电动汽车常规慢充方式能效分析研究

刘 畅，庞东泽

（1.山东科技大学，山东 青岛 266590；2.华北电力大学，河北 保定 071003）

0 引言

电动汽车作为一种新能源汽车，拥有普通燃油汽车无法比拟的优点，正成为世界各国研究的重点。 在我国，以电动汽车为主的新能源汽车工业的发展已经列入“十二五”规划，成为推动我国节能减排、产业升级的重大工程［1-2］。根据国家新能源汽车产业发展规划，计划2015年电动汽车规模提升至100万辆。我国“十一五”规划《纲要》提出了“十一五”期间单位国内生产总值GDP能耗降低20%、主要污染物排放总量减少10%的具有法律效力的约束性指标。与国际先进水平相比，我国现在的电能利用效率还比较低。通过加强电力需求侧管理，“十一五”期间，我国可累计节约1 500亿kWh的电量，相当于节约7 500 t原煤。由此可见，电力需求侧节能具有显著的社会效益，节能潜力巨大。电动汽车的普及，必须配套建设充足的充电基础设施，常规的分散充电桩将大规模分布于居民区、商业区、工作区等片区。因此，对电动汽车充电基础设施的能效分析，尤其是与居民生活密切相关的常规慢充的能效分析，显得十分必要［3］。而目前电动汽车充换电设施相关技术规范制定相对滞后，我国尚未出台有关电动汽车充换电能源利用效率的检测评估方法标准。在节能已取得一定成果的前提下，迫切需要有相关的研究机构开展电动汽车充换电设施的能效研究，确定能效评估的关键因素，以解决政府部门对节能监管的技术问题，为电动汽车管理部门实施电动汽车的节能审查和监管提供技术参考，减少电动汽车充换电不必要的能源消耗。

1 电动汽车常规慢充方式分析

电动汽车常规慢充是指用较小交流电流对整车进行充电的交流慢充方式［4-5］。电动乘用车根据使用情况在使用结束后或动力电池荷电状态（SOC）低于设定值之后立即充电。 用外部交流电源（交流充电桩）给电动车自带动力电池充电机提供电能。交流慢充电电流比较低，充电时间相对较长，一般充电时间为5～8 h，有的甚至长达10～20 h。

常规慢充方式的优点。充电所需功率和电流相对较低，充电设备成本比较低。可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本。可提高充电效率和延长电池的使用寿命。

常规慢充方式的缺点。充电时间过长，当车辆有紧急运行需求时难以满足，并且需要专门的停车场地。 电池和车载充电机与车辆是一个整体，使得整车的价格相对较高。

常规慢充方式适用情况主要有：1）用户对电动乘用车的行驶里程要求相对较低，车辆行驶里程能满足用户1天使用需要，利用晚间停运时间可以完成充电。2）由于常规慢充充电电流和充电功率比较小，因此在居民区、停车场和公共充电站都可以进行充电。 3）规模较大的集中充电站，能够同时为多辆电动乘用车提供停车场地并进行充电。

电动汽车交流充电桩接入配电网典型方式如图1所示。 图1中（a）区域表示，交流充电桩可分散分布于居民区、商业区的公共停车场，在允许接入的条件下，就近接入到附近的0.4 kV电网获取工作电源。图1中（b）区域表示，作为交流充电桩集中分布的大型停车场，电动汽车充电站分为专用变压器和专线接入，专用变压器接入将上级电源降压10 kV后直接向充电站提供电能，专线接入则通过10 kV线路将充电站接入电网。充电站站内再配置配电变压器向充电机提供工作电源。

图1 电动汽车常规慢充接入配电网典型方式

2 电动汽车常规慢充能效链模型

常规慢充充电方式下，纯电动汽车经电动汽车交流充电桩将电网电能储存于动力电池，在车辆行驶时，动力电池输出电能经由电动机驱动车辆运行，实现能量由电能、化学能和动能的转换。

在能量由电网电能经电动汽车交流充电桩转换为动力电池化学能的过程中，能量损失主要包括：1）电网电能经配电线路传输的线路损耗；2）电网电能经配电变压器传输的变压器损耗；3）电网电能经交流充电桩对电动汽车动力电池充电的损耗。通过以上分析，可以建立接入交流充电桩的电动汽车能量效率链模型，如图2所示。

图2 电动汽车常规慢充方式能效链模型

3 影响常规慢充能效的关键因素

3.1 配网能效

线路选型。作为电力系统的电能传输的重要媒介，电力线路的选取对配电网能效分析有着重要的意义。电力线路的技术参数将会直接影响到电力线路的功率损耗。针对电动汽车常规慢充的充电方式，由于常规慢充充电功率较小，充电电流一般为10～20 A，对导线载流量要求不高，可采用较小截面积的导线，对于低压配电线路中的进户线，其导线截面积为4～50 mm2，最小导线截面积的导线载流量为25 A，承受常规充电电流能力较强，低压线路的干线、支线和进户线均可满足接入和供电安全载流量的要求，为了减小供电线路的损耗，需根据接入常规慢充的台数和接入功率选定线路规格。

网络接入方式。常规慢充的充电方式多被采用于居民区、商业区和大型停车场，电动汽车充电机的接入对电力传输网的载流和变压器的容量有一定影响。对于以大型停车场为基础的电动汽车充电站，可通过拓扑结构的变化来实现减少谐波，提高功率因数，通过电力网络优化来降低电力输电线路损耗。

峰谷差和负荷率。负荷率是指平均负载与最大负载功率之比。针对常规慢充充电方式，用户接入的充电时间多为负荷低谷期。大规模电动汽车的接入，可有效地减少电力负荷的峰谷差，提高电力系统负荷率。对于电力线路来说，在一定时间段内运行方式和总供电量不变条件下，负荷率的提高可降低电力线路的有功损耗和无功损耗。常规慢充的充电方式可实现削峰填谷。

相间不平衡负载。常规慢充充电方式的采用对配电线路的用电负载分布会产生一定的影响。配电网单相负载所占比重较大，常规慢充方式会造成一定的三相负载不平衡的状况，这种不平衡在传输中，会使电力线路的损耗增大 。三相负载不平衡度越大，其损耗也就越大。电力线路的三相负载的不平衡，不仅引起电力线路的A、B、C三相导线总损耗增大，同时在中性导线中产生零序电流，引起中性导线产生损耗，电力线路三相负载的不平衡会引起电力线路损耗大大增加。为了降低配网损耗，提高电能使用效率，应尽量减小三相负载不平衡度。

3.2 变压器运行能效

变压器选型。作为电力系统中电能变换的重要设备，变压器技术参数选取对配电网能效有重要影响。变压器技术参数和运行方式将会直接影响到变压器功率损耗。针对电动汽车常规慢充的充电方式，由于常规慢充多使用居民用电，接入公用网配电变压器，需针对交流充电桩的充电功率和接入台数对现有低压配电系统的配电变压器做负载率分析，考虑配电变压器平均容量在100～550 kVA，在不改造配电容量的基础上，对常规慢充有较强的接纳能力。对于常规慢充接入电网，需综合变压器容量、负载率和备用情况分析变压器的工作效率。

峰谷差和负荷率。对于电力变压器来说，在一定时间段内运行方式和总供电量不变条件下，采用常规慢充的充电方式可有效提高电力变压器的负荷率，负荷率的提高可降低电力变压器的有功损耗和无功损耗。

相间不平衡负载。常规慢充充电方式的采用将会引起配电线路的用电负载分布的变化，对于公共配网变压器的能耗产生一定影响。配电网单相负载所占比重较大，常规慢充会产生一定的三相负载不平衡的状况，对于民用变压器三相负载不平衡有着更为明显的影响。配电变压器由于三相负载不平衡会使其损耗增大。三相负载不平衡度越大，其损耗也就越大。 适当调整使得三相负载接近平衡，可降低变压器损耗，提高变压器的使用效率。

3.3 充电桩能效

启动浪涌。 浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。 由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流将远远大于稳态输入电流。电动汽车充电机用于动力电池充电，其充电功率可达到几千瓦到十几千瓦。电动汽车充电机在接入电源的瞬间，由于输入滤波电容迅速充电，浪涌电流很大，有可能会高达十几安培，浪涌电流的存在一方面会对设备有一定的冲击作用，另一方面也存在不容忽视的能耗问题。

空载损耗。 电动汽车充电机在接通电源后，电动汽车充电机将处于待机状态，电动汽车充电机的充电功率不同，空载损耗也不同。当电动汽车得到大规模的应用后，电动汽车充电机的待机空载损耗将不容忽视。

稳态能耗。电动汽车充电机的工作原理是由整流电路对输入三相交流电进行整流［7］，再经滤波电路后，为高频DC-DC功率变换电路提供直流输入，功率变换电路的输出经过输出滤波电路后，为车用动力蓄电池充电，充电机原理框图如图3所示。

图3 充电机原理框图

交流电在各个电能变换环节存在电能损耗问题，例如三相不控整流二极管的能效，整流桥损耗，高频DC/DC的能效。由此可知，各电能变换环节的电力电子器件的参数选取及工作方式直接决定整台充电机的工作参数、充电功率，工作效率及其功率因数，从而决定电动汽车充电机的运行能效。因此，有必要分析电动汽车充电机正常工作时的电能消耗问题［8-9］。

谐波损耗。市场上使用的电动汽车充电机大多数采用三相不控整流充电机，该类充电机是由工频变压器、三相不控整流和高频变压器隔离DC/DC变换器组成，作为一类电力电子设备，电动汽车充电机在使用过程中将会产生谐波，对电网产生谐波污染，从而引发一系列谐波问题［10-11］。对采用三相桥式不控整流电路的充电机来说，脉动数P=6，交流侧谐波次数主要为 6k±1 次（k=1，2，3，…，n），充电机主要产生5，7，11，13次谐波。电动汽车充电现多采用两段式充电方式：恒流限压和恒压限流充电。谐波电流随充电功率增大而增大，在充电机输出功率的最大值时谐波达到最大值，之后快速减小，并在充电结束时刻达到最小值。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗和电能损耗，使导体发热严重，降低设备利用率和经济效益；增加了输、供电和用电设备的额外附加损耗；同时谐波的存在会大大增加电力变压器的铜损和铁损，降低变压器有效出力，谐波导致的噪声会使变电所的噪声污染指数超标，由于以上损耗增加，会减少变压器的实际带负载能力。

4 结语

对于电动汽车充换电基础设施能效的评估和指标体系，虽然各研究机构和企业做了一些研究试验，但目前我国没有比较科学且统一的标准。通过对电动汽车充放电设施能效研究，制定其能效的评价指标，并深入研究其测试方法，使测试数据能较客观科学，真实地反映电动汽车充放电设施的实际能效水平，为电动汽车管理部门实施电动汽车的节能审查和监管提供技术参考。

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