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電動汽車充電是個復雜的問題
電動汽車充電方面的內容較多，普通的潛在購車者，可能將之與手機充電與電動自行車充電兩者聯系起來。前者是3.6V鋰電池，后者是36V鉛酸或鋰電池組，與電動汽車內的電池組容量相比，差異較大。所以電動汽車所面臨的問題更多，其系統也比較復雜。
由于在公司主要是對充電方面的事務負責，所以從個人的角度來看，中國發(fā)展電動汽車，充電問題是根本性的問題，而充電的問題，則是非常難解決的。充電系統，是將電網中交流電能，通過整流和調壓變化之后，根據電池系統的實際狀態(tài)和需求，有序的將電能存儲到電池系統里面。
從充電的性質分類，如圖1所示可以分為：
圖1 充電分類圖
1. 交流充電：是可充電新能源汽車最為主要和普遍的方式，幾乎所有的電動汽車都會保留這種充電模式。交流充電主要包括，外部充電樁&線束、車端充電插座、車載充電機、充電繼電器和充電控制軟件。
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圖2 充電模式
- 供電設施：將交流電從電網安全傳遞到電動汽車上，根據IEC的定義，課分為三種模式，模式1不帶充電控制、模式2帶充電控制和模式3的充電樁。
- 充電接口：交流充電插頭是在62196-2中定義的，主流的目前為兩種一類和二類，國內是自主的標準GB/T30234與之對應。
- 車載充電機：車載充電機將交流轉換成直流電，功率范圍主要從3.3KW~7.6KW。其基本結構為整流橋、PFC、DC-DC變壓模塊，根據電池系統的電壓等級，車載充電機的輸出電壓往往較為寬泛。
- 充電繼電器：由于充電回路和放電回路一般都是分開的，車載充電機與電池組相連還一般通過電池組內正負極繼電器。
- 充電控制軟件：充電控制一般是在電池管理系統內完成的，不過由于充電系統這個時候往往需要處理整個車內的電氣系統，均衡高壓電池和12V電池，往往也和整車控制系統有著直接的關系。
直流充電和無線充電哪個更好？
2. 直流充電：通過外部的充電機，將直流電流直接通過充電接口灌入電池組之內。
直流充電的路徑，可以分為兩種：
- 如圖3所示的i MiEV中簡單直接的將直流充電接口同電池系統內配電盒直接對接起來；
- 還有一種方式是通過逆變器的通路，復用原有的大電流放電的路徑來作為直流充電使用。
直流充電的控制較為復雜，目前在積極制定基于Combo的交直流一體插座所使用PLC通信方式；國內是基于CAN系統的通信方式。
3. 無線充電：讓人感到驚訝的是，在20年以前，通用汽車的EV1采用的是感應式無線充電的方式。無線充電的方式，從原理上來說有無線感應、電磁共振等方法。
- 從長期來看，讓用戶對車輛插拔操作，將用久了臟兮兮電纜收好，肯定是不現實的，所以無線充電未來大有可為。
- 目前的無線充電系統，是面臨現實的問題的，比如部件體積、充電效率、位置對準、充電安全和量產可靠性等?？傮w來看在電動汽車上應用，無線充電目前是處在前期的階段，行業(yè)的標準都在制定中，這里暫時不詳細敘述。
? 圖3? 交直流充電系統
電動車充電的標準就這些
由于電動汽車充電系統，存在充電設施和電動汽車匹配的問題，國內外有著大量的標準來定義：
（1）插頭：IEC62196系列的三個標準，涵蓋傳到充電的交直流接口，國內對應的GB20234的標準。
（2）通信：IEC61851-24和ISO、IEC15118，前者主要針對直流充電通信，后者是對整個汽車和電網通信做了系統的定義。
（3）充電拓撲：IEC61851為核心的控制拓撲。
（4）充電安全：這方面的標準，是將充電系統納入原有的電氣安裝標準中。
圖4 電動汽車充電標準概覽
對用戶而言，以上的很大一部分都沒有意義。怎么樣在各種環(huán)境下給車充電才是重點。根據充電環(huán)境的不同，按照國外的經驗：充電按照充電所在的地點本分類，如圖4所示可以分為
圖5 充電地點分類
電動車雖好，充電設施誰來建？
（1）公共區(qū)域充電：公共區(qū)域充電，主要包括商業(yè)設施如購物、休閑場所所在地的充電；地方電網興建的充電設施，其主要目的是方便。
- 此類充電，一般是在原有的停車場和停車位的基礎上架設的。由于充電速度的原因，其目的是為了用戶充電作為一項補充措施。在國外，目前作為一項推廣措施，也在慢慢展開。
- 當然，在國內的情況非常特殊。目前絕大多數的充電站，都是公共興建的，在地圖上所看到的充電樁，都是公共充電樁，由國家電網（2013年前建立約10000個）和南方電網興建。
- 發(fā)展公共交流充電設施，主要面臨著停車、充電標準、計費和接入要求等等。當然好的方面來看，只要電網和土地方面聯動，比如電動汽車充電塔如圖6所示之類的設計，在中國也可能興建世界一流的公共充電設施出來的。
快速直流充電雖然從電網來看，可能有較大的電網負荷沖擊等考慮因素，作為對電動汽車使用促進，終究是一項有效的措施。目前國家電網計劃在高速公路附件規(guī)劃直流充電站的網絡就是一個可行的嘗試。
只要中國兩個電網公司，將換電和充電一視同仁，將一部分投資和精力放在交流充電方面，相信未來公共充電的問題是可以解決的。
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?圖6 國家電網的充電塔設計
（2）辦公區(qū)域充電：此類主要是上班的區(qū)域布置充電設施，如果上班過程中可以把電充滿，這樣即使是電動里程較短的插電式混合動力（PHEV）也可以保證上下班過程中是完全用電在驅動，使用成本小了很多。由于興建的費用以及電費等原因，想要企業(yè)在其員工停車場上興建充電樁等充電設施，有較大的阻力。
（3）用戶家中充電：在家中充電也是首先需要保證的，經過諸多的研究，用戶最主要的充電也就是發(fā)生在自己家里面。第一是因為用車需要，第二是充電設施許可。在中國的情況是比較特殊，這塊確實最為困難的方式，后文將詳細分析在中國公寓環(huán)境內遇到的一些問題。
辦理充電證比一胎準生證還難？
在中國，假定有一輛有著安全和可靠的充電系統的電動汽車，怎么樣給它充電。這個問題，難死國內外車廠與充電相關的所有人。限于篇幅，這里僅針對國內城市的私人住宅里面的充電問題。當前中國的管理部門，是做出了一些嘗試的，小范圍內做出的試行規(guī)定是對車主的資質進行定義，對于想要給電動汽車充電需要具備以下的條件才可以試著去申請，當然這個充電樁一般是和車牌進行關聯的。
圖7 充電設施的政策要求
1. 房產的產權證明：也就是說，只有在小區(qū)內擁有房產。
2. 固定的停車位：這代表著必須要有一個固定車位。
3. 新能源汽車擁有證明：這個是非常有趣的事情，插電式新能源汽車購買之前需要確保充電，但是在安裝充電樁的時候需要有擁有證明，先有雞還是先有蛋呢？
4. 物業(yè)證明同意施工：這個施工證明，其實很難開，需要分地下車庫和地上車位的施工布線圖。
5. 業(yè)委會同意施工：這個事情和物業(yè)證明一樣的麻煩。
6. 消防許可：當前的充電設施和消防這邊的事情還沒完全對接上，由于地下車庫是屬于人防設施，這條也是省不了的。
滿足了以上的要求，還需要和地方的供電局來進行安裝的事宜。所以，現在的私人充電是很難的，不光是限制條件很嚴格，辦成這個事情的時間成本也很高的。
算算電動汽車充電成本
我們再來看看給電動汽車充電設施的成本，為了給用戶的車位安上，我們需要：
- 充電樁：目前的充電樁，主要是國內的企業(yè)在做，里面包括電表、保護電路和控制電路。一般可分為掛壁式和落地式兩種。
- 連接線束：在地下車庫里面，電氣導線從配電出來以后，需要通過線管保護后在天花板上過；如果是地上車位的，是從居民樓的配電盒之內接出，通過線管保護，還需要一定的土建施工才可以。
- 充電線束：連接充電樁和充電汽車，用戶需要隨車攜帶。
- 營建費用：完成上述的工作。
在付出了以上的成本以后，單個客戶是可以滿足充電需求的。事實上，想要滿足多數人擁有充電新能源車的夢想，還是很困難的，主要的原因是，我國的配電網的設計是較為保守的。假定在如圖7所示的小區(qū)地下停車庫內為所有的電動汽車設計配電電路，這也是一個較為困難的事情，特別是地下車庫也具有人防工事的屬性。以參考文獻【1】中提供的細致數據，地下車庫內電力負荷主要有風機、水泵及消防聯動設備等，照明負荷主要有正常照明和應急照明負荷等，所有用電設備均為220/380V低壓用電負荷。其中消防水泵、火災自動報警、自動滅火、排煙設備、火災應急照明及疏散指示標志等消防用電屬一級負荷,地下車庫平時的用電負荷為1100KW。
1. 由于消防的要求，本身的停車位都是按照防火區(qū)的要求進行間隔的，當某個位置需要將連接線束連接的時候，需要根據法規(guī)要求進行設計。
2. 由于本身配電系統不考慮用戶在地下車庫停電，充電的負荷只能從備用的負荷中取點，在各個配電柜里面連接是有限的。
3. 由于非預裝的系統，就面臨先后次序干涉的問題，當電動汽車在小區(qū)內普及之時，公共區(qū)域的設計系統升級是個很復雜的問題。
圖8 小區(qū)地下停車示意圖
電動車自由充電之路其實還很遠
由上敘述，由于中國當前的配電系統設計，從電氣標準上就沒有考慮電動汽車，而且配電系統的更新成本耗費巨大，所以采用固定負荷疊加的辦法是行不通的。這點電網是做過一定的研究的，如參考文獻【2】中所示的那樣，文獻中使用的是蒙特卡羅的方法，可能與事實存在較大的差異。
- 在沒有受到任何激勵的條件下，電動汽車停泊時接入電網即開始充電。用戶接入電網的時間主要集中在 8:30 和 19:30 左右，所以這兩個時刻的充電負荷急劇增加，負荷曲線出現了尖峰。從理論上來看，小區(qū)停車場、小區(qū)配電、社區(qū)配電以及更往上的系統，受到的負荷是肯定的。鑒于當前小區(qū)的建筑遵循的設計要求也不同，這種影響是不確定的。
- 引入峰谷電價，用戶均在谷期凌晨 0 點開始充電。在凌晨 0 點時，電網負荷急劇增長，說明電動汽車的集中充電行為給電網造成了較大的沖擊，尤其是在谷期時段開始的時候。電力價格機制，對于目前略帶昂貴的電動汽車影響是不大的，以后相對于汽車的費用，電費也是個小頭。但是我相信這個機制發(fā)揮得好，也是有價值的。
- 電網公司能直接控制所有電動汽車的充電行為，則其將根據電網的負荷狀況來優(yōu)化充電時間，此時能得到比較理想的電網負荷曲線。在IEC61851.1一開始，電動汽車充電遵循的PWM控制導引電路，就是為了有效控制電力負荷。中國的電力行業(yè)，如果能夠積極參與智能充電的研究和投入，積極導引ISO15118整個車網未來通信的主導，電動汽車充電負荷對于電網而言，應該不是那么大的問題。
發(fā)展電動汽車，對于充電基礎設施是一個機遇更是一個挑戰(zhàn)，目前電網也對這塊領域向民營資本開發(fā)，趨勢是較好的，引入更多的資本和資源，希望能帶來更好的結果。
參考文獻
【1】地下車庫電氣設計要點 劉寶川
【2】電動汽車充電行為對電網負荷曲線的影響 荊朝霞
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《汽車電子瞭望臺》之二：在中國買得起電動汽車未必辦得下充電證！
《汽車電子瞭望臺》之三：箭在弦上，汽車廠商生死存亡命系新能源汽車的開發(fā)
