電動(dòng)汽車常規(guī)慢充方式能效分析研究

劉 暢，龐東澤

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

0 引言

電動(dòng)汽車作為一種新能源汽車，擁有普通燃油汽車無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，正成為世界各國研究的重點(diǎn)。 在我國，以電動(dòng)汽車為主的新能源汽車工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)列入“十二五”規(guī)劃，成為推動(dòng)我國節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重大工程［1-2］。根據(jù)國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，計(jì)劃2015年電動(dòng)汽車規(guī)模提升至100萬輛。我國“十一五”規(guī)劃《綱要》提出了“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP能耗降低20%、主要污染物排放總量減少10%的具有法律效力的約束性指標(biāo)。與國際先進(jìn)水平相比，我國現(xiàn)在的電能利用效率還比較低。通過加強(qiáng)電力需求側(cè)管理，“十一五”期間，我國可累計(jì)節(jié)約1 500億kWh的電量，相當(dāng)于節(jié)約7 500 t原煤。由此可見，電力需求側(cè)節(jié)能具有顯著的社會(huì)效益，節(jié)能潛力巨大。電動(dòng)汽車的普及，必須配套建設(shè)充足的充電基礎(chǔ)設(shè)施，常規(guī)的分散充電樁將大規(guī)模分布于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、工作區(qū)等片區(qū)。因此，對電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的能效分析，尤其是與居民生活密切相關(guān)的常規(guī)慢充的能效分析，顯得十分必要［3］。而目前電動(dòng)汽車充換電設(shè)施相關(guān)技術(shù)規(guī)范制定相對滯后，我國尚未出臺(tái)有關(guān)電動(dòng)汽車充換電能源利用效率的檢測評(píng)估方法標(biāo)準(zhǔn)。在節(jié)能已取得一定成果的前提下，迫切需要有相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)開展電動(dòng)汽車充換電設(shè)施的能效研究，確定能效評(píng)估的關(guān)鍵因素，以解決政府部門對節(jié)能監(jiān)管的技術(shù)問題，為電動(dòng)汽車管理部門實(shí)施電動(dòng)汽車的節(jié)能審查和監(jiān)管提供技術(shù)參考，減少電動(dòng)汽車充換電不必要的能源消耗。

1 電動(dòng)汽車常規(guī)慢充方式分析

電動(dòng)汽車常規(guī)慢充是指用較小交流電流對整車進(jìn)行充電的交流慢充方式［4-5］。電動(dòng)乘用車根據(jù)使用情況在使用結(jié)束后或動(dòng)力電池荷電狀態(tài)（SOC）低于設(shè)定值之后立即充電。 用外部交流電源（交流充電樁）給電動(dòng)車自帶動(dòng)力電池充電機(jī)提供電能。交流慢充電電流比較低，充電時(shí)間相對較長，一般充電時(shí)間為5～8 h，有的甚至長達(dá)10～20 h。

常規(guī)慢充方式的優(yōu)點(diǎn)。充電所需功率和電流相對較低，充電設(shè)備成本比較低?？沙浞掷秒娏Φ凸葧r(shí)段進(jìn)行充電，降低充電成本?？商岣叱潆娦屎脱娱L電池的使用壽命。

常規(guī)慢充方式的缺點(diǎn)。充電時(shí)間過長，當(dāng)車輛有緊急運(yùn)行需求時(shí)難以滿足，并且需要專門的停車場地。 電池和車載充電機(jī)與車輛是一個(gè)整體，使得整車的價(jià)格相對較高。

常規(guī)慢充方式適用情況主要有：1）用戶對電動(dòng)乘用車的行駛里程要求相對較低，車輛行駛里程能滿足用戶1天使用需要，利用晚間停運(yùn)時(shí)間可以完成充電。2）由于常規(guī)慢充充電電流和充電功率比較小，因此在居民區(qū)、停車場和公共充電站都可以進(jìn)行充電。 3）規(guī)模較大的集中充電站，能夠同時(shí)為多輛電動(dòng)乘用車提供停車場地并進(jìn)行充電。

電動(dòng)汽車交流充電樁接入配電網(wǎng)典型方式如圖1所示。 圖1中（a）區(qū)域表示，交流充電樁可分散分布于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)的公共停車場，在允許接入的條件下，就近接入到附近的0.4 kV電網(wǎng)獲取工作電源。圖1中（b）區(qū)域表示，作為交流充電樁集中分布的大型停車場，電動(dòng)汽車充電站分為專用變壓器和專線接入，專用變壓器接入將上級(jí)電源降壓10 kV后直接向充電站提供電能，專線接入則通過10 kV線路將充電站接入電網(wǎng)。充電站站內(nèi)再配置配電變壓器向充電機(jī)提供工作電源。

圖1 電動(dòng)汽車常規(guī)慢充接入配電網(wǎng)典型方式

2 電動(dòng)汽車常規(guī)慢充能效鏈模型

常規(guī)慢充充電方式下，純電動(dòng)汽車經(jīng)電動(dòng)汽車交流充電樁將電網(wǎng)電能儲(chǔ)存于動(dòng)力電池，在車輛行駛時(shí)，動(dòng)力電池輸出電能經(jīng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量由電能、化學(xué)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)換。

在能量由電網(wǎng)電能經(jīng)電動(dòng)汽車交流充電樁轉(zhuǎn)換為動(dòng)力電池化學(xué)能的過程中，能量損失主要包括：1）電網(wǎng)電能經(jīng)配電線路傳輸?shù)木€路損耗；2）電網(wǎng)電能經(jīng)配電變壓器傳輸?shù)淖儔浩鲹p耗；3）電網(wǎng)電能經(jīng)交流充電樁對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電的損耗。通過以上分析，可以建立接入交流充電樁的電動(dòng)汽車能量效率鏈模型，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車常規(guī)慢充方式能效鏈模型

3 影響常規(guī)慢充能效的關(guān)鍵因素

3.1 配網(wǎng)能效

線路選型。作為電力系統(tǒng)的電能傳輸?shù)闹匾浇?，電力線路的選取對配電網(wǎng)能效分析有著重要的意義。電力線路的技術(shù)參數(shù)將會(huì)直接影響到電力線路的功率損耗。針對電動(dòng)汽車常規(guī)慢充的充電方式，由于常規(guī)慢充充電功率較小，充電電流一般為10～20 A，對導(dǎo)線載流量要求不高，可采用較小截面積的導(dǎo)線，對于低壓配電線路中的進(jìn)戶線，其導(dǎo)線截面積為4～50 mm2，最小導(dǎo)線截面積的導(dǎo)線載流量為25 A，承受常規(guī)充電電流能力較強(qiáng)，低壓線路的干線、支線和進(jìn)戶線均可滿足接入和供電安全載流量的要求，為了減小供電線路的損耗，需根據(jù)接入常規(guī)慢充的臺(tái)數(shù)和接入功率選定線路規(guī)格。

網(wǎng)絡(luò)接入方式。常規(guī)慢充的充電方式多被采用于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和大型停車場，電動(dòng)汽車充電機(jī)的接入對電力傳輸網(wǎng)的載流和變壓器的容量有一定影響。對于以大型停車場為基礎(chǔ)的電動(dòng)汽車充電站，可通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化來實(shí)現(xiàn)減少諧波，提高功率因數(shù)，通過電力網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來降低電力輸電線路損耗。

峰谷差和負(fù)荷率。負(fù)荷率是指平均負(fù)載與最大負(fù)載功率之比。針對常規(guī)慢充充電方式，用戶接入的充電時(shí)間多為負(fù)荷低谷期。大規(guī)模電動(dòng)汽車的接入，可有效地減少電力負(fù)荷的峰谷差，提高電力系統(tǒng)負(fù)荷率。對于電力線路來說，在一定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行方式和總供電量不變條件下，負(fù)荷率的提高可降低電力線路的有功損耗和無功損耗。常規(guī)慢充的充電方式可實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

相間不平衡負(fù)載。常規(guī)慢充充電方式的采用對配電線路的用電負(fù)載分布會(huì)產(chǎn)生一定的影響。配電網(wǎng)單相負(fù)載所占比重較大，常規(guī)慢充方式會(huì)造成一定的三相負(fù)載不平衡的狀況，這種不平衡在傳輸中，會(huì)使電力線路的損耗增大 。三相負(fù)載不平衡度越大，其損耗也就越大。電力線路的三相負(fù)載的不平衡，不僅引起電力線路的A、B、C三相導(dǎo)線總損耗增大，同時(shí)在中性導(dǎo)線中產(chǎn)生零序電流，引起中性導(dǎo)線產(chǎn)生損耗，電力線路三相負(fù)載的不平衡會(huì)引起電力線路損耗大大增加。為了降低配網(wǎng)損耗，提高電能使用效率，應(yīng)盡量減小三相負(fù)載不平衡度。

3.2 變壓器運(yùn)行能效

變壓器選型。作為電力系統(tǒng)中電能變換的重要設(shè)備，變壓器技術(shù)參數(shù)選取對配電網(wǎng)能效有重要影響。變壓器技術(shù)參數(shù)和運(yùn)行方式將會(huì)直接影響到變壓器功率損耗。針對電動(dòng)汽車常規(guī)慢充的充電方式，由于常規(guī)慢充多使用居民用電，接入公用網(wǎng)配電變壓器，需針對交流充電樁的充電功率和接入臺(tái)數(shù)對現(xiàn)有低壓配電系統(tǒng)的配電變壓器做負(fù)載率分析，考慮配電變壓器平均容量在100～550 kVA，在不改造配電容量的基礎(chǔ)上，對常規(guī)慢充有較強(qiáng)的接納能力。對于常規(guī)慢充接入電網(wǎng)，需綜合變壓器容量、負(fù)載率和備用情況分析變壓器的工作效率。

峰谷差和負(fù)荷率。對于電力變壓器來說，在一定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行方式和總供電量不變條件下，采用常規(guī)慢充的充電方式可有效提高電力變壓器的負(fù)荷率，負(fù)荷率的提高可降低電力變壓器的有功損耗和無功損耗。

相間不平衡負(fù)載。常規(guī)慢充充電方式的采用將會(huì)引起配電線路的用電負(fù)載分布的變化，對于公共配網(wǎng)變壓器的能耗產(chǎn)生一定影響。配電網(wǎng)單相負(fù)載所占比重較大，常規(guī)慢充會(huì)產(chǎn)生一定的三相負(fù)載不平衡的狀況，對于民用變壓器三相負(fù)載不平衡有著更為明顯的影響。配電變壓器由于三相負(fù)載不平衡會(huì)使其損耗增大。三相負(fù)載不平衡度越大，其損耗也就越大。 適當(dāng)調(diào)整使得三相負(fù)載接近平衡，可降低變壓器損耗，提高變壓器的使用效率。

3.3 充電樁能效

啟動(dòng)浪涌。 浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。 由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。電動(dòng)汽車充電機(jī)用于動(dòng)力電池充電，其充電功率可達(dá)到幾千瓦到十幾千瓦。電動(dòng)汽車充電機(jī)在接入電源的瞬間，由于輸入濾波電容迅速充電，浪涌電流很大，有可能會(huì)高達(dá)十幾安培，浪涌電流的存在一方面會(huì)對設(shè)備有一定的沖擊作用，另一方面也存在不容忽視的能耗問題。

空載損耗。 電動(dòng)汽車充電機(jī)在接通電源后，電動(dòng)汽車充電機(jī)將處于待機(jī)狀態(tài)，電動(dòng)汽車充電機(jī)的充電功率不同，空載損耗也不同。當(dāng)電動(dòng)汽車得到大規(guī)模的應(yīng)用后，電動(dòng)汽車充電機(jī)的待機(jī)空載損耗將不容忽視。

穩(wěn)態(tài)能耗。電動(dòng)汽車充電機(jī)的工作原理是由整流電路對輸入三相交流電進(jìn)行整流［7］，再經(jīng)濾波電路后，為高頻DC-DC功率變換電路提供直流輸入，功率變換電路的輸出經(jīng)過輸出濾波電路后，為車用動(dòng)力蓄電池充電，充電機(jī)原理框圖如圖3所示。

圖3 充電機(jī)原理框圖

交流電在各個(gè)電能變換環(huán)節(jié)存在電能損耗問題，例如三相不控整流二極管的能效，整流橋損耗，高頻DC/DC的能效。由此可知，各電能變換環(huán)節(jié)的電力電子器件的參數(shù)選取及工作方式直接決定整臺(tái)充電機(jī)的工作參數(shù)、充電功率，工作效率及其功率因數(shù)，從而決定電動(dòng)汽車充電機(jī)的運(yùn)行能效。因此，有必要分析電動(dòng)汽車充電機(jī)正常工作時(shí)的電能消耗問題［8-9］。

諧波損耗。市場上使用的電動(dòng)汽車充電機(jī)大多數(shù)采用三相不控整流充電機(jī)，該類充電機(jī)是由工頻變壓器、三相不控整流和高頻變壓器隔離DC/DC變換器組成，作為一類電力電子設(shè)備，電動(dòng)汽車充電機(jī)在使用過程中將會(huì)產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，從而引發(fā)一系列諧波問題［10-11］。對采用三相橋式不控整流電路的充電機(jī)來說，脈動(dòng)數(shù)P=6，交流側(cè)諧波次數(shù)主要為 6k±1 次（k=1，2，3，…，n），充電機(jī)主要產(chǎn)生5，7，11，13次諧波。電動(dòng)汽車充電現(xiàn)多采用兩段式充電方式：恒流限壓和恒壓限流充電。諧波電流隨充電功率增大而增大，在充電機(jī)輸出功率的最大值時(shí)諧波達(dá)到最大值，之后快速減小，并在充電結(jié)束時(shí)刻達(dá)到最小值。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗和電能損耗，使導(dǎo)體發(fā)熱嚴(yán)重，降低設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)效益；增加了輸、供電和用電設(shè)備的額外附加損耗；同時(shí)諧波的存在會(huì)大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導(dǎo)致的噪聲會(huì)使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)，由于以上損耗增加，會(huì)減少變壓器的實(shí)際帶負(fù)載能力。

4 結(jié)語

對于電動(dòng)汽車充換電基礎(chǔ)設(shè)施能效的評(píng)估和指標(biāo)體系，雖然各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)做了一些研究試驗(yàn)，但目前我國沒有比較科學(xué)且統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通過對電動(dòng)汽車充放電設(shè)施能效研究，制定其能效的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并深入研究其測試方法，使測試數(shù)據(jù)能較客觀科學(xué)，真實(shí)地反映電動(dòng)汽車充放電設(shè)施的實(shí)際能效水平，為電動(dòng)汽車管理部門實(shí)施電動(dòng)汽車的節(jié)能審查和監(jiān)管提供技術(shù)參考。

［1］ 張文亮，武斌，李武峰，等.我國純電動(dòng)汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探討［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（4）：1-5.

［2］ 楊孝綸.電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展趨勢及前景（上）［J］.汽車科技，2007（6）：10-13.

［3］ 高賜威，張亮.電動(dòng)汽車充電對電網(wǎng)影響的綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（2）：127-131.

［4］ 杜劍，謝東，吳濤，等.國外電動(dòng)汽車戰(zhàn)略及充換電業(yè)務(wù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.華中電力，2012，25（1）：96-102.

［5］ 劉堅(jiān).電動(dòng)汽車充電方式和商業(yè)運(yùn)營模式初探［J］.汽車工程師，2011（1）：19-22.

［6］ 劉清.電動(dòng)汽車的充電模式及充電站對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響分析［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（18）：43-47.

［7］ 葉健誠，桑林，李昱凌，等.電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)諧波分析與仿真［J］.電測與儀表，2011（9）：34-37.

［8］ 李晶，姜久春.純電動(dòng)汽車充電機(jī)模型［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013，17（4）：64-71.

［9］ 張謙，韓維健，俞集輝，等.電動(dòng)汽車充電站仿真模型及其對電網(wǎng)諧波影響［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（2）：159-164.

［10］陳新琪，李鵬，胡文堂，等.電動(dòng)汽車充電站對電網(wǎng)諧波的影響分析［J］.中國電力，2008，41（9）：31-36.

［11］李娜，黃梅.不同類型電動(dòng)汽車充電機(jī)接入后電力系統(tǒng)的諧波分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（1）：170-174.