實(shí)際協(xié)調(diào)的工作量相當(dāng)大，主要有四個(gè)部門：使用者、車企、電力公司和產(chǎn)權(quán)物業(yè)。拒絕安裝充電樁的理由不外乎以下幾條：充電設(shè)備可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)、漏電等安全事故；小區(qū)供電設(shè)施容量不夠，安裝充電樁會(huì)影響小區(qū)電網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；充電樁可能會(huì)影響其他業(yè)主車輛出入等。其中最重要的理由是“小區(qū)供電設(shè)施容量不夠，安裝充電樁會(huì)影響小區(qū)電網(wǎng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)”。
居民小區(qū)停車場(chǎng)中的普通交流充電樁，幾乎都是電動(dòng)車主獨(dú)占的，利用率很低。即使是公共停車場(chǎng)所的普通充電樁，認(rèn)為它是獨(dú)享的可能更確切，因?yàn)檐囍鲙缀醪豢赡茉谲囕v中等待充電完畢，然后及時(shí)地移出車輛讓下一等待中的車輛進(jìn)入充電。所以，對(duì)于充電電源來(lái)說(shuō)，所有的普通充電樁均為獨(dú)享的。
除了交流電源容量限制，還有三相電流不平衡問(wèn)題。嚴(yán)重的電流不平衡問(wèn)題將極大的降低變壓器的利用率，因?yàn)槿我庖幌嚯娏鞒迣⒁l(fā)斷路器跳閘。如果正在充電的充電樁都集中在某一相上，而正好此相的其他基礎(chǔ)負(fù)荷此時(shí)又最大，則引發(fā)斷路器跳閘的概率就會(huì)很大。
綜上所述，共享普通充電樁不易，那么是否能在充電樁的供電電源箱中實(shí)現(xiàn)電源共享呢？應(yīng)用能源互聯(lián)網(wǎng)思維的分時(shí)共享電源正是這一問(wèn)題的解決方案。
三、分時(shí)共享充電電源系統(tǒng)
電動(dòng)汽車分時(shí)共享充電電源及其監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型如圖2所示，包括分時(shí)共享配電柜、配電充電管理終端和充電管理云平臺(tái)等?；谠撓到y(tǒng)，可以通過(guò)用戶APP互動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能充電引導(dǎo)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)費(fèi)、付費(fèi)優(yōu)先充電等，而且還可以利用谷電充電、碎片時(shí)間充電等，實(shí)現(xiàn)“車-樁-網(wǎng)”協(xié)調(diào)調(diào)度。
圖2 電動(dòng)汽車分時(shí)共享充電電源及其監(jiān)控系統(tǒng)
分時(shí)共享配電柜是本系統(tǒng)的核心裝置?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的接入、退出和換相操作，切換時(shí)間小于5ms，而且無(wú)弧切換，操作壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)次。同時(shí)，分時(shí)共享配電柜起到充電樁與配電網(wǎng)通訊中繼的作用。
圖3 分時(shí)共享配電柜樣機(jī)
配電充電管理終端檢測(cè)配電變壓器的低壓側(cè)三相電流，根據(jù)配電變壓器功率限值、實(shí)時(shí)負(fù)荷（基礎(chǔ)負(fù)荷+充電負(fù)荷）情況以及上級(jí)系統(tǒng)的控制指令，動(dòng)態(tài)控制各普通充電樁的接入（退出、換相）電源。當(dāng)本地配電負(fù)荷大時(shí)，切除或少接入充電樁（包括充電進(jìn)行中的）負(fù)荷；當(dāng)實(shí)時(shí)負(fù)荷小時(shí)，多接入充電樁負(fù)荷。由于基礎(chǔ)負(fù)荷大概率是不平衡的，在接入和退出充電樁時(shí)，兼顧三相負(fù)荷基本平衡。
基于充電管理云平臺(tái)，可以開(kāi)發(fā)多種功能和業(yè)務(wù)，比如付費(fèi)優(yōu)先充電、谷電時(shí)段充電、用戶互動(dòng)APP等。進(jìn)一步的發(fā)掘，車主自有充電樁也可能通過(guò)租賃的形式為其他電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)，管理機(jī)構(gòu)和樁主分享服務(wù)費(fèi)用。
四、發(fā)展前景和商業(yè)模式
如果配電變壓器產(chǎn)權(quán)歸屬于物業(yè)公司。采用分時(shí)共享充電電源系統(tǒng)解決普通充電樁擴(kuò)樁問(wèn)題較容易，不涉及到電力公司申請(qǐng)擴(kuò)容。物業(yè)公司可以自主響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，在自家的地盤上安裝普通充電樁，或租用小區(qū)電動(dòng)車主的充電樁，為小區(qū)內(nèi)和周邊小區(qū)的電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)，收取合理的服務(wù)費(fèi)用，增加物業(yè)收入。
如果配電變壓器是公用變壓器，產(chǎn)權(quán)屬于電力公司。電力公司與物業(yè)合作，物業(yè)提供場(chǎng)地，電力公司提供配電設(shè)備。物業(yè)收取合理的服務(wù)費(fèi)用，電力公司提供電力，在普通售電的基礎(chǔ)上，通過(guò)安裝更多的充電樁，實(shí)現(xiàn)更多售電，提高設(shè)備利用率。同時(shí)，還可以在一個(gè)較大的范圍把電動(dòng)汽車作為可調(diào)度的負(fù)荷來(lái)使用，以智能引導(dǎo)的方式，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)為電動(dòng)汽車充電，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)中斷充電。
五、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益評(píng)估
分時(shí)共享充電電源的直接效益是可以提高充電場(chǎng)站的車樁管理能力，獲利更高的充電服務(wù)收益。以一個(gè)400kVA的臺(tái)區(qū)來(lái)估算可以擴(kuò)充充電樁的數(shù)量。圖4是該臺(tái)區(qū)一個(gè)典型日簡(jiǎn)化后的24小時(shí)有功功率曲線。設(shè)定的功率限值是230kW，如果采用普通的電動(dòng)汽車配電箱為充電樁供電，由于到峰值時(shí)的裕量只有230-200=30KW，只能安裝30/3.6=8個(gè)充電樁（普通充電）。
圖4 簡(jiǎn)化后的臺(tái)區(qū)典型日功率曲線
如果采用分時(shí)共享充電電源箱，僅考慮在0-6h充電，就可以擴(kuò)樁至60個(gè)，計(jì)算如下：
0-6h該變壓器能夠提供的富裕電能為（230-50）×6=1080kWh。假設(shè)每車需5小時(shí)18kWh充滿，則可安裝的充電樁數(shù)量為
1080/18=60（個(gè)）
如果0-24h均可充電，該變壓器能夠提供的富裕電能為3020kWh。假設(shè)每車需5小時(shí)18kWh充滿，則可安裝的充電樁數(shù)量為
3020/18=167（個(gè)）！
按家用車每年跑1萬(wàn)km，每度電行駛7km計(jì)算，每輛車一年的充電電量為10000/7=1428（kWh）。從8樁擴(kuò)至60樁，該臺(tái)區(qū)一年多售電（60-8）×1428=74256kWh。若擴(kuò)至167樁，則多售電227052kWh。
六、小結(jié)
配電容量限制是擴(kuò)裝充電樁的重要因素，老舊小區(qū)尤其突出。采用能源互聯(lián)網(wǎng)理念的分時(shí)共享充電電源系統(tǒng)是該問(wèn)題的可行解決方案，不需要增容就可以大量安裝充電樁。我國(guó)大力推動(dòng)電動(dòng)汽車的快速普及，充電樁電源管理市場(chǎng)前景廣闊。清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院致力于能源領(lǐng)域新技術(shù)與新裝備的研究，希望通過(guò)成果轉(zhuǎn)讓及產(chǎn)業(yè)孵化等模式，推動(dòng)能源領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。
