【導讀】汽車(chē)市場(chǎng)正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)(EV)采用率的迅速增加，銷(xiāo)售預測數據也在不斷上調。電動(dòng)汽車(chē)雖然只占整個(gè)市場(chǎng)的一小部分，但據預測，2025年售出的電動(dòng)汽車(chē)將達到1000萬(wàn)輛，到2050年，所有售出的汽車(chē)中超過(guò)50%是電動(dòng)汽車(chē)。大多數車(chē)輛將在車(chē)道上停放過(guò)夜時(shí)通過(guò)連接壁掛式充電盒緩慢充電。有些車(chē)輛將在街頭充電點(diǎn)更快地充電，而未來(lái)的加油站將有可能實(shí)現超快充電。
多個(gè)充電點(diǎn)同時(shí)運行，當地電網(wǎng)的峰值需求將非常大，如果不對輸電線(xiàn)路和發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行大規模投資，以提供解決這需求的能力，當地的電網(wǎng)崩潰可能會(huì )成為普遍現象。
本文談及電動(dòng)汽車(chē)充電的現狀，并考慮了它在不遠的將來(lái)可能產(chǎn)生的電力需求水平。然后，考慮如何以實(shí)用、可持續和商業(yè)上可行的方式滿(mǎn)足這種需求。
電動(dòng)汽車(chē)充電現狀
目前公共和私人設施中使用的交流充電基礎設施所提供的功率各不相同。1級交流充電樁在120伏電壓下運行(提供最大2千瓦功率)，而2級充電樁在240伏電壓下運行，提供高達20千瓦的功率。在這兩種情況下，AC-DC轉換是在車(chē)載充電機中進(jìn)行的，而不是在壁掛式充電盒中(主要是執行保護和計量功能)進(jìn)行。
由于成本、尺寸和重量的限制，車(chē)載充電機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800 V(提供最大350 kW功率)。
出于安全考慮，當充電插頭連接到車(chē)輛時(shí)，最高電壓被限制在1000 V以?xún)?。在直流充電中，電力轉換是在充電樁中進(jìn)行，充電樁直接連接到汽車(chē)電池，這使車(chē)輛省去了車(chē)載充電機，因而更輕，并有更多的可用空間。
未來(lái)的需求
隨著(zhù)更多的電動(dòng)汽車(chē)上路，駕駛員期望能在更短的時(shí)間內為他們的汽車(chē)充電?？紤]以下的充電場(chǎng)景，這很可能在不到10年的時(shí)間里成為現實(shí)。一個(gè)路邊充電站有五個(gè)直流充電樁，當五輛汽車(chē)同時(shí)停下來(lái)，在每個(gè)充電樁上充電。如果每輛汽車(chē)配置一個(gè)100千瓦時(shí)的電池已經(jīng)充了25%的電，駕駛員希望在15分鐘內充滿(mǎn)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。這對電力輸送基礎設施有若干影響。將需要高效和復雜的有源功率因數校正(PFC)段，以確保電網(wǎng)的頻率不受影響，并保持穩定和高效。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(chǎng)到充電站輸送電力的電纜需要適當的尺寸，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(chē)輛，峰值電力需求將更大。
太陽(yáng)能填補缺口
利用當地可再生資源如太陽(yáng)能或風(fēng)能產(chǎn)生的電力是個(gè)更簡(jiǎn)單和更經(jīng)濟的解決方案，無(wú)需安裝新的輸電線(xiàn)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(lái)滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)充電對電網(wǎng)產(chǎn)生的間歇性需求。
在過(guò)去十年中，太陽(yáng)能光伏技術(shù)的價(jià)格已下降了近80%，這有助于可再生能源系統的持續增長(cháng)，而這又正是由減少碳排放的要求所推動(dòng)的。今天，全球發(fā)電量中，太陽(yáng)能發(fā)電占比不到5%，但預計到2050年將增長(cháng)到三分之一以上。
太陽(yáng)能發(fā)電的增長(cháng)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(guò)度供電，人們將越來(lái)越多地消費安裝在自己家里的住宅太陽(yáng)能系統所生產(chǎn)的電力。這將要求仔細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(hù)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(yáng)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(zhù)最快的充電速度只能在白天太陽(yáng)最亮的時(shí)候實(shí)現，這是個(gè)不可持續的提案。
一個(gè)更現實(shí)的解決方案可以通過(guò)使用儲能系統(ESS)來(lái)實(shí)現，儲能系統相當于天然氣或石油儲罐，可用于多種用途(家庭和工業(yè))。在家庭應用中，將光伏逆變器連接到儲能電池，在白天由太陽(yáng)能充電，然后在夜間可以為電動(dòng)車(chē)充電，這很容易實(shí)現。
在工業(yè)環(huán)境中，ESS裝置可用于不同的目的——調節來(lái)自光伏和其他可再生資源的電力，或為黑啟動(dòng)提供后備支持，省去柴油發(fā)電機。使用ESS也有經(jīng)濟意義，因為市場(chǎng)對電動(dòng)車(chē)更快充電的需求在增長(cháng)，而ESS支持在更長(cháng)的時(shí)間范圍對現有的輸電線(xiàn)路逐步升級或替換。
這些系統的市場(chǎng)預計將從現在的20 GWh快速增長(cháng)到2050年超過(guò)2000 GWh。對干我們的充電站，ESS的行為就像一個(gè)大電池，能夠儲存并根據需要從太陽(yáng)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)。應選用適當尺寸的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地可用的發(fā)電量(太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他)、充電樁的數量以及當地連接的其他負載。
隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的增加，駕駛員將期望能在更短的時(shí)間內為他們的汽車(chē)充電，這意味著(zhù)對電動(dòng)汽車(chē)快速充電基礎設施的需求將迅速增長(cháng)。一個(gè)快速分析表明，現有電網(wǎng)的設計不能應對由此產(chǎn)生的間歇性峰值需求。使用太陽(yáng)能光伏裝置結合儲能系統，可能是現實(shí)的和商業(yè)上可行的替代方案，否則可能需要對電網(wǎng)基礎設施進(jìn)行全面改造。
來(lái)源：安森美
作者：Jon Harper
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