一、成果簡介

充電難是當前電動汽車發(fā)展的瓶徑。清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院利用能源互聯(lián)網(wǎng)“分時共享”理念，自主研發(fā)出了電動汽車分時共享充電電源系統(tǒng)，能夠大幅提升配電網(wǎng)管理充電樁的能力，單位臺區(qū)可安裝的充電樁數(shù)量數(shù)倍增加，既增加了售電，又方便了電動汽車車主。

二、充電樁安裝困境

“買車容易充電難！”是很多車主的困惑，也是汽油車替換為電動汽車的巨大阻力。

有記者在走訪了一些老小區(qū)后發(fā)現(xiàn)：配電變壓器容量不夠的情況十分突出。其中2010年前的小區(qū)物業(yè)管理大都表示，由于當時的變壓器容量設計并沒有考慮電動汽車，所以后期加裝充電樁變得非常困難。極端情況下，例如，某小區(qū)一共有1400多個車位，在安裝了3個充電樁后，變電箱就已經(jīng)不堪負荷了?，F(xiàn)在沒辦法增容，如果再安裝增加容量的話變電箱就隨時都有可能燒掉。

解決電動汽車充電難，是一個系統(tǒng)工程，涉及到配電整體能力的提升，不是簡單安裝充電樁就可以解決的。充電樁也不是在地面打幾個孔固定，再拉上電線就可以的，實際協(xié)調(diào)的工作量相當大，主要有四個部門：使用者、車企、電力公司和產(chǎn)權物業(yè)。拒絕安裝充電樁的理由不外乎以下幾條：充電設備可能會引發(fā)火災、漏電等安全事故；小區(qū)供電設施容量不夠，安裝充電樁會影響小區(qū)電網(wǎng)正常運轉(zhuǎn)；充電樁可能會影響其他業(yè)主車輛出入等。其中最重要的理由是“小區(qū)供電設施容量不夠，安裝充電樁會影響小區(qū)電網(wǎng)正常運轉(zhuǎn)”。

居民小區(qū)停車場中的普通交流充電樁，幾乎都是電動車主獨占的，利用率很低。即使是公共停車場所的普通充電樁，認為它是獨享的可能更確切，因為車主幾乎不可能在車輛中等待充電完畢，然后及時地移出車輛讓下一等待中的車輛進入充電。所以，對于充電電源來說，所有的普通充電樁均為獨享的。

除了交流電源容量限制，還有三相電流不平衡問題。嚴重的電流不平衡問題將極大的降低變壓器的利用率，因為任意一相電流超限將引發(fā)斷路器跳閘。如果正在充電的充電樁都集中在某一相上，而正好此相的其他基礎負荷此時又最大，則引發(fā)斷路器跳閘的概率就會很大。

綜上所述，共享普通充電樁不易，那么是否能在充電樁的供電電源箱中實現(xiàn)電源共享呢？應用能源互聯(lián)網(wǎng)思維的分時共享電源正是這一問題的解決方案。

三、分時共享充電電源系統(tǒng)

電動汽車分時共享充電電源及其監(jiān)控系統(tǒng)設計模型如圖2所示，包括分時共享配電柜、配電充電管理終端和充電管理云平臺等。基于該系統(tǒng)，可以通過用戶APP互動實現(xiàn)智能充電引導、網(wǎng)絡計費、付費優(yōu)先充電等，而且還可以利用谷電充電、碎片時間充電等，實現(xiàn)“車-樁-網(wǎng)”協(xié)調(diào)調(diào)度。

分時共享配電柜是本系統(tǒng)的核心裝置?？梢詫崿F(xiàn)對充電樁的接入、退出和換相操作，切換時間小于5ms，而且無弧切換，操作壽命長達10萬次。同時，分時共享配電柜起到充電樁與配電網(wǎng)通訊中繼的作用。

配電充電管理終端檢測配電變壓器的低壓側(cè)三相電流，根據(jù)配電變壓器功率限值、實時負荷（基礎負荷+充電負荷）情況以及上級系統(tǒng)的控制指令，動態(tài)控制各普通充電樁的接入（退出、換相）電源。當本地配電負荷大時，切除或少接入充電樁（包括充電進行中的）負荷；當實時負荷小時，多接入充電樁負荷。由于基礎負荷大概率是不平衡的，在接入和退出充電樁時，兼顧三相負荷基本平衡。

基于充電管理云平臺，可以開發(fā)多種功能和業(yè)務，比如付費優(yōu)先充電、谷電時段充電、用戶互動APP等。進一步的發(fā)掘，車主自有充電樁也可能通過租賃的形式為其他電動汽車提供充電服務，管理機構(gòu)和樁主分享服務費用。

四、發(fā)展前景和商業(yè)模式

如果配電變壓器產(chǎn)權歸屬于物業(yè)公司。采用分時共享充電電源系統(tǒng)解決普通充電樁擴樁問題較容易，不涉及到電力公司申請擴容。物業(yè)公司可以自主響應國家號召，在自家的地盤上安裝普通充電樁，或租用小區(qū)電動車主的充電樁，為小區(qū)內(nèi)和周邊小區(qū)的電動汽車提供充電服務，收取合理的服務費用，增加物業(yè)收入。

如果配電變壓器是公用變壓器，產(chǎn)權屬于電力公司。電力公司與物業(yè)合作，物業(yè)提供場地，電力公司提供配電設備。物業(yè)收取合理的服務費用，電力公司提供電力，在普通售電的基礎上，通過安裝更多的充電樁，實現(xiàn)更多售電，提高設備利用率。同時，還可以在一個較大的范圍把電動汽車作為可調(diào)度的負荷來使用，以智能引導的方式，在電網(wǎng)負荷低谷時為電動汽車充電，在電網(wǎng)負荷高峰時中斷充電。

五、經(jīng)濟和社會效益評估

分時共享充電電源的直接效益是可以提高充電場站的車樁管理能力，獲利更高的充電服務收益。以一個400kVA的臺區(qū)來估算可以擴充充電樁的數(shù)量。圖4是該臺區(qū)一個典型日簡化后的24小時有功功率曲線。設定的功率限值是230kW，如果采用普通的電動汽車配電箱為充電樁供電，由于到峰值時的裕量只有230-200=30KW，只能安裝30/3.6=8個充電樁（普通充電）。

圖4簡化后的臺區(qū)典型日功率曲線

如果采用分時共享充電電源箱，僅考慮在0-6h充電，就可以擴樁至60個，計算如下：

0-6h該變壓器能夠提供的富裕電能為（230-50）×6=1080kWh。假設每車需5小時18kWh充滿，則可安裝的充電樁數(shù)量為

1080/18=60（個）

如果0-24h均可充電，該變壓器能夠提供的富裕電能為3020kWh。假設每車需5小時18kWh充滿，則可安裝的充電樁數(shù)量為

3020/18=167（個）！

按家用車每年跑1萬km，每度電行駛7km計算，每輛車一年的充電電量為10000/7=1428（kWh）。從8樁擴至60樁，該臺區(qū)一年多售電（60-8）×1428=74256kWh。若擴至167樁，則多售電227052kWh。

六、小結(jié)

配電容量限制是擴裝充電樁的重要因素，老舊小區(qū)尤其突出。采用能源互聯(lián)網(wǎng)理念的分時共享充電電源系統(tǒng)是該問題的可行解決方案，不需要增容就可以大量安裝充電樁。我國大力推動電動汽車的快速普及，充電樁電源管理市場前景廣闊。清華大學能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院致力于能源領域新技術與新裝備的研究，希望通過成果轉(zhuǎn)讓及產(chǎn)業(yè)孵化等模式，推動能源領域的創(chuàng)新發(fā)展。