1 引言
随着全球能源危机的不断加深,石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧,电动汽车作为节能环保的新型交通工具已成为全球汽车产业未来发展和竞争的焦点,世界各国政府纷纷出台相关政策推动电动汽车产业发展。在美国,能源部牵头实施了EV Project计划,通过免费为电动汽车用户建设家用充电桩来推广电动汽车的使用;在中国,《节能与新能源汽车产业发展规划（2012~2020年）》指出,要以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向,提升我国汽车产业整体技术水平,争取到2015年,使新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平,在中国部分城市推广新能源汽车在公交车、公务车、社会服务车辆以及出租车中的示范运营。为了解决长途充电问题,国家电网已经建成了京沪高速全线快速充电系统。2016~2020年,国家电网建设充电站目标达到10 000座,形成世界之最的“四纵四横”电动汽车充电网络,对于普及电动汽车而言无疑是巨大的动力。
电动汽车规模化发展成为必然趋势,应对规模化带来的机遇和挑战,为未来做好技术积累和支撑,是未雨绸缪提升我国电动汽车发展能力的需要。本文从国内外电动汽车产业的发展现状出发;首先,从车用电池、充电设施、标准及充电设施规划四个方面分析了电动汽车规模化发展对充电设施网络提出的新要求;然后,从充电控制策略、电网规划及新能源消纳三个方面分析了电动汽车规模化发展给电力网络带来的新挑战;最后,就管理平台的开发与设计、规模化数据管理、充电设施管理及管理系统与电网调度系统的融合四个方面分析了电动汽车规模化发展后电动汽车管理平台面临的新问题。
2 电动汽车规模化发展趋势
2.1 国外电动汽车发展路线
在“低碳、环保”已经成为全球共识的背景下,电动汽车已经成为各国高度重视和积极推动的领域之一。在电动汽车的发展进程中,各个国家和地区都依据自己的国情和特点选择了不同的技术路线[1]。
日本是最早开始发展电动汽车的国家之一[2]。1965年开始,日本通产省启动电动汽车研制,并正式将其列入国家计划;1967年,日本成立日本电动汽车协会,以促进电动汽车事业的发展;1971年通产省制定《电动汽车开发计划》,开始投入巨资用于新能源汽车研发;1991年制定了《第三届电动汽车普及计划》;1993年,日本政府启动了ECO-Station项目,计划建立2 000个替代能源汽车燃料供应站,其中包括1 000个纯电动汽车快速充电站,日本政府计划为此投入大约140亿日元;日本异常重视新能源汽车的开发,2006年,日本政府正式出台了《2030年的能源战略》长远能源规划;2010年被日本媒体称为电动汽车革命之年,这一年,“从汽油车转向电动汽车的革命已经开始”;2013年,日本实施了“环保车振兴计划”。日本政府围绕电动汽车的全产业链优化升级,有针对性地制定了一批强有力的政策措施,使电动汽车产业得到蓬勃发展。
2005年,欧盟委员会批准了一项旨在增加使用以森林、农业和废物为原料的能源的生物燃料与生物能源行动计划[3];欧盟委员会于2007年公布了“新欧洲能源政策”。目标是到2020年,将温室效应气体排放量降低到至少低于1990年的20％,将能源消耗中可再生能源生物资源、风力、水力和太阳能的比例提高到20％。2011年德国联邦政府通过了鼓励电动汽车发展的《电动汽车政府方案》,方案的主要内容是,通过一系列优惠政策,力争在2020年让在德国大地上行驶的电动汽车达到100万辆;2013年,欧盟委员会提出电动汽车推广计划,欧盟将朝着更加“绿色”的知识经济体迈进,大力推广更加环保的电动汽车符合这一发展方向。
针对美国,自2009年奥巴马上台以来,对包括电动汽车在内的新能源产业的支持从未停止,在他任期内,光伏企业、电动汽车企业和电池企业等相关产业获得了大量资金支持,达到50亿美元之多;2010年,美国电动汽车联盟推出电动汽车发展目标和行动计划,提出争取到2020年,全美拥有电动汽车1 400万辆,近1/4的轻型汽车需求由纯电动汽车或插入式电动汽车提供;2011年,美国能源部发布的2011~2016战略规划公开了2项推动电动汽车普及的计划,一是将拨款500万美元用于电动汽车基础设施和充电站的建设;二是美国国家可再生能源实验室将和谷歌合作,推出一个涵盖全美电动汽车充电站和充电桩的数据库;消费者可以通过谷歌地图获得其位置,并获得驾驶路线[4];2013年,在特斯拉电动汽车成功脱颖而出后,美国政府果断修改了电动汽车普及化的目标,开始强调制造高端电动车。
2.2 中国电动汽车发展计划
近年来,中国出台了一系列扶持政策,积极鼓励电动汽车发展。2005年,国家发展改革委启动了节能中长期专项规划中涉及的十大重点节能工程,提出了发展混合动力汽车、燃气汽车、醇类燃料汽车、燃料电池汽车和太阳能汽车等清洁汽车的目标;2006年,国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中指出,国家鼓励开发使用节能环保和新型燃料汽车;同年,国家中长期科学和技术发展规划纲要提出重点研究开发混合动力汽车、替代燃料汽车的思路;2007年,国家发改委制定了《新能源汽车生产准入管理规则》,旨在鼓励企业研究开发和生产新能源汽车,推进节约能源和可持续发展的目标;2008年,奥运会电动汽车示范项目通过区域和线路的商业化运行试点示范取得了宝贵经验,对推进电动汽车产业化的政策环境和运营模式进行了初步探索;同年,科技部开展了电动汽车“十城千辆”推广活动,提出力争使全国电动汽车的运营规模到2012年占据汽车市场份额10%的目标;2009年,《汽车产业振兴和调整规划》中指出2011年形成50万辆电动汽车产能,电动汽车销量占乘车销售总量的5%左右的目标;同年,财政部、科技部决定,在北京、上海等13个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作,并制定了《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》,对推广使用单位购买节能与新能源汽车给予补助;另一方面,为促进汽车产品技术进步,工业和信息化部同时制定了《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》;2010年,财政部颁布《私人购买新能源汽车试点财政补助资金管理暂行办法》,对满足支持条件的新能源汽车给予3 000元/(kW·h)补助;2011年,出台《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》,中国把新能源汽车列为战略性新兴产业之一,提出要重点发展插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车技术;同年科技部出台了《国家十二五科学和技术发展规划》,提出全面实施纯电动汽车技术转型战略,实施新能源汽车科技产业化工程[5];2012年,国务院常务会议通过《节能和新能源汽车产业发展规划》,指出主要以纯驱动为汽车工业转型的主要战略取向,发展新能源汽车实行“过渡”和“转型”并行协调发展的战略;2013年,财政部、科技部、工信部和发改委四部委联合发布《关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知》,具体补助措施为：纯电动乘用车3.5~6万,纯电动客车30~50万,燃料电池乘用车20万,燃料电池商用车50万;2014年,国家发展改革委下发《关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》,确定对电动汽车充换电设施用电实行扶持性电价政策。
随着国家制定的直接政策不断增多,鼓励力度不断加大,可操作性不断增强,世界包括中国电动汽车产业正步入稳定健康发展的快车道,电动汽车规模化发展成为必然趋势。因此在可预见的将来,要应对电动汽车规模及其充电负荷的持续快速增长,现有的充电设施网络、电力网络以及电动汽车的管理平台必须做出改变以应对重大挑战。
3 充电设施网络面临的挑战
车载动力电池及配套充电设施相关技术的日趋成熟必将成为电动汽车规模化发展的先决条件。除车用电池是电动汽车大规模发展的瓶颈外,充电设施设计及制造技术、车用电池和充电设施标准及接口技术、充换电方式的多样化和充电设施规划等,都将成为制约电动汽车规模化发展的重要因素。
3.1 车用电池
3.2 充电设施
表 不同充电模式优缺点对比[9]
Tab
| 充电模式 | 优 点 | 缺 点 |
|---|---|---|
| 整车 慢充 | ①充电功率低,设备成本小 ②可利用电力低谷时段充电或有序充电,充电成本低 ③可延长电池使用寿命 | 充电时间过长,需要专门停车场地 |
| 整车 快充 | ①充电时间短,效率高 ②相比慢充方式占用土地面积较小 | ①大规模直流快充会对电网造成不良影响 ②工作和安装成本较高 ③充电电流大,影响电池的使用寿命和性能 |
| 电池 更换 | ①动力电池与电动汽车分离,降低购车成本 ②车辆使用效率及用户使用的方便性高 ③便于峰谷电力调控,实现 V2G 功能 ④便于电池维护,有利于提高电池的寿命 | ①电池与电动乘用车的标准化难于统一 ②不适应电动汽车灵活多样化需求 ③换电站初期投资成本很大,风险成本增加 |
3.3 标准
目前国外电动汽车充电标准主要有三大标准体系：IEC、SAE J1772和CHA de MO,国内出台的电动汽车充电设施技术标准：《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》（NB/T 33001—2010）、《电动汽车交流充电桩技术条件》（NB/T 33002—2010）、《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》（NB/T 33003—2010）,不同体系制定的标准存在一定的差异。接口的标准化是保证电动汽车充电安全性、互换性的基础。目前相关标准滞后于产品的技术发展,产品的产业化亟需相关标准化体系来保障,其安全、性能标准亟需制定和完善。文献[12]总结了现有电动汽车动力电池标准体系框架、动力电池国家标准及行业标准;文献[13]结合中国电网的实际情况和电动汽车规模化发展的需要,对电动汽车充电接口安全性、端子功能和性能定义、与电网的互动等进行了研究。因此,电动汽车及其充电设施的相关标准需要进一步完善。
3.4 充电设施规划
电动汽车充电基础设施是电动汽车推广应用的重要环节,其规划布局影响电动汽车产业发展和城市建设。电动汽车充电基础设施规划应遵循：①充电基础设施的分布应与电动汽车的时空分布尽可能保持一致;②充电基础设施的布局应兼顾建设经济性、技术合理性和用户便利性等要求;③充电基础设施的规划应与城市区域总体规划、路网规划及地区电网规划保持同步[14]。文献[15] 从充电站的规划与选址、布设密度与服务半径、充电站结构、经济指标、配电系统设计、配电网升级改造与扩容及储能充电站构架等方面,研究电动汽车充电设施的具体规划方法;文献[16]提出了充电基础设施的总体规划方法,并基于能量等效原则,利用等负荷距分配法将集中和分散充电量分配到相应充电设施;文献[17]分析电网企业应对电动汽车发展的规划现状,以广东电网公司充换电设施规划建设内外部环境为基础,建立充换电设施投资运营效益评估模型,提出充换电设施规划建设实施方案。因此,结合交通信息,充电设施配置规划模式须由集中式向分散式转变。
4 电力网络面临的挑战
随着电动汽车规模化发展,大规模的充电负荷涌入电网,电网经济性、稳定运行及电能质量等都受到严重影响。电动汽车充电控制策略研究显得尤为重要,而以有序充电负荷为基础的电网规划也将更加经济高效。同时,电动汽车作为单独的分布式电源给新能源消纳提供了新机遇,也带来了新问题。
4.1 电动汽车充电控制策略
随着电动汽车的推广普及,电动汽车在时间和空间上的随机充电将增加电网运行的不确定因素,给电网的经济运行带来新的挑战[18,19,20,21]。美国佛蒙特州研究了电动汽车充电对电力负荷的影响,研究表明,该州电网可支持10万辆电动汽车夜间充电,而负荷高峰期充电则会使电力供应出现极大的问题[19]。美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory,NREL）研究了电动汽车负荷对6个区域电网的影响,假设电力公司对电动汽车的充电行为完全控制,分析表明在不进行额外电力基础设施建设的情况下,这6个区域电网可以支撑区域内50%的汽车为充电汽车,将引起5%~10%的电能需求增加[21]。
文献[22]通过多代理运输仿真MATSim、PHEV管理和电力系统仿真软件建立电动汽车充电模型;文献[23]基于用地决策法的空间负荷预测法,建立了发展中城市的电动汽车及其充电负荷的空间分布预测模型,以优化城市配电网利用率为目标,构建电动汽车强制性有序充电模型;文献[24]提出峰谷电价时段的优化模型与方法,构建用户选择充电时间对峰谷电价时段的响应模型,建立以峰谷差率最小为目标的最优化模型,对峰谷电价时段优化问题进行了求解;文献[25]以减小电网峰谷差作为目标,结合电网分时电价时段划分与局域配电网负荷波动情况,提出电动汽车充电分时电价时段划分方法,建立以用户充电费用最小和电池起始充电时间最早为控制目标的数学模型。
电动汽车规模化发展要求电动汽车充电控制策略必须进行相应调整,对于集中式的充电站可通过制定适当的控制性管理模式,如控制电动汽车用户选择充电方式和充电服务时段等,即在充电方式管理上有所调整;而对于分布式的充电桩,制定合理的实时充、放电价,研究科学的充、放电策略,以对其进行有效的充、放电控制,使规模化电动汽车顺利发展和健康运行。届时,充电电价将会一定程度上从以营利及社会服务为目的向引导充电行为的职能转化。
4.2 充电电网规划
北美可靠性委员会（North American Reliability Council,NARC）和美国能源部的能源信息管理机构预测并分析13个区域2020年和2030年电动汽车充电行为对电力需求、供应、电源结构、电价等方面的潜在影响,表明每个区域都需要进行额外的电网建设和改造以应对来自电动汽车的电力需求[16]。
电动汽车规模化发展后,电力网络、电力线路和变电站的规划（建设和改进）必定会更多地考虑电动汽车发展的因素,新的负荷需求、新的负荷分布等都对电网规划提出新要求、指明新方向。但无论从客观因素还是作为一种新的行政职能的角度出发,电网必定不能按照原有思路规划,不能一味地去满足负荷的需求,一系列新思路的规划方法将有待研究,电网规划思路须进行转变。
4.3 新能源消纳
电动汽车规模化发展后,每辆电动汽车都可以看成单独的分布式电源,为大规模可再生能源接入电网及对电网进行频率调节提供支持[26,27,28,29,30,31]。文献[35]从系统调节能力、电网输电能力、风电技术性能和风电调度运行水平等角度分析了影响风电消纳的关键因素;文献[36]整合了各层面风电消纳技术、评估评价方法、市场机制与配套政策,提出了一套多时空尺度风电消纳体系,在空间层面考虑了省级、区域级和国家级等不同等级的电网消纳主体,在时间层面考虑了中长期、短期及实时等不同尺度的消纳需求;另外,储能技术较高的成本阻碍了其在电力系统中的大规模应用,通过智能充放电控制和动力电池的梯次使用,电动汽车可作为电力系统灵活调峰、调频电源,加强电网运行稳定性与安全性,提高可再生能源接入规模,文献[37]对我国未来电动汽车储能规模进行了分析并对相关政策进行了探讨;文献[38]基于风电输送成本的构成和风险分析,设计了促进风电大规模消纳的风电输配电价机制,通过对辅助服务的概述、基本辅助服务与有偿辅助服务的界定、辅助服务的成本分析等提出了促进风电消纳的辅助服务电价机制,为促进风电消纳的价格机制的发展和完善奠定了理论基础。
电动汽车规模化发展后,对能源的存储能力更大,可通过本地消纳减小新能源的浪费率（如弃风率）,也给通过控制电动汽车充放电以减小新能源接入对电网的影响提供条件,同时也将带来新的课题以待解决。
5 电动汽车管理平台面临的挑战
随着电动汽车规模化发展,在对其充电行为进行管理的过程中,大量的数据也需要人们对其进行分析利用。基于规模化电动汽车带来的大数据,在电动汽车管理平台的开发、数据的管理、充电设施的管理以及管理系统平台与电网调度系统的融合等方面将迎来了新的挑战。
5.1 电动汽车管理平台的开发与设计
随着电动汽车规模化的发展,无序充电将会给电网带来负荷冲击,尤其是在负荷高峰时期,电动汽车集中快速充电将给电网带来巨大的压力,因此需要对电动汽车进行有序管理;另外,为配合电动汽车发展,须配套建设相应的充电设施,也需要管理平台对充电设施资源进行有效的管理。因此,开发电动汽车管理平台具有重要意义。
规模化电动汽车实现与电网互动,不可能每一辆电动汽车都直接受电网调度,需要开发专门的互动平台,开发管理平台应重点注意两个方面：①设计管理功能需求：包括充电设施管理需求和电动汽车管理需求等,开发管理平台须结合实际问题设计必要的功能模块;②考虑电动汽车的规模化发展,管理平台架构设计理念要进行转变;如采用分层架构管理模式,可以提高管理效率。
目前对电动汽车管理平台架构和功能设计与开展的研究如下：文献[39]提出了电动汽车与电网互动的2层架构,包括电动汽车用户层和充电站电网管理层,管理平台通过协调电动汽车充电,直接调度电网电能;文献[40]提出了电动汽车与电网互动的3层架构,包括电动汽车用户层和充电站管理层和电网管理层;文献[41]提出了电动汽车与电网互动的5层架构,包括用户管理层、本地能量管理层、集成管理层、配电网管理层及区域电网管理层。文献[42]设计的管理平台具备对充电机参数的设置、充放电控制、人机界面对话和对数据库的管理和打印,并能对充电机的状态进行判断及故障诊断的功能。因此,目前对管理平台架构和功能的设计,仍然无法很好地解决大规模电动汽车的实时管理难题。目前我国电网的调度架构分为国家级调度控制、大区网局级调度、省级电网调度和地区级电网调度,考虑到调度系统成本、可操作性和可行性,应该在不改变现有电网调度架构基础之上,进行平台设计[43]。
5.2 规模化电动汽车数据管理
目前金融行业、互联网行业和商业零售行业等应用大数据技术可挖掘潜在的有用知识,利用潜在的知识可提高经济效益;如企业利用大数据分析可以从中获取新的洞察力,将其与已知业务的各个细节相融合,实现跨越式发展[44]。为了更好地管理电动汽车,同样可以采用大数据技术。电动汽车规模化后,可为电动汽车大数据提供发展条件,但是发展电动汽车大数据面临一些问题,如下：采集什么数据、管理什么数据和分析什么数据,即对采集数据的全面性和有效性提出了挑战。目前对规模化电动汽车数据管理开展的研究较少,文献[45]提出一套智能化充电站信息管理系统,系统采集数据包括：充电机累计工作时间、累计输入电能、累计输出电能、电动汽车的当日累计里程、累计工作时间和累计输入电量等,为数据源设计提供参考;文献[46]提出基于车载记录仪的在线数据收集和基于车载智能信息单元的无线远程数据收集等多途径相结合的数据收集方式,收集了三辆纯电动汽车道路累计运行超过5万km的数据,从能耗统计、控制器故障码统计、行驶工况和CAN总线通信品质等方面进行了数据挖掘分析,为电动汽车的运行考核提供了具有重要价值的知识,发挥了数据潜在价值的作用。
5.3 充电设施管理
充电站充电设施,须全面采集各类数据,实现对其更好的管理。如何构建完整的信息通信网,实现数据、信息的全面采集,是管理充电设施的重要内容。目前的通信网建设普遍存在一些问题,如建设投资大、网络拓扑结构复杂和采集点覆盖不全面。为了更好地管理充电设施资源,须寻求合适的技术。
物联网技术具备投资相对较低、通信网络拓扑结构清晰、采集数据比较完整等特点[47]。将其应用到电动汽车充电设施中,可更好地管理充电设施资源,但是应用物联网技术还存在一些关键难题。物联网技术应用中亟待解决的问题有,信息安全、个人隐私权和标准统一性等问题。物联网应用于电动汽车充电设施,若信息安全防护不到位,传输网络受到攻击,则充电设施的管理将出现混乱。物联网应用于电动汽车充电设施,如果隐私信息保护不到位,可能导致个人充值卡信息的丢失,这势必带来对物品持有者个人隐私的侵犯,可能威胁到人们的正常生活。物联网应用于电动汽车充电设施,存在无统一标准体系可遵循的问题,影响了其应用范畴,不利于与其他物联网系统之间的信息交互,势必影响到物联网在电动汽车充电设施管理的推广应用[48]。由此可知,这些问题解决不好,势必影响物联网技术的应用和推广。
5.4 管理系统与电网调度系统的融合
多系统融合的目的是发挥数据交互的便利性,完成期望的任务。文献[49]初步探讨了电力系统与交通系统的融合、电力系统与天然气网络的融合的必要性,指出深入研究交通系统与电力系统的复杂交互影响,并发展交通系统与电力系统的协调规划方法具有重要意义。同理,将电动汽车管理系统与电网调度系统进行融合,可以为电动汽车充放电提供更加便利的条件;结合电动汽车用户充电请求,管理平台可以给电网调度系统提供电动汽车充电负荷需求;电网调度系统须结合电网自身运行情况和电动汽车充电负荷需求,为管理平台提供可调度的电能;管理平台按照电网提供的电能为各个下层管理平台下达合理的充电命令,从而使管理平台更加合理地管理电动汽车。实现二者的融合是将来发展的趋势。因此,为了适应规模化电动汽车的发展,深入研究管理平台开发设计、规模化电动汽车数据管理、充电设施管理和管理系统与电网调度系统的融合具有重要意义。
6 结论
目前,电动汽车规模化发展所需的条件还不完全具备,规模化发展后所带来的问题亦不完全明朗。本文主要从充电设施网络、电力网络和电动汽车管理平台三大方面阐述了电动汽车规模化发展所面临的挑战,并且指出电动汽车规模化发展后一些传统理念需要转变,同时仍有许多技术难题亟待突破和解决。
就充电设施网络方面,车用电池技术的革新、充电设施设计制造技术的进步及车用电池与充电设施标准的制定成为未来电动汽车规模化发展的首要任务和前提;此外,充电设施规划应更多结合电动汽车用户本身分散性的特点,综合考虑电动汽车用户需求、居民区变压器容量及配电网投资规模及其经济性等,大力发展分布式的充电方式。
就电力网络方面,为减小电动汽车充电行为对电网运行的影响,充电控制策略亟待进一步发展;而基于进一步发展的充电控制策略,电网规划的思路及方法都将成为未来研究的重点;同时,结合传统发电机组、电动汽车负荷及新能源出力的电网协调调度必将给传统电网调度技术注入新的活力。
而就电动汽车管理平台方面,管理平台的开发与设计、数据管理、充电设施管理及管理系统与电网调度系统的融合都将随着规模化电动汽车大数据时代的到来成为新的行业热点。
（编辑：郭丽军）
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