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汽車市場正在經(jīng)歷一場變革，隨著電動汽車(EV)采用率的迅速增加，銷售預(yù)測數(shù)據(jù)也在不斷上調(diào)。電動汽車雖然只占整個市場的一小部分，但據(jù)預(yù)測，2025年售出的電動汽車將達(dá)到1000萬輛，到2050年，所有售出的汽車中超過50%是電動汽車。大多數(shù)車輛將在車道上停放過夜時通過連接壁掛式充電盒緩慢充電。有些車輛將在街頭充電點(diǎn)更快地充電，而未來的加油站將有可能實(shí)現(xiàn)超快充電。

多個充電點(diǎn)同時運(yùn)行，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的峰值需求將非常大，如果不對輸電線路和發(fā)電廠進(jìn)行大規(guī)模投資，以提供解決這需求的能力，當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)崩潰可能會成為普遍現(xiàn)象。

本文談及電動汽車充電的現(xiàn)狀，并考慮了它在不遠(yuǎn)的將來可能產(chǎn)生的電力需求水平。然后，考慮如何以實(shí)用、可持續(xù)和商業(yè)上可行的方式滿足這種需求。

電動汽車充電現(xiàn)狀

目前公共和私人設(shè)施中使用的交流充電基礎(chǔ)設(shè)施所提供的功率各不相同。1級交流充電樁在120伏電壓下運(yùn)行(提供最大2千瓦功率)，而2級充電樁在240伏電壓下運(yùn)行，提供高達(dá)20千瓦的功率。在這兩種情況下，AC-DC轉(zhuǎn)換是在車載充電機(jī)中進(jìn)行的，而不是在壁掛式充電盒中(主要是執(zhí)行保護(hù)和計量功能)進(jìn)行。

由于成本、尺寸和重量的限制，車載充電機(jī)的額定功率通常低于20千瓦。另外，如果使用直流充電(而不是交流)，可以在更高的功率水平上進(jìn)行充電。3級直流充電樁的額定電壓為450 V(提供最大150 kW功率)，而最近的超級充電器的額定電壓則高達(dá)800 V(提供最大350 kW功率)。

出于安全考慮，當(dāng)充電插頭連接到車輛時，最高電壓被限制在1000 V以內(nèi)。在直流充電中，電力轉(zhuǎn)換是在充電樁中進(jìn)行，充電樁直接連接到汽車電池，這使車輛省去了車載充電機(jī)，因而更輕，并有更多的可用空間。

未來的需求

隨著更多的電動汽車上路，駕駛員期望能在更短的時間內(nèi)為他們的汽車充電。考慮以下的充電場景，這很可能在不到10年的時間里成為現(xiàn)實(shí)。一個路邊充電站有五個直流充電樁，當(dāng)五輛汽車同時停下來，在每個充電樁上充電。如果每輛汽車配置一個100千瓦時的電池已經(jīng)充了25%的電，駕駛員希望在15分鐘內(nèi)充滿到75%的電量，那么需要從電網(wǎng)輸送到充電站的總電量是:

5x(75%-25%)x100 kWh/0.25 h=1 MW

為充電站供電的電網(wǎng)需要有能力管理這些間歇性的1 MW峰值。這對電力輸送基礎(chǔ)設(shè)施有若干影響。將需要高效和復(fù)雜的有源功率因數(shù)校正(PFC)段，以確保電網(wǎng)的頻率不受影響，并保持穩(wěn)定和高效。還需要昂貴的變壓器，以連接低壓充電站和高壓電網(wǎng)，從發(fā)電廠到充電站輸送電力的電纜需要適當(dāng)?shù)某叽纾?/span>以處理正在輸送的電流水平。對于配備有較高容量電池的車輛，峰值電力需求將更大。

太陽能填補(bǔ)缺口

利用當(dāng)?shù)乜稍偕Y源如太陽能或風(fēng)能產(chǎn)生的電力是個更簡單和更經(jīng)濟(jì)的解決方案，無需安裝新的輸電線路和大型變壓器。就其性質(zhì)而言，這些能源也是間歇性的，但如果精心管理，可以用來滿足電動車充電對電網(wǎng)產(chǎn)生的間歇性需求。

在過去十年中，太陽能光伏技術(shù)的價格已下降了近80%，這有助于可再生能源系統(tǒng)的持續(xù)增長，而這又正是由減少碳排放的要求所推動的。今天，全球發(fā)電量中，太陽能發(fā)電占比不到5%，但預(yù)計到2050年將增長到三分之一以上。

太陽能發(fā)電的增長將影響到發(fā)電和用電方式——將需要對發(fā)電站進(jìn)行管理，確保電網(wǎng)不過度供電，人們將越來越多地消費(fèi)安裝在自己家里的住宅太陽能系統(tǒng)所生產(chǎn)的電力。這將要求仔細(xì)平衡集中式主電源的供電和本地可再生能源的發(fā)電，以及客戶多變的需求。對于我們的充電站例子，將其直接連接到由太陽能光伏裝置供電的子電網(wǎng)，其供電能力為500千瓦，電網(wǎng)只需提供500千瓦。

儲能解決方案

使用光伏裝置的電力意味著最快的充電速度只能在白天太陽最亮的時候?qū)崿F(xiàn)，這是個不可持續(xù)的提案。

一個更現(xiàn)實(shí)的解決方案可以通過使用儲能系統(tǒng)(ESS)來實(shí)現(xiàn)，儲能系統(tǒng)相當(dāng)于天然氣或石油儲罐，可用于多種用途(家庭和工業(yè))。在家庭應(yīng)用中，將光伏逆變器連接到儲能電池，在白天由太陽能充電，然后在夜間可以為電動車充電，這很容易實(shí)現(xiàn)。

在工業(yè)環(huán)境中，ESS裝置可用于不同的目的——調(diào)節(jié)來自光伏和其他可再生資源的電力，或?yàn)楹趩犹峁┖髠渲С?，省去柴油發(fā)電機(jī)。使用ESS也有經(jīng)濟(jì)意義，因?yàn)槭袌鰧﹄妱榆嚫斐潆姷男枨笤谠鲩L，而ESS支持在更長的時間范圍對現(xiàn)有的輸電線路逐步升級或替換。

這些系統(tǒng)的市場預(yù)計將從現(xiàn)在的20 GWh快速增長到2050年超過2000 GWh。對干我們的充電站，ESS的行為就像一個大電池，能夠儲存并根據(jù)需要從太陽能裝置(或其他可再生資源)向充電樁輸送能量，任何多余的能量將被輸送到電網(wǎng)。應(yīng)選用適當(dāng)尺寸的ESS，以在峰值電力需求和儲能能力之間取得最佳平衡(其比率主要取決于當(dāng)?shù)乜捎玫陌l(fā)電量(太陽能、風(fēng)能或其他)、充電樁的數(shù)量以及當(dāng)?shù)剡B接的其他負(fù)載。

隨著電動汽車銷量的增加，駕駛員將期望能在更短的時間內(nèi)為他們的汽車充電，這意味著對電動汽車快速充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求將迅速增長。一個快速分析表明，現(xiàn)有電網(wǎng)的設(shè)計不能應(yīng)對由此產(chǎn)生的間歇性峰值需求。使用太陽能光伏裝置結(jié)合儲能系統(tǒng)，可能是現(xiàn)實(shí)的和商業(yè)上可行的替代方案，否則可能需要對電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行全面改造。