我国发展电动汽车充电基础设施若干问题分析

2011-08-09 15:54:13来源: 国网能源研究院

0 引言

  2010 年年初国际气候组织曾对40 名电动汽车相关行业专家进行访谈,结果表明充电基础设施建设的重要程度在电动汽车发展众多影响因素中排名第2,超过了购买价格因素,仅次于排名第1的电池技术提高因素。充电设施的基础性、关键性作用各方已达成共识。

  从国外发展情况来看,尽管国外主要发达国家的充电设施建设还处于起步阶段,但是政府支持力度非常大。从国内发展情况来看,我国充电设施建设主要参与者包括国家电网公司、南方电网公司、普天海油、中石化、比亚迪等企业。近几年来,我国已经投产了一定数量的充电站与充电桩,充电方式有快充、慢充、换电池等多种,先期的工作为后续建设提供了宝贵经验。目前,国家电网公司、南方电网公司、普天海油、中石化等企业已经与多数地方政府签订了战略合作协议,制定了较为明确的建设目标和计划,充电站建设开始呈现加速发展的势头。

  尽管充电基础设施建设在国内外普遍得到高度重视,但是目前世界各国都面临着相关技术标准与运营模式不明确等一系列问题,我国亟待在试点基础上加大研究和创新力度,探索一条适合我国国情的充电基础设施发展道路。

  充电基础设施的服务对象是电动汽车这一交通工具,而其服务内容属于用电服务,因而充电基础设施具有双重基础设施特性,既是重要的电力服务基础设施,又是重要的现代交通基础设施。理清充电基础设施的本质、属性及其与电网的关系具有十分重要的意义。

1 充电服务的本质是满足一种新型用电需求

  对于电动汽车这一新型电力用户而言,其自身特点决定了其用电需求与普通电力用户的需求有较大区别,具有移动性、多样性、可引导性3个新特征。

  1.1 电动汽车的用电需求具有移动性

  与普通电力用户的用电需求不一样,电动汽车的用电需求具有显著的移动性特征。这是因为作为交通运输工具,同一辆电动汽车可能会停靠在多个不同的位置,其用电需求也会在不同停靠位置间移动,因此针对传统用户设计的“定点用电、定点计费”的用电服务方式就不再适用,而必须为电动汽车用户提供“多点用电、多点计费”的用电服务。

  1.2 电动汽车的用电需求具有多样性

  首先,不同种类电动汽车用户的用电需求不同。如电动公交车、环卫车、出租车和私人轿车的用电需求存在较大差异。其次,同一个电动汽车用户存在多种用电需求,既有对电池快速更换的需求,也有对直流充电和交流充电的需求。

  1.3 电动汽车的用电需求具有可引导性

  电动汽车的用电需求具有很好的可引导性。在利用分时电价等手段进行有效引导的情形下,能够起到削峰填谷的作用,提高系统的整体运行效率。就目前采用的慢充技术而言,一般可在5~8 h 完成充电过程。据统计,90%的汽车有95%的时间处于停驶状态,这意味着通过合理的激励手段和先进智能电网技术,能够引导电动汽车用户把充电时间安排在电网负荷低谷时段,实现与电网的友好互动。

2 网络化是充电基础设施的基本属性

  从目前试点阶段来看,众多试点工程主要是为特定电动汽车用户单独建设充电桩和充电站。随着未来电动汽车规模化发展,就需要根据其用电需求的移动性、多样性、可引导性3 大特征,从系统优化集成的角度,优化充电站和充电桩的网点布局,并通过统一信息管理平台构建一个有机的充电服务网络,实现高效、智能、规范的网络化建设与运营。网络化属性应当成为充电基础设施的基本属性,并作为我国开展充电基础设施顶层设计和规划布局的一项重要原则。

  2.1 网络化建设与运营能适应电动汽车用电对移动性和多样性的要求

  对于电动汽车用户而言,由于其用电需求的移动性和多样性,用户将希望基础设施运营商提供“多点用电、多点计费”的多网点充电服务以及换电池、慢充、快充等多种方式相结合的多样化充电服务。用户的这类需求决定了我国充电设施建设不能采取“分散经营、各自为政”的建设与运营模式,而必须按照统一规范的标准,根据用户的实际需求,合理配置服务网点和服务方式,为用户提供网络化和规范化的充电服务。

  2.2 网络化建设与运营有利于促进充电服务产业规范有序发展

  电动汽车充电服务属于公用服务,与移动通信服务的需求类似,电动汽车用户需要在较大区域范围内享受到规范一致、延续性好的充电服务,不希望出现无序发展、标准不一的局面。构建具有强大实力的充电网络建设运营商,有助于确保网络覆盖范围内所有充电设施采用统一标准,确保充电计量以及维护保养等一系列相关公共服务的规范性和一致性。同时,类比移动通信网络服务,政府相关管理部门对充电网络服务也可通过发放经营牌照等方式来有效规范行业发展,避免标准不统一、服务不到位等问题。

  2.3 网络化建设与运营有利于发挥规模效益,降低系统运维成本

  为保障充换电服务质量,运营商必须保证充换电设施有一定的冗余度和备用,如北京奥运公交线路的换电站就有60%的电池储备率。如果采取分散经营方式,则需要大量备用设施以保证服务质量;而通过采用网络化运营和管理,可达到集约互补,有助于降低备用设施的需求总量,充分发挥充电设施网络化运营的互补效益与规模效益,节约建设和运营成本。另外,通过先进的信息通信等手段,还可以提前让用户知晓邻近网点充电设备的占用情况,用户可轻松选择空闲充电设施进行充电,在方便用户的同时提高充电设施利用效率。最后,通过网络化运营,有利于组建专业规范的技术服务队伍,提高技术服务水平,降低对相关人员以及设备需求,节约社会资源。

3 充电网络与电网具有不可分割的联系

  3.1 充电网络对配电网具有明显的依附性

  目前国家4 部门出台的补贴政策把插电式混合动力和纯电动汽车作为主要支持对象,要求二者电池容量分别超过10 kW·h 和15 kW·h,补贴标准为3 000 元/(kW·h),而目前比亚迪E6 纯电动车容量已经超过60 kW·h。按照平均每辆车20 kW·h 的容量,假定快充采用1- 3C 充电方式(充电时间20~60 min),慢充采用0.2- 0.3C 充电方式(充电时间3~6 h),2 种情形下需要的充电功率分别为20~60 kW、4~6 kW,未来随着电池容量成倍提高,其充电功率也需要成倍增加。

  从充电设施规划建设方面来看,由于充电功率较大且可能产生谐波污染,随着充电网络覆盖范围与密度增大以及快充设备大规模应用,必须评估其充电行为对配电网供电可靠性和电能质量的影响,对不符合相关技术标准要求的充电设施进行整改并由配电网管理部门实施必要的配电网升级改造工程。因此,充电网络的建设与优化布局不能仅考虑电动汽车用电需求,还必须与配电网的规划建设与运行管理结合起来,电网公司要掌握和引导充电网络规划布局以及建设工作。从运营管理方面来看,充电设施运营服务的本质是向电动汽车提供电能,充电站既对配电网的安全运行和电能质量产生重要影响,又必然会受到配电网运行及控制的影响。充电网络在技术服务、电能计量、电费结算、用电管理等方面都离不开配电网的支撑。

  3.2 充电网络建设与运营应与智能电网建设及管理相结合

  充电网络在满足电动汽车新型用电需求之外的另一个重要效益是发挥电动汽车的储能作用,通过合理安排充电时间来参与系统调峰,从而提高电力系统整体运行效率,取得节能减排的巨大效益。未来随着电池技术进步,还有望实现电动汽车向电网放电功能,进一步提高其参与系统调峰能力。要实现电动汽车对系统的调峰效益,必须将电池技术研发、充电网络建设、充电服务管理与智能电网结合起来。从规划建设方面来看,无论是由电网企业还是其他参与方投资建设,充电网络在建设阶段都必须要安装智能电能表以及双向通信设施,使其成为连接电网与电动汽车用户的一个双向互动平台,并使之成为智能电网的重要组成部分。从运营管理方面来看,充电网络运营管理平台必须和智能电网相关管理平台实现高效互动。充电网络管理平台根据从智能电网相关管理平台获取的电力供需形势、实时电价等信息实现智能充电服务管理,引导用户在用电低谷时段充电,帮助系统调峰。未来随着电池技术进步,还有可能实现电动汽车用户在负荷高峰时向电网反向送电,发挥更大的“削峰填谷”效益。

  另外,未来网络中的大型充换电站还能够作为储能电站和应急支撑电源。通过智能充电管理,一方面把电动汽车充电行为对配电网的影响降到最低,提高系统整体效率,另一方面通过峰谷电价机制降低用户用电成本支出,实现“双赢”。

4 电网企业在充电网络建设与运营中应起主导作用

  由于充电网络自身的建设和运营特点及其与电网之间不可分割的联系,需要电网企业在充电网络建设与运营中结合自身的优势与特点,发挥主导作用,以有效推动我国充电网络建设。

  4.1 电网企业在充电设施建设相关技术和标准方面具备先发优势

  电网企业自2006 年至今在电动汽车充电设施的研究与实践方面开展了大量工作,取得了多项重要成果。目前我国电网企业已经编制完成了充电站典型设计和多个相关企业标准,正积极参与国家标准研究与编制工作;在上海、唐山、河南、深圳等地建成了示范充电站与充电桩,电网企业与地方政府签署了战略合作协议,为下一阶段大规模示范应用打下了良好基础。考虑到充电设施建设涉及配电线路改造与变压器扩容等配套工程设计与建设、电能质量治理技术以及智能计量技术等,电网企业在充电设施建设相关技术与标准方面具有较明显的先发优势。

  4.2 电网企业在提供充电服务方面具有网络优势和直销优势

  从服务网络来看,未来建设的充电站和充电桩都在电网覆盖范围之内,电网企业能够更全面地掌握充电网络布点情况,并有针对性地进行合理优化。同时,依托现有配电网通信信息平台以及营销网络,电网企业更容易实现充电设施网络化管理与服务。

  从销售模式来看,电网企业直接把电力出售给电动汽车用户不存在中间环节,既有助于提供更具价格优势的服务,又有助于更好地把握和满足用户需求。

  4.3 电网企业能够通过智能控制实现社会效益最大化

  智能充电控制是实现电动汽车“削峰填谷”效益的关键,需要有智能充电管理平台、通信信道、智能终端以及和电网的双向互动作为支撑,建设成本和运维成本较高。对于电网公司而言,保障安全、经济、清洁、可持续的电力供应是其基本使命,具有开展智能充电相关工作的内在驱动力。另外,由电网公司开展充电网络服务,可以利用智能配电网中已有的信息管理平台、通信信道以及智能电表终端实现智能充电控制,降低智能充电管理系统的建设成本和运行成本,能够最大化地节约社会资源。

  因此,电网企业在开展智能充电业务、实现社会效益最大化方面,既有内在动力,又有成本优势。

5 开展充电网络业务需要防范的风险

  当前,由于电动汽车发展技术路线、电池技术进步、市场接受程度、运营模式以及相关政策等方面还存在着较大的不确定性,我国相关企业在开展充电网络业务方面要加强发展策略研究,注重防范相关风险。

  5.1 技术路线和标准的不确定性带来的风险

  目前电动汽车发展技术路线和充电设施的有关标准还有一定的不确定性。比如说,插电式混合动力和纯电动这2 种不同技术路线对于充电设施的需求有较大区别,充电设施自身的接口标准、功率标准对于充电设施建设都有较大的影响。需要防范采用过高建设标准带来的高成本风险,以及采用过低建设标准带来的翻新重建风险。

  5.2 市场接受程度的不确定性带来的风险

  目前,示范推广应用的电动汽车主要以公交车、出租车、邮政、环卫等专用车辆为主,还难以判断电动汽车以及配套充电服务未来的市场接受程度,普通消费者对于电动汽车以及其配套充电服务将有一个从了解到逐步接受的过程。因此,针对私人乘用车充电设施的建设应采取审慎的态度,既要防范建设过于激进带来的充电设施利用效率过低的风险,也要防范建设过于保守而不能满足推动私人电动汽车市场发展的要求。

  5.3 运营模式不确定性带来的风险

  目前还没有成熟的充电服务运营模式得到广泛认同,还需要进一步探索各类运营模式及其适用对象,并最终形成可持续发展的一类或多类商业运营模式。如直流快充对电池寿命影响较大,难以大范围推广应用;交流慢充要求具备较好停车库(位)条件,难以覆盖全部用户;电池更换技术具有电池更换时间短、选址灵活的优点,具备规模化应用条件,应成为下一步发展重点,但需要加快动力电池标准化进程。另外,由于国家层面和地方政府对于充电网络的定位、行业准入、优惠措施都还没有明确出台相关政策,对相关运营模式的发展也带来了一定的不确定性。因此,要避免陷入可持续发展能力不强的运营模式中。

6 结语

  充电基础设施是电动汽车产业化、规模化发展的关键环节,未来市场发展空间巨大,其基本属性、建设和运行特性决定了充电设施与电网具有密不可分的联系。充电网络建设和运营业务不是普通完全市场化的竞争性业务,应当充分发挥电网企业在其建设和运营当中的主导作用,由政府部门、电网企业、市政部门、相关行业以及社会公众通力配合、共同推进。

  建议政府及相关部门积极开展充电网络服务体系、商业模式、互动方式等方面的重大问题研究,加快研究制定我国充电网络发展规划和技术标准体系。

  (1)进一步深化充电设施运营管理等重要问题研究。在现有成果基础上,紧密跟踪国外最新发展动态,结合我国电动汽车产业实际发展需要,由政府部门、电网企业以及其他权威研究机构合作开展我国充电服务网络发展策略研究。同时需积极组织开展充电网络优化布局、服务定价机制、参与系统调峰等专题研究。

  (2) 重点制定大中城市充电网络“十二五”及中长期规划并争取纳入各地城市发展规划。在对充电站(桩)关键技术与标准体系研究的基础上,进一步加快研究制定充电网络标准体系,以有效支撑充电基础设施网络化和集约化发展需要。

  (3)加强对公众的宣传普及力度。加强向社会公众宣传电动汽车的技术、经济和环境效益,及时宣传我国在充电网络建设方面的最新进展、相关法律法规以及优惠政策。同时,应考虑制定一些激励措施,引导公众积极使用充电网络,取得公众对于充电网络建设与运营的支持,为加快推进充电网络建设培养良好的用户群体。

关键字:电动汽车  充电站  国家电网

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2011/0809/article_4169.html
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