第２３卷第４期 ２０１０年１２月 聊城大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｃｈｅｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．） Ｖ０Ｌ ２３ Ｎ ０．４
Ｄｅｃ．２０１Ｏ
电动汽车在智能电网环境下的发展与应用 张迎迎 （国家电网北京经济技术研究院，北京１０００５２） 摘 要 在能源紧张和环境恶化的社会背景下，智能电网因其高效率、低能耗得到了越来越多的 重视．电动汽车作为智能电网发展中的一个环节，不仅很好的实现了低碳环保的目标，且与大众 生活密切相关因而受到了广泛关注．本文详细地分析了电动汽车的动力原理及发展要素，包括电 池类型及其特点、充电方式选择以及充电网络的规划、建设、运营．电动汽车作为智能电网中需求 侧管理的有效手段之一和大规模的移动储能设备，对智能电网的安全、稳定、高效起到了良好的 作用． 关键词 智能电网，电动汽车，车载电池，充电网络，储能设备 中图分类号ＴＭ７２ 文献标志码Ａ 文章编号１６７２—６６３４（２０１０）０４—０１０３—０５
环境、能源及智能电网 在过去的两个世纪中，煤炭、石油和天然气等矿物燃料推动了全球工业化的发展，并成为电力工业的 能源支柱．然而，无论是电厂等大工业还是汽车发动机等小的内燃机，其燃烧的矿物燃料，都会释放出二氧 化碳、各种温室气体和各种污染物进入大气，造成环境污染和全球变暖问题． 此外，根据统计，全世界现使用能源约８Ｏ 是煤炭、石油、天然气等不可再生能源 按现有的使用速 度，这些能源将很快被消耗殆尽．随着人口的增长和经济的发展，特别是中国、印度、巴西等人口巨大的发 展中国家的飞速发展，世界潜在的能源需求急剧增加，能源压力日益明显． 再者，矿物燃料不仅污染地球，还使世界经济时刻受到矿物燃料供应价格的冲击，带来能源安全的严 峻考验．能源安全具体表现在经济安全和实物安全两个方面：经济方面，因为石油等能源价格的不稳定给 世界经济带来了不稳定因素；而因石油引发的地缘冲突也给世界和平带来了不和谐音符，甚至有引发战争 的威胁 ． 全球气候变暖和能源危机的严峻现实说明，现有的发展模式不可持续，社会经济必须向高效率、低能 耗、低碳排放的模式转变．在这种社会背景下，智能电网成为近几年来全球电力行业研究和探讨的热点．智 能电网，即为电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技 术、先进的设备、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效 和环境友好的目标［２．５］．智能电网作为电力系统发展的方向，涵盖了从发电到输配电及需求侧中方方面面 的内容，同时需要一次侧、二次侧以及控制与管理新技术的支持． 电动汽车作为零排放的环保节能交通方式，符合智能电网低碳低能耗的要求；而电动汽车接人电网作 为智能用电管理技术的一个部分，对智能电网的发展起到了重要的支持和推动作用．
收稿日期：２０１０—０５—０１ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０９０５０３９） 通讯作者：张迎迎，Ｅ－ｍａｉｌ：ｉｄｋｒｅｎ＠１２６．ｃｏｍ． １０４ 聊城大学学报（自然科学版） 第２３卷 ２电动汽车的电源 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶的车辆．如图１所示． １蓄电池Ｉ—ｌ电流Ｉ—Ｉ电力调节器Ｉ—Ｉ电动机ｆ—ｌ动力传动系统Ｉ—Ｉ驱动汽车行驶ｆ 图１ 电动汽车基本工作流程图 由此图可以看出，电动汽车的行驶是通过电池来提供推动力的，动力电池是电动汽车的核心，因此，车 载动力电池的技术发展是电动汽车发展的基础． 车载电池种类的选择需要在考虑一般电池性能的同时考虑安全性、易维护性和环境因素等等．目前正 在使用和着重发展的电动汽车电池种类主要有化学电池、飞轮电池和燃料电池等［１ ］． 可用于电动车的化学电池现主要有铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、钠氯化镍电池、锌空气电池等不 同类型，他们所采用的材料不同，但工作原理是类似的，主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放 电，即将电能转变为化学能储存，再将化学能转化为电能输出，这也是人类较早应用并且应用最为广泛的 电储能系统． 飞轮电池是一种新型的储能电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能．众所周知，当飞轮 以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能．飞轮电池正是以其动能转换成电能的．高技术型的飞轮用于 储存电能，就很像标准电池．飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动 下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其动能；放电时，电机则 以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换． 燃料电池是一种电化学装置，其主要原理是在一定条件下使燃料（主要是氢气）与氧化剂（空气中的氧 气）发生电化学反应，将化学能直接转化为电能的过程．此过程产生的副产品只有水和热量，没有其他污染 的排放．从外表上看燃料电池有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它更像是一个“发电厂”．燃料 电池具有无污染、能量转换率高、功率密度高、响应速度快、方便存储、噪声低等优点． 飞轮电池、燃料电池等新型储能方式的推广进步为电动汽车的发展提供了广阔的空间，但是在现有的 技术条件基础上，车载电池使用范围最多最广的还是化学电池．下表分析了电动车使用的主流化学电池的 优缺点及在我国电动汽车领域的发展前景． 表１各种化学电池性能分析 类型 铅酸电池 镍氢电池 锂离子电池 原理ｚ ＳＯ４＋２Ｈ２０放电
Ｐｂ＋Ｐｂｏｚ＋Ｈ＋＋２ＨＳＯｉ－… ｚ筹……Ｈ 耄 州翻 蝴 漂移
优点 工艺成熟、便宜、安全性能稳定 功率密度、能量密度较高 高能量密度、无污染、无记忆效应 缺点 能量密度低、体积大 安全性较低、高温特性 昂贵 成本 低 较高 高 寿命 可充４００—８００次 可充５００—１ ０００次 ５００次左右 目前使用最为广泛Ｊ但储能效果限制了未来发展袤 但性能发挥已撇限’国内外重．点研发方向，是较理想的电动车电池
目前各国、各大汽车制造商都在加紧进行电动汽车电池的研发，一直以来，电池的续航里程、充电时 间、使用寿命、价格都是阻碍电动汽车发展的瓶颈，因此无论是化学电池、飞轮电池还是燃料电池，他们都 是朝着高比容量、高比功率、高使用寿命、高安全性能、低成本的方向发展． 电池是电动汽车的动力源泉，大量蓄电池的充电需求使得充电设施的建设成为电动汽车发展的基石．
３ 电动汽车电池的充电需求 电动汽车充电设施的建设发展需要着重考虑三个方面的问题，第一是选择合理的充电方式，第二是充 电网络的规划建设，第三则是充电设施的商业化运营 ］． ， 第４期 张迎迎：电动汽车在智能电网环境下的发展与应用 １Ｏ５ ３．１ 电动汽车的充电方式分析 根据现有技术，充电汽车的充电方式有快充、慢充和机械充三种．快充又称应急充电，是以较大电流为 电动汽车提供短时充电服务，一般充电电流为１５０—４００ Ａ，充电时间为２０ ｍｉｎ至２ ｈ；慢充一般是以较小电 流充电，充电时间通常为５—１０ ｈ；机械充电又叫快换，是指通过直接更换车载电池迅速补充电能，换电池时 间大约需要５—１０ ｍｉｎ．这三种充电方式的特点如下表所示： 表２现有充电方式特点
３．２充电设施的规划和建设 电动汽车的大范围推广，首要条件就是需要具备便捷的充电网络．电动汽车的动力来源于车载电池， 而电池需要经常充电，因此，如果没有布局合理、设施完善的充电网络，会大大降低电动汽车使用的便利 性，制约电动汽车的推广和发展． 充电网络的规划首先要满足城市整体规划和路网规划的要求，然后根据充电需求的分布和各区域电 动汽车交通密度来考虑充电设施的网点分布，此外还需要充分考虑区域输配电网现状． 从一个区域应配备的充电设施数量上分析，在一个限定的区域，比如一个城市中，充电站的数量可以 通过以下方法进行计算：假设此区域中电动车的总数为Ｎ，平均每天有充电需求的车辆为总量的３Ｏ ， 则本区域中充电站的数量应为
Ｎ 一 ， ｊ ４
其中，Ｓ。为每台电动车的平均容量， 为每个充电站充电机的平均数量，Ｐ为单台充电机的平均功率．
从充电设施的类型上分析，电动汽车的充电设施可分为集中充电站和充电桩两种．集中充电站是在固 定地点设置多个充电机（类似于加油站），建设规模大，占地面积大，可同时为多台电动车充电；充电桩占地 面积较小，只提供单相２２０ Ｖ交流电，需要通过车载充电机对电动汽车充电． 充电设施的建设方案应充分考虑电动汽车的类型及其行驶需求．对私家车、出租车等运行线路不固定 的电动车，应在机场、火车站、医院、写字楼、超市、购物中心等公共区域停车场和大型小区停车位中建设充 电桩，采用快充或慢充的方式充电；对于公交车、市政车辆等运行线路比较固定、车辆数量也比较稳定的电 动车类型，可以在现有的停车场建设充、换电站，采用机械充电结合快充的方式来保证车辆的正常行驶． 充电站的建设规模也是充电设施规划必须考虑的问题，根据目前电动汽车充电的数据资料，充电站的 配置多数采用以下规模来考虑： 表３充电站配置规模分析
目前，欧美国家大多已建成了各自的电动汽车充电网络，以充电桩为主；我国还处在试点阶段，首批示 范城市只有１３个，尚未建成真正面对不同用户的充电站服务设施，大多电动车局限于电动公交汽车及内 部集团用车，充电需求比较集中，因此，各试点城市建设的充电设施主要采用在城市中规划大型集中充换 电站辅以布局合理的充电桩构成充电网络，力求能够满足各种不同电动车辆的充电需求．