电力企业管理

电动汽车换/充电服务模式分析与研究

王珂
（金华电业局，浙江 金华 321017）

电动汽车是一种发展前景广阔的绿色交通工具，电动汽车换/充电设施为电动汽车提供能量补给，是电动汽车发展的重要基础支撑，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。通过研究电动汽车动力电池充放电特性、换/充电服务模式等，指出适合电动汽车换/充电服务模式建设发展的方向。

电动汽车； 电池特性； 换/充电； 服务

电动汽车以电代油， 能够实现“零排放”。 我国政府把电动汽车的发展作为汽车产业应对能源安全、气候变化和结构升级问题的重要突破口，以及实现汽车产业跨越式发展的重要举措。电动汽车换/充电设施为电动汽车提供能量补给，是电动汽车发展的重要基础支撑，也是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。

1 电动汽车动力电池充电特性

1.1 动力电池主要技术指标

电动汽车动力电池常用的有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。

铅酸电池技术可靠、生产工艺成熟、价格便宜、电压稳定、单体电池电压较高，已实现大规模商业化应用。主要缺点是比能量低、使用寿命短、日常维护频繁，以及重金属铅在生产和回收过程中可能产生环境污染等。

镍氢电池具有充电快速、使用寿命长、安全性好等优点，单体电池电压 1.2 V、比能量 30～80 Wh/kg、 能量密度 140～300W/kg， 循 环 寿 命 高 达500～1 000 次。 主要缺点是生产成本高、 自放电率高，具有记忆效应等。

锂电池是新型高能电池，具有体积小、质量轻、能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染和安全性好等优点，应用前景好，已逐步取代铅酸电池和镍氢电池。各类动力电池主要技术指标如表1所示。

1.2 动力锂电池充电特性

动力锂电池和其他蓄电池一样，有多种充电方式，如恒流充电、恒压充电、 恒流-恒压充电、智能充电等。

恒流充电是指电池在充电时，采用恒定电流的方法进行充电，电流的大小可以通过充电装置进行调节，具有较大的适应性，可以对各种不同情况及状态的电池充电。主要缺点是开始阶段的充电电流相对较小，在充电后期充电电流又相对过大，整个充电过程时间长、能耗大，还需要专人管理。

表1 各类动力电池主要技术指标

恒压充电是指电池在充电时，采用恒定电压的方法进行充电，充电初期电流相当大，随着充电的延续，充电电流逐渐减小，一般在数小时后电池就能获得本身容量的 90%以上， 且充电过程不需要专人管理。

目前，动力锂电池一般采用恒流-恒压充电方式，即开始阶段采用恒流充电，直至电池的端电压达到恒压充电电压，然后再改为恒压充电，直到电池充满为止。

动力锂电池充电开始阶段，一般采用最优充电倍率进行恒流充电，在这一阶段，由于电池的电动势较低，即使电池充电电压不高，电池的充电流也会很大，必须对充电电流加以限制，一般最优充电倍率为 0.3C（C 是电池的容量， 如 C=800 mAh， 1C 充电率即充电电流为 800mA）， 这一阶段的充电叫“恒流”充电， 充电电流保持在限流值。随着充电的延续，电池电动势不断上升，充电压也不断上升，当电池电压上升到允许的最高充电电压时，保持恒压充电；在这一阶段，由于电池电动势还在不断上升，而充电电压又保持不变，所以电池的充电流呈双曲线趋势不断下降，一直下降到零，但在实际充电过程中，当充电电流减小到 0.015C 时， 说明充电已满就可停止充电， 这一阶段的充电叫“恒压”充电， 充电电压：U=E+IR 为恒压值。此外， 充电系统还必须具有自动调节充电参数、自动控制和自动保护等功能。尤其在恒压充电阶段，如果单体电池的充电电压超过允许的充电电压时，充电机应能自动减小充电电压和电流，使该电池的充电电压不超过允许的充电电压，防止电池过压充电，恒流-恒压充电曲线如图1。

图1 恒流-恒压充电曲线

不同种类的动力电池具有不同的充电属性、充电方式和充电倍率。充电倍率越大，充电器输出功率越大；充电时间越短，电池寿命影响越大。 如电池容量为 300 Ah 的动力锂电池， 最高充电电压 650 V，如按 0.3C（即最大充电电流 90 A）充电倍率充电， 充电器最大输出功率为 58.5 kW，充电时间约为 3～4 h； 如 20min 快速充电， 充电倍率至少为 3C（即最大充电电流 900 A）， 充电器输出功率达 585 kW。 为了确保动力电池安全、 可靠、经济使用，尽量减少充电器输出功率，一般最优充电倍率选用 0.1C～0.3C。

1.3 电动汽车对充电技术的要求

不同运行模式的电动汽车，其续驶能力、充电模式、充电功率及充电时间的要求也不同。如出租汽车、城市公交车，因连续行驶距离长，营运期间，需要有快速电能补给方式；对于家庭用车，日行驶距离较短，而且以白天使用、晚上休息的方式为主，可以采用普通充电方式。目前电动汽车充电模式一般可分为3类，即普通充电、快速充电、电池更换。

普通充电多为交流充电，利用交流充电桩，经电动汽车车载充电机进行充电。对于容量不超过 5 kW 的交流充电机， 可采用额定电压 220 V，50 Hz 的单相交流电，容量大于 5 kW 的交流充电机， 一般采用额定电压 380 V， 50 Hz的三相交流电。 充电时间大约需要 4～8 h。 由于普通充电时间长，需要有固定停车位置，一般可作为家庭用车能源补给的一种模式。

快速充电多为直流充电，通过直流充电机对电动汽车电池进行充电。直流充电机输入额定电压 380 V， 50 Hz的三相交流电， 输出电压、 电流一般不超过 700 V 和 700 A。 直流充电电流大、充电速度快，通常 30min 可完成充电， 对电池损害较大，导致电池寿命缩短。因此，快速充电模式只能作为电动汽车能源补给的一种补充模式。

通过电动汽车电池换/充站、 电池配送站为电动汽车快速更换电池， 更换时间通常在 5min以内。更换电池方式在电池流通管理、安全充电、 电池维护等方面都有优势： 电池换/充站能统一管理电池，让电池在最好的条件下充电，延长电池使用寿命； 电池换/充站能做到定期对电动车电池检修和维护，使电池的使用寿命和利用效率提高， 减轻用户的维护负担； 同时， 电池换/充站还可以有效利用低谷时段对电池进行统一充电，对电网起到了良好的削峰填谷的作用，更换电池模式是电动汽车能源补给的主要模式。

2 电动汽车换/充电服务模式研究

2.1 电动汽车服务模式

电动汽车换/充电服务模式是指电动汽车换/充电服务商向用户提供的换/充电模式、 电池供给模式、电能计费模式、增值服务模式等运营服务种类。换/充电模式将决定电动汽车是采用充电还是换电，主要包括集中换电和分布式充电；集中换电是指由换/充电站提供电池更换服务；分布式充电是指在住宅小区、 公共停车场、 换/充电站等利用专用充电机直接充电。

电池供给模式是指用户采用购买电池还是租用电池的形式；购买电池形式一次性投资大、运营费用少，但电池的充电、维护不便；租用电池形式相当于分期付款，电池使用更方便。电能计费模式可以根据电能消耗量、行驶里程或服务类型，按用户需求进行制定，电能计费模式很大程度取决于政府的价格政策。增值服务模式是基于换/充电业务而衍生的一些新服务， 如电池维护、电池回收、行驶路线定位及安全服务等。

电动汽车换/充电服务的发展仍受诸多技术因素影响，面临很多不确定性，如电池容量、电池使用寿命、 换/充电技术、 服务定价机制等， 但目前主要有 2 种形态， 即集中换电（租用电池）和分布式充电（购买电池）服务模式。

2.2 集中换电服务模式

集中换电服务模式是指建设电动汽车集中换/充电设施，采用电池租赁方式，为电动汽车客户提供快速电池更换业务。采用“集中充电，统一配送”的新型模式，能最大程度满足电动汽车能源供给服务对便捷性、经济性及电网友好性的需求，该服务模式具有以下特点。

（1）符合电动汽车自身发展特点。 相对于燃油车而言，电动汽车面临的最大问题就是能源补给的便捷性。在现有技术条件下，如采用普通充电模式， 需要 5～8 h； 如采用快速充电模式， 对电池损伤极大，将大大降低循环利用次数，提高电池使用成本； 一般动力锂电池能量密度为 400～600 Wh/L， 最 大 行 驶 距 离 只 有 120～160 km/次 ；即使将来电池技术持续改进，但自充电模式仍难以像燃油车加油一样便捷。 “集中充电，统一配送”服务模式能大大缩短客户等候时间，提高便捷性；同时，也有利于电池集约化管理，便于电池统一维护、统一回收。

（2）符合我国城市发展特点。 城市是未来电动汽车发展的重点区域，由于我国城市人口密集，不少居住在高层建筑，停车位极其紧张，有车库的只是少数。同时，我国目前城市用地，特别是城市中心地区用地极度紧张，因此，普通充电模式无法满足城市电动汽车规模化发展的需求。集中换电模式则不受居住、办公条件等限制，电池在大型充电站集中充电，由小型配送站完成电池更换服务；配送站服务网络门店要求低，对用户没有任何特殊要求，易于合理布点，在便捷性上具有突出的优势，能够满足用户的持续驾驶需求。

（3）有利于实现电动汽车与电网协调发展。 电动汽车充电过程中充电功率大，同时，电动汽车充电设备属非线性用电设备，这些用电设备产生的谐波电流注入电力系统，导致谐波电流含量超标，影响周边用户的电能质量。集中换电便于用电负荷统一调度、管理和监控，实现电动汽车与电网之间的良性互动，实现二者协调发展。一方面， 集中充/放电能够最大程度发挥削峰填谷作用，提高电力系统负荷率，有利于优化利用电力资源，集中充电也更有利于谐波治理。另一方面，配有大量电池的集中充电站本身就是一个能够快速响应的储能电站，能够在出现事故后为电网提供紧急备用电源，提高电网应对事故能力及安全稳定运行水平。

2.3 分布式充电服务模式

分布式充电服务模式，是指在住宅小区、公共停车场、 换/充电站等区域建设小功率充电桩，为电动汽车客户提供充电业务。这种服务模式符合当前客户需求，使用方便，运营成本较省。在电池技术成熟发展阶段，将是有固定停车位的家庭用车首选服务模式。

3 结论

（1）新型、 高能的动力锂电池具有体积小、质量轻、能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染和安全性好等优点，其应用前景好，将逐步取代铅酸电池和镍氢电池，成为未来电动汽车动力电池发展的重要方向。

（2）应积极采用“集中充电， 统一配送”的充电模式， 充分利用电网廉价的“谷电”资源， 平衡用电负荷峰谷差，挖掘现有电网潜力，尽可能减轻电动汽车发展对电网的供电压力；同时，亦有利于电流谐波的统一治理。

（3）地方政府应积极推广“集中换电为主、 分布式充电为辅”的服务模式， 加快电动汽车换/充电设施的建设；对于城市出租汽车、公交车及无固定车位的家庭用车， 优先选用“车电分离”的集中换电（租用电池）服务模式。

[1]陈玉进.电动汽车充电设备特点及对电网影响探讨[J].湖北电力，2009，33（6）∶48-50.

[2]康继光，卫振林.电动汽车充电模式与充电站建设研究[J].电 力 需 求 侧 管 理 ，2009（5）∶67-71.

[3]姚建歆，王媚.电动汽车充电系统建设应用分析研究[J].华东电力，2008（8）∶111-114.

[4]陈新琪，李鹏.电动汽车充电对电网谐波的影响分析[J].中国电力，2008（9）∶35-40.

（本文编辑：杨 勇）

Analysis and Research on Service M odes of Swapping/Charging of Electric Vehicles

WANG Ke
（Jinhua Electric Power Bureau， Jinhua Zhejiang 321017， China）

The electric vehicle is a kind of environmentally-friendly vehicle with great potential.Charging/ swapping facilities for energization are key support to development of electric vehicles and they are essential links in commercialization and industrialization of electric vehicles.By research on characteristics of charging and discharging of batteries and servicemodes of swapping/charging,the paper figures out development direction tailoring to establish servicemodes of swapping/charging of electric vehicles.

electric vehicle； battery characteristics； swapping/charging； service

TM714 ∶F416.471

： B

： 1007-1881（2012）11-0073-04

2012-03-23

王 珂（1974-）， 女， 浙江义乌人， 工程师， 从事电力营销管理工作。