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虽然电动汽车的里程问题令人担忧,但未来的电力供应需要来自那里呢?目前,电动汽车充电对电网的负荷几乎没有太多的增加。据彭博社BNEF [5] 预测,到2050年,电动汽车所需电力也将仅占全球总需求的9%,与2018年相比,增长了57%。在美国,到2050年,电动汽车的充电能量需求将达到800～900太瓦小时,而总电力消耗量约为30,000太瓦小时。 同样,这里对技术改进也进行了假设。例如,电动车需要把能量从电池转换到车轮,目前的效率仅为59% ～ 62%,因此预期有相当大的改进空间。内燃机汽车燃料中的化学能转化为动力的转换效率仅为17%～21%。迄今引用的电动汽车销售和能源消耗数字仅与轻型车辆(LDV)有关,如果电动卡车成为现实,上述这些数字可能非常保守。与建设充电站和升级公用事业基础设施相关的时间表远远超出了政府行政条款和直接政治范畴,但公用事业提供商无论如何都会确信电动汽车的长期确定性,并将规划有足够的基础能源供应。因此,随着基础设施的不断扩展以适应不断增长的总体市场,从发电的环节看,电动汽车充电的9%份额并不是问题。但是,在配电方面,当您靠近汽车的充电电缆准备充电时,情况就不同了。
图3:高压配电将能够提供电动汽车充电的电力。 满足未来电动汽车充电需求的配电硬件 从历史上看,夜间电力需求较低,随着烤面包机、电淋浴和其他家用电器在早上7点左右开始使用,负荷会快速增大。在傍晚时分,炊具、加热/冷却电器开始最大负荷运行,这种峰值情况再次发生。如果将家用电动汽车充电添加到负荷内,用电模式将发生显著变化,负载会在夜间达到峰值,以便电动汽车能够做好早晨通勤准备。标准家用充电器可能为 3 或 7kW,需要 6 到 12 小时才能充满 EV,而插电式混合动力电动汽车(PHEV)则需要 2 ～ 4 小时,这仅仅与晚上运行一两个高功率加热器类似。但快速充电器的额定功率可达22kW左右,这接近家用电力供应的极限,通常比没有电动汽车的峰值水平要高很多,当然,在24小时内的平均水平也要高得多。随着越来越多家庭采用电动汽车,当地配电网会马上感受到额外压力,将中等水平电压降至家用水平的变压器会大声鸣叫。但高压配电网和发电站不会因此退缩,因为他们也在向工业领域供电,所不同的是工业在不同时间达到峰值。本地供应基础设施可能是第一个瓶颈,也有因地而异的显著差异。例如,城市公寓可能有停车位,但电动汽车供电不会直接来自于最终消费者的电力。这些电力是按照用量计费,但将汇总到更高的公用事业级别,其中负载控制包括了家用和工业用载荷,只要这些负荷在硬件额定值范围内。路边和公共快速充电点也是如此,这些充电点负载更是直接连在高压网络上。 电动汽车充电器具备足够的智能,能够控制充电速率,因此电池在计划的时间内即可准备就绪,拥有所需的电力,但他们却对电源的其他需求一无所知。智能充电器却能够与公用事业公司互动,通过控制临近社区内电动汽车的充电,可以保持总负载在允许边界内。这不仅有助于防止超载,而且对公用事业公司来说也有正面的好处。公用事业公司更喜欢平稳的负荷,这样可以避免电力需求的高峰和低谷,从而无需对发电厂进行昂贵的调整和关闭。在一些地区,公用事业公司通过给与回扣和特别费率,来鼓励在非高峰时段进行智能充电。 除了具备一系列智能特性和互联基础设施外,无论在车辆内部还是充电基础设施中设计大功率充电和电池监控系统都面临一些常见的挑战,其中许多已经为电力系统设计工程师所熟知,而能源效率、散热和电源线调节是三大考虑因素。在频繁发生高功率负载开关的电气环境中,电源可能会经历剧烈的高速dv/dt 瞬态,如果这种高压尖峰得不到充分保护,可能会对连接的设备造成灾难性和永久性损坏。对于所有类型的电动汽车充电基础设施,强烈建议使用如 Bourns Hybrid GMOV 等专业大功率保护设备,它由节省空间的气体放电管和金属氧化物变流器组成,采用单个紧凑、低泄漏和长寿命封装,可提供一种非常可靠的方法来保护任何电路免受过电压瞬态浪涌的影响。
图4:太阳能可以存储在电动汽车电池中。 可再生能源的共赢策略 长期以来,对电动汽车的一个反对意见是它们并不是所谓的环保绿色,因为这些人认为充电所需的电能最终来自于肮脏的煤炭或燃气发电机。随着可再生资源使用量的增加,情况正在发生改变。但没有太阳时不能实现光伏发电,难以预测的风力同样使涡轮机发电并不可靠。理想的解决方案是采用一些储能手段来保障电力供应,但至今没有完美的解决方案。例如,湖泊中的水力发电只适合某些地形。虽然业内有一些很有前途的想法,如在基岩(bedrock,)储存压缩气体,一种可能性是使用电动汽车的组合电池“借”能量回电网作为缓冲,以换取你的账单回扣(见图4)。 将能量返回电网需要双向充电器,这些技术已经具备。如果您知道汽车将闲置一段时间,公用事业公司可能会根据他们的需要利用您的汽车电池进行能量的提取和存储,而不会影响您的使用,因为智能充电器已经过编程,知道您在何时使用汽车,并在此之前将电动汽车电池充满电能,并准备出发。 [1] 国际能源署(IEA)(2019),“全球电动汽车展望2019” ,国际能源署,巴黎 [5] 彭博社BNEF Blog: “全球电力需求到2050年将增长57%”
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