电动汽车充电技术研究

近年来，电动汽车及充电桩发展呈加速发展态势，根据国家能源局的统计数据，至2019年底，全国充电基础设施达到121.9万个，较上一年增长50万个；而根据公安部数据，截至2019年底，全国新能源汽车保有量达381万辆，占汽车总量的1.46 %，与2018年底相比增加120万辆，增长46.05 %。即使加上私人充电桩，目前的车桩比也在2∶1以上，加速电动汽车充电基础设施的建设已成为当务之急。

为了推进电动汽车充电设施的发展，国务院、发改委、住建部在2015年下半年相继发文，随后各地方政府也开始颁布相应规定。受海南省住房和城乡建设厅委托，笔者参与编制了海南省地方标准《海南省电动汽车充电设施建设技术标准》（以下简称《标准》），《标准》中提出若采用监控管理系统可调节充电电流，则同时系数可进一步降低。本文以电动汽车电池充电特性为切入点，针对居民充电习惯，介绍本标准的各项指标，同时提出定容量自动充电系统和定容量变功率充电系统的概念。

电池种类与充电特性

>>>>电池种类

目前市面上的电动汽车主要使用锂电池，主流电池包含下面两种：磷酸铁锂电池和镍钴锰三元聚合物锂电池。其中磷酸铁锂电池为比亚迪汽车的研究方向，早期由于能量密度低，低温性能差等原因，较少采用，但经过改良后，目前已突破传统磷酸铁锂电池的能量密度限制，达到了三元材料水平。镍钴锰三元聚合物锂电池的能量密度高，目前应用最广，但其造价高，若能在安全性上实现突破，未来仍将占据市场主流。

>>>>电池充电特性

锂电池的种类有多种，但电池的充电特性相差不大。目前的主流充电方式为智能恒功率充电，充电过程如图1所示。

如图1所示，第一阶段为限流段，即电池预充电阶段，电压电流缓慢上升；第二阶段为恒流阶段，电流保持不变，电压稳定增加；第三阶段为恒功率段，电压继续上升，电流减小，充电功率保持恒定；第四阶段为恒压段（浮充），电压保持不变，电势差减小，电流减小。当蓄电池电压达到设定值，电池管理系统切断电源，充电完成。

实际调查显示，电动汽车开始充电时电池内会存有余量，日常充电只经历最后两个阶段，即恒功率段和恒压段，且恒压充电阶段时间较短，计算负荷时忽略。例如，额定功率7 kW的电动汽车在7 kW交流桩恒流充电时，充电功率维持在6.7 kW左右，即可认为电动汽车在充电阶段功率基本恒定。见吉利和北汽电动汽车充电功率曲线图（图2、图3）。

充电容量计算

>>>>交流充电桩

交流充电桩是为电动汽车车载充电机提供交流电源的供电装置。目前大部分交流充电桩仅具有保护及计量功能，不具备调节输出功率的功能。

充电过程：汽车与充电桩连接后，首先双方通信，充电桩从汽车读取电池电量及充电功率等基本信息，刷卡购电后，开始充电，同时，将充电信息显示在液晶屏上。

>>>>直流充电桩

直流充电桩即非车载充电机，是为电动汽车动力电池直接提供直流电源的供电装置。直流充电桩不仅具有保护及计量功能，还可根据需要调节输出电流。

充电过程：直流充电桩充电过程与交流充电桩类似，双方建立连接后，充电桩根据车载BMS（电池管理系统）的信息，自动调整适应于电动车的充电参数直接给电池充电。

>>>> 充电容量计算公式

以交流充电桩为例，根据《标准》，按下式计算负荷：

式中：

S —— 总用电容量，kVA；

P1、P2 …… Pn —— 各类充电设备单台的输出功率，kW，当无具体参数时，单相交流充电桩可按7 kW设计或预留，三相交流充电桩可按21 kW 设计或预留；

Kx —— 需要系数（交流桩取0.9以上）；

Kt —— 同时系数；

cos φ —— 功率因数（一般为0.92以上）。

>>>>同时系数的确定

目前全国范围内地方标准及区域标准针对电动汽车的同时系数和需要系数提出了推荐值，但因没有大量数据支撑，也没有相似负荷可供参考，故差异较大。本文尝试建立一种简单数学模型，即通过数学期望计算出一个时间段内的平均充电汽车数量，再依据概率论和统计学原理计算得出在高峰期充电汽车的数量，最终确定同时系数的最低取值。因为影响计算结果的因素很多，故作出以下假设：

a. 海南省目前禁止地下车库设置7 kW以上充电桩，故模型中讨论的充电桩均为7 kW。

b. 小区按照1 000户计算，每户配1.2个车位，即共计1 200个车位。

c. 计算按远期考虑，即1 200个车位配1 200辆电动汽车。

d. 根据美国家用车辆调查结果的数据，平均每天有14%的家用车辆处于闲置状态，43.5 % 的电动汽车行驶里程数在20英里（约32 km）之内，83.7 % 的电动汽车行驶里程数在60英里（约96 km）之内。美国人均拥有车辆的数量比我国多，车辆每天的平均行程比我国少。对比国外数据，结合国内实际情况进行调整，初步确定我国车辆使用数据，即：10 % 的电动汽车闲置，30%的电动车辆每天行驶40 km，40 % 的电动车辆每天行驶100 km，20 % 的电动车辆每天行驶200 km（网约车）。

e. 按城市综合工况考虑，且海南省属热带地区，每百km耗电量取20 kWh，即行驶40 km耗电8 kWh，需充电1.2 h；行驶100 km耗电20 kWh，需充电3.1 h；行驶200 km耗电40 kWh，需充电6.2 h。

f. 除开10 % 的闲置车辆，其他车辆均在晚上7点至早上7点之间充电。

数学期望，在概率论和统计学中是指试验中每次可能结果的概率乘以其结果的总和，是最基本的数学特征之一。它反映随机变量平均取值的大小。其公式为：

E（X）= X1 × p（X1）+ X2 × p（X2）+ …… + Xn × p（Xn）

根据上文的假设，可得出整个小区电动汽车的充电小时期望值为：E（X） = 0.1 × 0 + 0.3 × 360 × 1.2 + 0.4 × 480 × 3.1 + 0.2 × 240 × 6.2 = 1 022.4 h。充电时间为12 h，即平均每小时有1 022.4 / 12 = 85.2辆车进行充电。

对国外电动汽车行驶里程调查所取得的数据进行分类处理后，再利用极大似然估计方法分别将开始充电时刻及日行驶里程进行拟合，拟合结果显示电动汽车开始充电时刻满足正态分布，日行驶里程符合对数正态分布，再利用蒙特卡洛仿真法求解一天内每一时刻单台电动汽车充电功率需求的期望，曲线类似偏正态分布。可知电动汽车每日内的充电负荷分布呈现集中性，而根据我国居民出行习惯，电动汽车在下班后刚回到小区后会有短暂的充电高峰期，对应曲线中的峰值区，参考交通评价的高峰小时系数3.0，充电时亦有相对于平均充电车数量的峰值，保守取值5.0，即高峰时期同时充电的电动汽车数量为85.2 × 5.0 = 426辆，除以电动汽车总量即可得最小同时系数，即426 / 1 200 = 0.355，故将最低同时系数暂定为0.4，后期若能取得大量实测数据，则可将同时系数相应调整。当电动汽车数量较少时，数据的离散性较大，同时系数相应增加。

经过以上分析，笔者在《标准》中提出了表1的同时系数Kt推荐值，供大家参考。

>>>>负荷对比

以住宅为例，某小区共有基本住户1 000户，每户建筑面积90 ~ 120 m2，按每户1.2个车位设计，则需设置1 200个车位。

住宅区居民用电负荷：根据JGJ 242 - 2011《住宅建筑电气设计规范》，每户用电负荷取6 kW，需要系数取0.26，则总计算负荷Pe= 6 × 1 000 × 0.26 = 1 560 kW。

充电桩用电负荷：按同时系数计算，高峰时期同时充电的电动汽车达480辆，即Pe= 480 × 7 × 0.9 = 3 024 kW。

由计算可以看出，充电桩系统计算负荷约是住宅居民用电负荷的2倍，在未来电动汽车普及的情况下，夜间的充电高峰将对电网产生巨大负担。

降低充电容量的有效办法

根据上文，夜间充电高峰的计算负荷峰值十分巨大，所以降低系统峰值负荷，既可减小系统容量，节省投资，又可减少电网负担。目前市场上推出一种有序充电解决方案，并在充电工程上取得一定成功，有效解决用电高峰时对电网的冲击。解决办法是通过电脑控制系统，把电动车充电时间移到电力供电谷峰时段，但这种做法是在有条件的情况下，主动式的调节，不能满足电动车全时段的充电需求。

为满足电动车的基本充电需求，有效降低充电容量，减少电网冲击，降低工程投资，本文提出两个解决方案。

>>>>定容量自动充电系统

电动汽车充电并非同时开始，充满电所需时间与充电时电池剩余电量也不相同。定容量自动充电系统（DRXT）按照以下逻辑：

Se ＞ Sp时，所有汽车同时充电；Se ≤ Sp时，自动轮换充电。式中：Se—— 变压器设定可用容量； Sp —— 接入充电系统汽车车充电容量之和。

当接入充电系统汽车充电容量之和Sp小于变压器设定可用容量Se时，所有汽车正常连续充电。当Sp大于等于Se时，DRXT开始工作，保证充电容量不超变压器设定可用容量的情况下，电动汽车按先进先出的原则排队充电，轮换时间可以设定。

DRXT系统结构示意图如图4所示。

DRXT系统由中心控制器、电能采集器和执行器组成，通过485总线或交换机连接组成定容量自动充电系统。中心控制器通过485通信总线或交换机与执行器进行充电信息交换，执行器与电动汽车进行信息交换、控制充电电源的通断。

举例，某小区安装1 000个7 kW充电桩，依据负荷计算公式，充电容量为Sp = 1 000 × 0.4 × 7 × 0.9 / 0.92 = 2 739 kVA，如果变压器负载率取0.86，变压器设计容量需要3 185 kVA，按常规设计通常选用2台1 600 kVA变压器。如果采用DRXT系统，可选用1台容量1 600 kVA的变压器。DRXT的控制方式为：首先输入这台变压器的设定可用容量，即：Se = 1 600 × 0.86 = 1 376 kVA，中心控制器通过安装在变压器低压侧的电能采集器，实时读取变压器的输出容量，当接入系统的电动汽车充电容量Sp1小于1 376 kVA时，系统默认执行所有汽车正常充电；当大于等于1 376 kVA时，比如有250台车接入系统充电，则此时Sp2 = 1 750 kVA ＞ Se，为保证系统安全，系统只允许196辆电动汽车同时充电，设定充电轮换间隔为10 min，每隔10 min，充电时间最长的车停止充电，充电时间最短的车开始充电，由执行器完成通断控制。当有电动汽车充满后，系统将其断开，退出循环，其余车继续循环轮换充电。

>>>>定容量变功率充电系统

定容量变功率充电系统（DBXT）的原理：通过连续调节每个充电桩的充电功率使其满足以下条件：

Sg = Se / N

式中：

Sg —— 每台车的充电容量；

Se —— 变压器设定可用容量；

N —— 接入充电系统的电动汽车数量。

当接入充电系统汽车充电容量之和小于等于变压器设定可用容量Se时，每台车正常充电，当接入充电系统汽车充电容量之和大于变压器设定可用容量Se时，DBXT系统启动，按照原理Sg= Se / N，即把变压器设定可用充电容量均匀分配到每台电动汽车上。

DBXT系统结构图与DRTX相同，只是工作原理不同。DBXT中心智能控制器收集安装在变压器低压侧的电能采集器的变压器实时输出容量信息、接收由充电执行器送来的每台电动汽车的电池充电状态信息和接入系统电动汽车的台数，然后经过分析运算把变压器的设定可用容量平均分配给每台充电车。当有电动汽车充满后，系统将其断开，并按照公式重新计算每台车的可分配充电容量。DBXT能够保证无论多少辆汽车接入，所有车均能保持充电状态，但在车辆超出系统能力后，充电功率随接入系统的汽车数量变化。

举例，与上述同例，如果换用DBXT系统，控制方式为：首先输入一台变压器的最设定可用容量1 376 kVA，如果有200台车接入系统充电，每台车的分配充电容量为Sg = 1 376 kVA / 200 = 6.88 kVA，如果有400台车接入系统，每台电动汽车的充电容量为Sg = 1 376 kVA / 400 = 3.44 kVA。每当有新的电动汽车接入或充满电退出，系统均会重新计算并分配充电容量。

>>>>结论

定容量自动充电系统的优点是控制简单，容易实现，缺点是车的充电量不均匀，尤其是变压器可用容量小，充电桩数量多的情况下更为明显。定容量变功率充电系统的优点是所有接入到充电系统的车能获得均匀的充电量，充电量按充电时间均匀分配。缺点是控制系统较为复杂，所有型号电动汽车的电池充电标准需要统一且需开放充电协议，完善这样的协议应由国家层面主导。

采用以上两种充电系统，可以极大缓解电网的供电压力，也特别适用于已建成供电系统的住宅小区或办公场所等，不需要增容扩建供电系统。

发展与展望

目前普遍认为制约电动车的发展因素包括电池容量及充电速度，但笔者认为一味地追求充电速度不利于电动汽车的发展。在电机效率基本恒定的今天，60 kWh电量便能保证300 km的续航，对于普通居民，一夜（9 h）充电，第二天能行驶300 km就完全能满足使用要求，这也是推荐交流充电桩功率采用7 kW的原因。可以预知，未来电动汽车的充电价格将分为两类：一类是公共充电，以直流充电为主，充电速度快，面向社会，充电价格高；一类是家庭充电，以交流慢充为主，充电速度慢，集中在小区，不对外开放，充电价格低。

以史为镜，可以知兴替。曾经的汽油摩托车已基本被电动摩托车所取代，在不久的将来，电动汽车制造成本下降，续航里程提高，将会迎来爆发式的增长。电动车的发展离不开充电设施的建设，以现状来看，大量建设充电桩会造成不必要的浪费；而从长远来看，预留变电所位置及电缆通道也是必要的。《标准》的实施，无疑为电动汽车的发展迈出了坚实的一步。

本文全文载于《建筑电气》2020年第11期，详文请见杂志。

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