2
电动汽车充电是个复杂的问题
电动汽车充电方面的内容较多，普通的潜在购车者，可能将之与手机充电与电动自行车充电两者联系起来。前者是3.6V锂电池，后者是36V铅酸或锂电池组，与电动汽车内的电池组容量相比，差异较大。所以电动汽车所面临的问题更多，其系统也比较复杂。
由于在公司主要是对充电方面的事务负责，所以从个人的角度来看，中国发展电动汽车，充电问题是根本性的问题，而充电的问题，则是非常难解决的。充电系统，是将电网中交流电能，通过整流和调压变化之后，根据电池系统的实际状态和需求，有序的将电能存储到电池系统里面。
从充电的性质分类，如图1所示可以分为：
图1 充电分类图
1. 交流充电：是可充电新能源汽车最为主要和普遍的方式，几乎所有的电动汽车都会保留这种充电模式。交流充电主要包括，外部充电桩&线束、车端充电插座、车载充电机、充电继电器和充电控制软件。
图2 充电模式
- 供电设施：将交流电从电网安全传递到电动汽车上，根据IEC的定义，课分为三种模式，模式1不带充电控制、模式2带充电控制和模式3的充电桩。
- 充电接口：交流充电插头是在62196-2中定义的，主流的目前为两种一类和二类，国内是自主的标准GB/T30234与之对应。
- 车载充电机：车载充电机将交流转换成直流电，功率范围主要从3.3KW~7.6KW。其基本结构为整流桥、PFC、DC-DC变压模块，根据电池系统的电压等级，车载充电机的输出电压往往较为宽泛。
- 充电继电器：由于充电回路和放电回路一般都是分开的，车载充电机与电池组相连还一般通过电池组内正负极继电器。
- 充电控制软件：充电控制一般是在电池管理系统内完成的，不过由于充电系统这个时候往往需要处理整个车内的电气系统，均衡高压电池和12V电池，往往也和整车控制系统有着直接的关系。
直流充电和无线充电哪个更好？
2. 直流充电：通过外部的充电机，将直流电流直接通过充电接口灌入电池组之内。
直流充电的路径，可以分为两种：
- 如图3所示的i MiEV中简单直接的将直流充电接口同电池系统内配电盒直接对接起来；
- 还有一种方式是通过逆变器的通路，复用原有的大电流放电的路径来作为直流充电使用。
直流充电的控制较为复杂，目前在积极制定基于Combo的交直流一体插座所使用PLC通信方式；国内是基于CAN系统的通信方式。
3. 无线充电：让人感到惊讶的是，在20年以前，通用汽车的EV1采用的是感应式无线充电的方式。无线充电的方式，从原理上来说有无线感应、电磁共振等方法。
- 从长期来看，让用户对车辆插拔操作，将用久了脏兮兮电缆收好，肯定是不现实的，所以无线充电未来大有可为。
- 目前的无线充电系统，是面临现实的问题的，比如部件体积、充电效率、位置对准、充电安全和量产可靠性等。总体来看在电动汽车上应用，无线充电目前是处在前期的阶段，行业的标准都在制定中，这里暂时不详细叙述。
图3 交直流充电系统
电动车充电的标准就这些
由于电动汽车充电系统，存在充电设施和电动汽车匹配的问题，国内外有着大量的标准来定义：
（1）插头：IEC62196系列的三个标准，涵盖传到充电的交直流接口，国内对应的GB20234的标准。
（2）通信：IEC61851-24和ISO、IEC15118，前者主要针对直流充电通信，后者是对整个汽车和电网通信做了系统的定义。
（3）充电拓扑：IEC61851为核心的控制拓扑。
（4）充电安全：这方面的标准，是将充电系统纳入原有的电气安装标准中。
图4 电动汽车充电标准概览
对用户而言，以上的很大一部分都没有意义。怎么样在各种环境下给车充电才是重点。根据充电环境的不同，按照国外的经验：充电按照充电所在的地点本分类，如图4所示可以分为
图5 充电地点分类
电动车虽好，充电设施谁来建？
（1）公共区域充电：公共区域充电，主要包括商业设施如购物、休闲场所所在地的充电；地方电网兴建的充电设施，其主要目的是方便。
- 此类充电，一般是在原有的停车场和停车位的基础上架设的。由于充电速度的原因，其目的是为了用户充电作为一项补充措施。在国外，目前作为一项推广措施，也在慢慢展开。
- 当然，在国内的情况非常特殊。目前绝大多数的充电站，都是公共兴建的，在地图上所看到的充电桩，都是公共充电桩，由国家电网（2013年前建立约10000个）和南方电网兴建。
- 发展公共交流充电设施，主要面临着停车、充电标准、计费和接入要求等等。当然好的方面来看，只要电网和土地方面联动，比如电动汽车充电塔如图6所示之类的设计，在中国也可能兴建世界一流的公共充电设施出来的。
快速直流充电虽然从电网来看，可能有较大的电网负荷冲击等考虑因素，作为对电动汽车使用促进，终究是一项有效的措施。目前国家电网计划在高速公路附件规划直流充电站的网络就是一个可行的尝试。
只要中国两个电网公司，将换电和充电一视同仁，将一部分投资和精力放在交流充电方面，相信未来公共充电的问题是可以解决的。
图6 国家电网的充电塔设计
（2）办公区域充电：此类主要是上班的区域布置充电设施，如果上班过程中可以把电充满，这样即使是电动里程较短的插电式混合动力（PHEV）也可以保证上下班过程中是完全用电在驱动，使用成本小了很多。由于兴建的费用以及电费等原因，想要企业在其员工停车场上兴建充电桩等充电设施，有较大的阻力。
（3）用户家中充电：在家中充电也是首先需要保证的，经过诸多的研究，用户最主要的充电也就是发生在自己家里面。第一是因为用车需要，第二是充电设施许可。在中国的情况是比较特殊，这块确实最为困难的方式，后文将详细分析在中国公寓环境内遇到的一些问题。
办理充电证比一胎准生证还难？
在中国，假定有一辆有着安全和可靠的充电系统的电动汽车，怎么样给它充电。这个问题，难死国内外车厂与充电相关的所有人。限于篇幅，这里仅针对国内城市的私人住宅里面的充电问题。当前中国的管理部门，是做出了一些尝试的，小范围内做出的试行规定是对车主的资质进行定义，对于想要给电动汽车充电需要具备以下的条件才可以试着去申请，当然这个充电桩一般是和车牌进行关联的。
图7 充电设施的政策要求
1. 房产的产权证明：也就是说，只有在小区内拥有房产。
2. 固定的停车位：这代表着必须要有一个固定车位。
3. 新能源汽车拥有证明：这个是非常有趣的事情，插电式新能源汽车购买之前需要确保充电，但是在安装充电桩的时候需要有拥有证明，先有鸡还是先有蛋呢？
4. 物业证明同意施工：这个施工证明，其实很难开，需要分地下车库和地上车位的施工布线图。
5. 业委会同意施工：这个事情和物业证明一样的麻烦。
6. 消防许可：当前的充电设施和消防这边的事情还没完全对接上，由于地下车库是属于人防设施，这条也是省不了的。
满足了以上的要求，还需要和地方的供电局来进行安装的事宜。所以，现在的私人充电是很难的，不光是限制条件很严格，办成这个事情的时间成本也很高的。
算算电动汽车充电成本
我们再来看看给电动汽车充电设施的成本，为了给用户的车位安上，我们需要：
- 充电桩：目前的充电桩，主要是国内的企业在做，里面包括电表、保护电路和控制电路。一般可分为挂壁式和落地式两种。
- 连接线束：在地下车库里面，电气导线从配电出来以后，需要通过线管保护后在天花板上过；如果是地上车位的，是从居民楼的配电盒之内接出，通过线管保护，还需要一定的土建施工才可以。
- 充电线束：连接充电桩和充电汽车，用户需要随车携带。
- 营建费用：完成上述的工作。
在付出了以上的成本以后，单个客户是可以满足充电需求的。事实上，想要满足多数人拥有充电新能源车的梦想，还是很困难的，主要的原因是，我国的配电网的设计是较为保守的。假定在如图7所示的小区地下停车库内为所有的电动汽车设计配电电路，这也是一个较为困难的事情，特别是地下车库也具有人防工事的属性。以参考文献【1】中提供的细致数据，地下车库内电力负荷主要有风机、水泵及消防联动设备等，照明负荷主要有正常照明和应急照明负荷等，所有用电设备均为220/380V低压用电负荷。其中消防水泵、火灾自动报警、自动灭火、排烟设备、火灾应急照明及疏散指示标志等消防用电属一级负荷,地下车库平时的用电负荷为1100KW。
1. 由于消防的要求，本身的停车位都是按照防火区的要求进行间隔的，当某个位置需要将连接线束连接的时候，需要根据法规要求进行设计。
2. 由于本身配电系统不考虑用户在地下车库停电，充电的负荷只能从备用的负荷中取点，在各个配电柜里面连接是有限的。
3. 由于非预装的系统，就面临先后次序干涉的问题，当电动汽车在小区内普及之时，公共区域的设计系统升级是个很复杂的问题。
图8 小区地下停车示意图
电动车自由充电之路其实还很远
由上叙述，由于中国当前的配电系统设计，从电气标准上就没有考虑电动汽车，而且配电系统的更新成本耗费巨大，所以采用固定负荷叠加的办法是行不通的。这点电网是做过一定的研究的，如参考文献【2】中所示的那样，文献中使用的是蒙特卡罗的方法，可能与事实存在较大的差异。
- 在没有受到任何激励的条件下，电动汽车停泊时接入电网即开始充电。用户接入电网的时间主要集中在 8:30 和 19:30 左右，所以这两个时刻的充电负荷急剧增加，负荷曲线出现了尖峰。从理论上来看，小区停车场、小区配电、社区配电以及更往上的系统，受到的负荷是肯定的。鉴于当前小区的建筑遵循的设计要求也不同，这种影响是不确定的。
- 引入峰谷电价，用户均在谷期凌晨 0 点开始充电。在凌晨 0 点时，电网负荷急剧增长，说明电动汽车的集中充电行为给电网造成了较大的冲击，尤其是在谷期时段开始的时候。电力价格机制，对于目前略带昂贵的电动汽车影响是不大的，以后相对于汽车的费用，电费也是个小头。但是我相信这个机制发挥得好，也是有价值的。
- 电网公司能直接控制所有电动汽车的充电行为，则其将根据电网的负荷状况来优化充电时间，此时能得到比较理想的电网负荷曲线。在IEC61851.1一开始，电动汽车充电遵循的PWM控制导引电路，就是为了有效控制电力负荷。中国的电力行业，如果能够积极参与智能充电的研究和投入，积极导引ISO15118整个车网未来通信的主导，电动汽车充电负荷对于电网而言，应该不是那么大的问题。
发展电动汽车，对于充电基础设施是一个机遇更是一个挑战，目前电网也对这块领域向民营资本开发，趋势是较好的，引入更多的资本和资源，希望能带来更好的结果。
参考文献
【1】地下车库电气设计要点 刘宝川
【2】电动汽车充电行为对电网负荷曲线的影响 荆朝霞
与非网原创内容，未经许可，不得转载
《汽车电子瞭望台》之二：在中国买得起电动汽车未必办得下充电证！
《汽车电子瞭望台》之三：箭在弦上，汽车厂商生死存亡命系新能源汽车的开发
