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2018-05-31 10:26:24

 

人们出于对充电难题的担忧,而不愿意购买电动车。但是在公共基础设施方面,快充充电站目前还没有普及应用或者盈利。这篇文章给出了关于这个难题的应对方案。

 

虽然电动车目前已经拥有可观的关注度,但是仍很少看到有电动车行驶在美国的公路上。尽管在2017年上半年,美国只卖出了不到800,000辆纯电动车(BEV),大约占乘用车总数的1%,但是随着消费者接受度的提升、技术的进步和法规的支持,电动车销量的增长后劲很强。麦肯锡预计,到2030年,美国会有1000-1100万辆纯电动车上路。

为了实现这个目标,充电基础设施必须要改善。虽然许多纯电动车能在家充电,但对于正在旅行、或者没有私人车库的车主,公共充电设施是必要的。现在,美国只有大约16,000个公共充电站,加油站的数量是这个数目的7倍。而公共充电站中,只有不到2,000个是快充充电站,这是因为快充充电站建站成本昂贵,并且由于目前交易量太少而无利可图。

这是个典型的先有鸡还是先有蛋的格局。人们由于担心充电续航问题而不愿意购买纯电动车;但是没有卖出更多的纯电动车,就不会建造为此服务的充电基础设施。

这是个典型的先有鸡还是先有蛋的格局。人们由于担心充电续航问题而不愿意购买纯电动车;但是没有卖出更多的纯电动车,就不会建造为此服务的充电基础设施。

个问题,种解决方案

首先,是便利性。现在的大多数公共充电站是2级的(Level 2),这意味着它们每小时可传输7-9千瓦时(kWh)的能量(可将kWh等同于汽油的加仑)。一辆装载60kWh电池的纯电动汽车在常规(这里的常规指相对于快充)的二级充电站需要5-10小时才充满。稀少的充电站数量和过长的充电时间劝退了有购买意向的消费者们。(见图1)

图1:不同的充电站充满60kWh电动车的时间


 

其次,是经济性问题。尽管150kW的直流快充(DCFC)充电站大约30分钟就能充满一辆纯电动轿车,但需要花费$150,000建造成本,而一个50kW的直流充电站只需要$50,000。千瓦数是每小时能抽取的最大能量数,一个更高千瓦数的设备能更快地提供电能,同时也更加昂贵。

 

费用高昂的原因之一是高峰电费(“demand charge”,见下文“什么是高峰电费”)所有的用电客户按千瓦时付费,就像按加仑来付水费。非住宅用户,包括充电站,也按每月任意一个15-30min中的最大用电量来付费。以千瓦(kW)作为功率测量单位,这部分电费就像按上限付费。这是为了补偿发电厂、电力线路、变压器等将客户连接到电网并在高需求时供电的固定成本。需求费用占消费者电费的很大一部分,并使电动充电站无利可图(见图2)。

图2:充电站的月度电费账单组成情况

假设充电站有4个50kW的充电桩;每个能以50kW充电20min,耗电大约17kWh;遵循一下经济性计算原则:每月固定的运营成本为$140,电量电费$0.10/kWh,高峰电费$35/kW.

什么是高峰电费(demand charge)?

高峰电费是基于以千瓦(kW)为计量单位的,每月计费期间任意15-30分钟内最高耗电率决定需求电费的大小。高峰电费与按实际消耗能量(按千瓦时测量kWh)支付的一般电费是分离的。

下面比较一小时耗电3.5kWh空调的两种不同情况

情况A:2小时开了10台空调,所以总共消耗70kWh电能(10x2x3.5)。最高耗电功率是35kW。

情况B: 20台空调工作1小时。共消耗电能70kWh(20x1x3.5),与情况A相同,但是最高耗能速度却是情况A的2倍。

尽管情况A和情况B消耗了相同电量,情况B每小时需要2倍的能量,所以产生了更高的高峰电费。


在BEV充电的特定情况下,一旦车辆插入,车站所有者就必须支付高峰电费。这部分费用取决于很多因素,包括站内充电桩的数量。汽车充电时的最大功率,以及在任意15-30min内同时充电的车辆数目。

这里有一个假设情况。一个直流充电站有4个150千瓦的充电桩。一般情况下,一个月内每天有两三辆车来充电,但是没有一次同时来充电。每辆车以150千瓦的速率充电至少15分钟,那么这个月的峰值功率是150千瓦。如果两辆车同时在15min内同时充电,可能出现300千瓦的峰值功率,这将导致这个月的高峰电费翻倍。

高峰电费从2美元每千瓦到90美元每千瓦不等。矛盾的是,这笔费用在纯电动车盛行的州更加昂贵,例如加利福尼亚州、马萨诸塞州和纽约州。在高电费的州,如果没有车同时充电,每月的高峰电费大约在3000-4500美元。对于电动车主,则需要在实际电量费用的基础上多付30-50美元。消费者们不会想出那笔钱,显然,如果充电站能有更多的顾客,均摊后,个人的花销将会降低。但是因为目前的费用太高,投资者建站进度缓慢,而没有足够多的充电站,消费者将暂缓购买纯电动汽车。

 

有一个方法可以解决这个难题:使用站内固定蓄电池组(stationary battery storage)(图表3)。站内固定电池(On-site batteries)可以通过一个大逆变器连接电网来充放直流电。蓄电池可以在电费较低的时段充电,在对功率需求较高时放电(一种被称为调峰的做法)。当有车来充电时,蓄电池能不通过电网以150千瓦的速率为其充电。如果两辆车一起来充电,其中一个可以通过蓄电池充电,而另一个则通过电网充电。在这两种情况下,充电站的经济性都有所提高,因为电量电费和峰值费用都显著下降了。

 

站内固定蓄电池可以平滑负载,并且在没有充电车辆时通过电网充电。

图3:充电站一天中不同时刻的负载对照

假设:充电站有4个50kW的直流充电桩;上午4点到下午6点间有11辆车来充电;至少有一个时刻是2辆车同时在充电的;峰值电费为$30/kW;电池存储系统容量是150kWh,最大放电速率为75kW。

此外,根据麦肯锡的调查,电池的成本在降低,从2010年的$1,000/kWh降到2016年的$230/kWh。系统其余部分的费用也在降低,例如逆变器、保持器、软件和控制系统、站点设计及建造、电网连接系统等。

 

下面介绍站内蓄电池是如何有效降低成本的。充电站站主安装了一套能以150kW速度充放电的电池系统和容量为300kWh的电池组来保存电能。当没有车辆充电时,电池系统充电来保证随时有电能可用,并且这一过程不会导致更高的峰值电费。当有一辆车进站充电时,站内的固定电池能不通过电网为它充电。当有两辆车进站时,固定电池能为一辆车充电,而电网能为另一辆车提供电能。

一个容量为300kWh的电池能通过管理两辆车充电时的峰值功率来保证峰值功率在150千瓦以下。系统通过这种方式使峰值电费最少,每月可以省下$3,000,不用转嫁到消费者身上,真正地节省了用户的成本。特斯拉已经宣称会采用这套方案,其他品牌也许会跟随。

当上路的电动车达到一定数量,固定蓄电池就不再能有效的减小峰值电费了,因为当车辆排队充电时,没有足够的时间让固定蓄电池充电了。但是此时数量的经济效应会显现,峰值电费会被大量进站充电的车辆均摊。

但这并不意味着站内固定蓄电池方案过时了,这些电池仍有其价值。在峰谷时电费差异悬殊的州,例如加利福尼亚州,站内蓄电池可以减少单位电量的电费成本;也可以通过提供额外的电网服务,例如频率调节和需求响应来产生收入。

 

电动车的未来相当乐观,对此也有着充分的理由——对环境问题与日俱增的担忧、波动的油价和成本的下降。麦肯锡估计,目前仅占1%的电动车,其占比会在2013年上涨到20%(乘用车)和12%(商用车)。

 

但是这些都是假设的场景,实际上,消费者决定着电动车的未来。习惯了传统车辆的便利,他们希望电动车也能一样方便。为此,能更便宜和快捷的充电是必须的。通过帮助削减运营费用、增加收入和提高可靠度,电池存储在这场变革中起着至关重要的作用。

小结

面对电动车和充电基础设施谁先形成规模效应的困境,站内固定蓄电池方案利用能量存储,通过两方面的错峰来减少充电成本。

  • 利用峰谷时电费的差异,错峰充电以减少一般电费。

  • 通过蓄电池和电网同时充电,减少高峰电费。

特斯拉已宣布将采取固定蓄电池方案;待纯电动车与充电站数量形成一定规模后,固定蓄电池依旧在需求响应等方面有一定的用武之地。

校对:苏阳

审核:张文杰