第1章 电动汽车充电设施构成及建设方案设计

1.1 电动汽车种类及充电设施分类

1.1.1 电动汽车种类及运行特点

1.电动汽车种类

按照我国2009年7月1日正式实施的《新能源清册生产企业及产品准入管理规则》，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料，但采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车。

电动汽车是全部或部分由电能驱动电动机作为动力系统的汽车，按照目前技术的发展方向或车辆驱动原理，可划分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等。新能源汽车和电动汽车的分类关系如图1-1所示。

（1）纯电动汽车 纯电动汽车是完全由可充电动力电池（如铅酸动力电池、镍镉动力电池、镍氢动力电池或锂动力电池）提供动力源的汽车，纯电动汽车由底盘、车身、动力电池组、电动机、控制器和辅助设施六部分组成。由于电动机具有良好的牵引特性，因此纯电动汽车的传动系统不需要离合器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。现在纯电动汽车技术的发展已经相当成熟，国外发达国家和我国都有部分车型投入量产和商业化运营。纯电动汽车具有以下优点：

1）减少对石油资源的依赖，实现能源利用的多元化。电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。

2）减少环境污染。纯电动汽车本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其他污染物也显著减少，发电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，烟尘集中排放，清除各种有害排放物较容易，现已有了相关技术。

3）能源转换效率高。纯电动汽车的能源转换效率超过采用汽油机的汽车，特别是在城市运行时，汽车走走停停，行驶速度不高，纯电动汽车更加适宜。同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，发出的电充入动力电池，再由动力电池驱动纯电动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高。

按我国现行电价和油价水平，纯电动汽车的运行费用低于传统汽车，具有较好的经济性。但是目前纯电动汽车还存在着续航里程较短、动力电池价格较高等缺点。

虽然纯电动汽车已有100多年的历史，但一直仅限于在某些特定范围内应用，市场较小。主要原因是用于电动汽车的动力电池普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。目前电动汽车采用的动力电池类型主要有铅酸动力电池、镍氢动力电池和锂动力电池。

根据其实际装车时的循环寿命和市场价格，可估算出纯电动汽车从各种动力电池上每取出1kWh电能所必须付出的费用。假设动力电池最高可充电的荷电状态（SOC）为0.9，放电SOC为0.2，即实际可用的动力电池容量仅占总容量的70%。由电网供电价为0.5元/kWh，动力电池的平均充放电效率为0.75，粗略计算可知，虽然从电网取电仅需0.5元/kWh，但充入动力电池，再从动力电池取出，铅酸动力电池每提供1kWh电能，价格为3.05元左右，其中2.38元为动力电池折旧费，0.67元为电网供电费，而从镍氢动力电池中每提供1kWh电能，费用为9.6元，锂动力电池为10.2元，即后两种先进的动力电池供电成本是铅酸动力电池的3倍多。

目前国内市场上用柴油机发电，价格约为3元/kWh，用汽油机发电，价格约为4元/kWh，即从铅酸动力电池提供电能的价格大致和柴油机发电价格相等，仅从取得能量的成本来考虑，采用铅酸动力电池比汽油机有一定价格优势，但是由于铅酸动力电池太过笨重，充电时间又长，因此只被广泛用于车速小于50km/h的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车、叉车以及电动自行车上，实践证明铅酸动力电池在这一低端产品市场上有较强的竞争力和实用性。

相对铅酸动力电池，镍氢动力电池在能量体积密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。镍氢动力电池虽然具有较高的比能量和比功率、相对寿命较长等优点，但由于镍金属占其成本的60%，从而导致镍氢动力电池价格居高不下。镍氢动力电池并非是电动汽车的理想动力电池，其可能只是一种过渡性的动力电池。目前，镍氢动力电池仍是近期和中期电动汽车使用的首选动力电池，随着锂动力电池的大规模生产和成本的降低，镍氢动力电池终将退出。

锂动力电池技术发展很快，近10年来，其比能量由100Wh/kg增加到180Wh/kg，比功率可达2000W/kg，循环寿命达1000次以上，工作温度范围达-40～55℃。近年来由于磷酸铁锂动力电池的研发有重大突破，又大大提高了锂动力电池的安全性。目前已有许多发达国家将锂动力电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。预计到2020年以后，锂动力电池的性价比有望达到可以和铅酸动力电池竞争的水平，而使其成为未来电动汽车的主要动力电池。

纯电动汽车的技术难度小于插电式混合动力汽车，目前国内即将上市的纯电动汽车的各项性能指标均已经可以满足一般用户的需求，技术也已经基本成熟。在低端市场，纯电动汽车的经济性优势十分明显。充电网络建设滞后影响了纯电动汽车使用的便利性，是目前制约纯电动汽车发展的最主要因素。随着充电网络建设的不断完善，纯电动汽车的发展速度会更快，尤其在低端市场纯电动汽车的份额会显著提高。但由于充电因素的制约，其在高端市场普及难度很大。

（2）混合动力汽车 完全由动力电池驱动的纯电动汽车的性价比长期以来都远远低于传统的内燃机汽车，难以与传统汽车相竞争，自20世纪90年代以来，世界上各大汽车公司都着手开发混合动力汽车，日本丰田公司在1997年率先向市场推出“先驱者”（Prius）混合动力汽车，并在日本、美国和欧洲各国市场上获得较大成功，累计产销量已超过60万辆。随后日本本田、美国福特、通用和欧洲一些大公司也纷纷向市场推出各种类型的混合动力汽车。

普通混合动力汽车是指那些采用常规燃料，同时配有动力电池、电动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。混合动力汽车按照混合度（即电动机功率与发动机功率之比或使用电的比例与使用燃油的比例）的不同，又可以分为微混、轻混、中混和强混等。普通混合动力汽车的优点有：

1）采用混合动力后可按平均需用的功率来确定发动机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。在需要大功率时（发动机功率不足），由动力电池来补充；负荷少时，富余的功率可用于给动力电池充电，发动机可持续工作，动力电池又可以不断得到充电。

2）因为有了动力电池，所以可以十分方便地回收制动、下坡和怠速时的能量，并作为电能再次利用，从而减少能源的浪费。

3）在繁华市区，可关停发动机，由动力电池单独驱动，实现“零排放”。

4）可以十分方便地解决耗能较大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。

缺点是：长距离高速行驶基本不能省油，有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统结构复杂，技术较难，价格较高。

普通混合动力汽车利用发动机的富余功率给动力电池充电，无须外接充电，虽然节能效果明显，但是没有从根本上摆脱交通运输对石油资源的耗用问题。因此，普通混合动力汽车是电动汽车发展过程中一段时期内的一种过渡性技术。

普通混合动力汽车在目前的新能源汽车中，技术最成熟并已被成功实现了商业化，由于不需要充电，因此普通混合动力汽车的使用便利性在新能源汽车中是最好的。目前普通混合动力汽车的综合成本要高于燃油汽车，在经济性方面的明显劣势会严重影响普通混合动力汽车的发展。

近几年发展起来的插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Vehicle，PHV）是一种新型的混合动力汽车。通过外接充电电源为动力电池充电，充电后可用车载动力电池作为电动汽车行驶的驱动力。另外，在动力电池的剩余电量用完后，并不是切换至发动机行驶模式，而是通过发动机带动发电机，利用由此产生的电力为动力电池充电，继续用电动机驱动行驶。插电式混合动力汽车更接近于纯电动汽车，而且它在一定程度上解决了纯电动汽车续航里程短和需要及时充电的问题，即使行驶到没有充电设施的地方，也可以作为一般的混合动力汽车来使用。

插电式混合动力汽车的技术已经比较成熟，但是目前国内只有几家领先企业掌握了插电式混合动力汽车的核心技术，其他大部分汽车生产企业还处于研发阶段。插电式混合动力汽车使用的便利性不如燃油汽车，但优于纯电动汽车，基本达到了消费者可接受的范围。由于国家政策的倾斜，目前插电式混合动力汽车的综合成本已经低于燃油车。在国家补贴政策的强力支持下，近期插电式混合动力汽车很可能成为增长速度最快的新能源汽车。

（3）燃料电池汽车 燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电能，依靠电动机驱动的汽车。燃料电池汽车的工作原理是：作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生电能供给电动机，进而驱动汽车行驶。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池汽车是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机高2～3倍，所以从能源的利用和环境保护方面看，燃料电池技术是内燃机技术的最好替代，燃料电池汽车代表了电动汽车未来的发展方向。

现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段，此外，燃料电池的理想燃料——氢，在制备、供应、储运等方面还有着大量的技术、安全与经济问题有待解决。因此，燃料电池汽车目前和今后一段时间尚不具备商业化的条件。

2.电动汽车特点及运行特点

（1）电动汽车特点

1）存储电能多，充电功率大。一台普通电动轿车的存储电能约为40kWh（度），约相当于普通家庭半个月的用电量。为能够在短时间内将电动汽车的动力电池充满，需要充电机的充电功率足够大，一般车载充电机（慢充）的充电功率为2～3kW，专用直流充电机的充电功率在10～100kW。用20kW的直流充电机为普通电动汽车的车载动力电池充满电需要1～2h。

电动大巴的存储电能为250～300kWh，车载充电机的充电功率为5～20kW，专用直流充电站的充电功率在20～200kW。用40kW的直流充电机为电动大巴的车载动力电池充满电需要4～6h。电动汽车的充电时间越短，对充电站的输出功率要求越大。

目前大多数充电桩都是慢充桩，给一辆电动汽车的车载动力电池充满电需要5～8h。虽然可以利用夜间休息时间充电，但是如果遇到突发情况，那么纯电动汽车充电慢的缺点就凸显无疑。

2）续驶里程较短。目前，电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电池的寿命短，使用成本高，存储能量小，一次充电后续驶里程较短。一般电动汽车最大行驶里程约为300km，考虑到路况、空调、安全系数、动力电池衰减等因素，实际单程运行为150～200km。如果没有充电站支持，则其活动半径不超过75～100km。比起传统燃油汽车，电动汽车的较短续驶里程成为其致命的弱点。

3）受动力电池使用寿命、尺寸和质量的制约。普通动力电池充放电次数仅为300～400次，即使性能良好的动力电池充放电次数也不过700～900次，按每年充放电200次计算，一个动力电池组的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。另外，不同类型的动力电池在性能方面都有各自的优势和不足。例如，铅酸动力电池成本低，原材料丰富且易于回收，但续驶里程短、加速动力差且寿命短。镍镉动力电池加速动力足、寿命较长，但其成本高、可回收性差。钠硫电池的比能量较高，能够提供较长的续驶里程，但它要求的工作环境较苛刻，且其活性物质具有强腐化性并易爆炸。就整体来看，成熟动力电池的寿命都相对较短。

现有电动汽车所使用的动力电池都不能在存储足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量，如果电动汽车自身装备质量大，就会影响加速性能和最大车速的提高。例如，现有电动汽车动力电池的外体积一般要达到550L，当把这么大体积的动力电池用于家庭轿车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间。

4）配套不完善。电动汽车的使用远不如内燃机汽车使用方便，还要加大配套基础设施的建设。随着电动汽车技术的突破，特别是动力电池容量和循环寿命的提高，以及价格的降低，电动汽车的推广使用一定会得到大的发展。在国内充电设施建设和标准化进程滞后的情况下，充电是电动汽车所面临的一大难题。公共场所充电站缺乏，不同车企、充电站生产商和充电服务运营商之间的兼容性差，都严重影响了电动汽车的出行。

5）安全性。电动汽车充电安全涉及整车及动力电池安全、充电连接安全、充电设施本体安全和信息安全，而这都是用户选购电动汽车时首先关注的问题。

（2）不同用途电动汽车的运行特点

1）公交车。公交车用来满足公共交通的需要，由专职司机驾驶、维护，由城市公交公司或企业投资运营，且行驶路线固定，一般在首末站都建有大型停车场，夜间停运。因公交车停运造成的负面影响较大，故要求一次充电至少应满足单程运行里程，紧急情况下应能实现电能的快速补充，公交车可利用停运时段充电。

2）特殊园区用车。特殊园区用车指用于风景名胜、旅游景点、城市水源保护区等服务、观光的车辆，特殊园区用车服务目标明确，车辆相对集中，使用频繁，一次充电难以满足每日运行要求，内部建有集中停车场，特殊园区用车可利用停运时段充电。

3）城市环卫、市区快递送收车辆。城市环卫、市区快递送收车辆是为了满足城市环境卫生、邮件送收要求而运营的车辆，如街道清扫车、垃圾清运车、道路清障车、冲洗车、洒水车、市区快递送收车等，此类车辆的运行线路固定，在所属单位或企业内都有自己的停车场，有停运时段。统计数据表明此类车辆平均每车每日运行距离约为100km，一次充电基本满足单程运行里程，可利用停运时段充电。

4）工程车。市政工程抢险车、建筑运输车等用于满足市政建设、抢险维修等需要，所属单位或企业内有停车场，车辆用于为特定区域提供服务，要求随时待命、随时出动。一次充电基本满足往返运行里程，可利用停运时段充电。

5）政府公务车、企业商务车、其他社会车辆。满足公务、商务出行需要，所属单位或企业内有停车场，一般夜间停运。车辆的行驶线路、里程一般能预估，特殊情况用车时线路和里程多变。一次充电基本满足往返运行里程，可利用停运时段充电，同时应在其相应的出行范围内提供必要的快速补充电能的设施。

6）出租车。出租车运行线路和区域具有不确定性，具有很大的随机性，据统计，目前省会城市出租车每车每日的平均运行里程约为300km。一次充电续驶里程难以满足当日运行要求，且用电量变化大，根据其一次充电后的续驶里程，应在其相应的出行范围内提供必要的充电设施。出租车停运时间短，对充电时间要求高。

7）私家车。满足个人出行需要，线路、里程一般能预先估计，车辆停放在家庭车库或小区停车场。夜间基本停运，可充分利用低谷时段充电。

1.1.2 电动汽车充换电设施分类

1.充电设施分类

（1）充电站 充电站为电动汽车车载动力电池提供安全的充电场所，在充电过程中监控充电设备及被充电的动力电池，以保证电能安全传输给动力电池。即使在正常使用中有疏忽，也不应给周围的人员和环境带来重大危险。

充电站的基本功能包括充电、监控和计量等。充电站内应包括行车道、停车位、充电设备、监控室、供电设施及休息室、卫生间等必要的辅助服务设施。充电站的布置和设计应便于被充电车辆的进入、驶出以及停放。

充电站主要配套服务于电动大巴、电动公交、电动乘用车等大中型公用车型。其对建设场地的要求较高，面积较大，能够同时满足诸多车辆充电使用。多建于公共场合，与现在的汽车加油站类似，是一种“加电”的设施，充电站由变配电系统、直流充电系统、直流充电终端、交流充电终端、电能计费系统、谐波分析治理系统及相应配套设施组成，充电站采取快充、慢充等多种方式为电动汽车补充电能，并能够对变配电设备、充电设备、动力电池进行状态监控。充电站按变配电容量或日可提供充电服务车辆台数分为四级：

1）一级充电站。单路配电容量不小于5000kVA的充电站，一般日可提供200台次以上大中型商用车的充电服务，或可提供500台次以上乘用车的充电服务。

2）二级充电站。单路配电容量不小于3000kVA且小于5000kVA的充电站，一般日可提供100～200台次大中型商用车的充电服务，或可提供200～500台次乘用车的充电服务。

3）三级充电站。单路配电容量不小于1000kVA且小于3000kVA的充电站，一般日可提供40～100台次大中型商用车的充电服务，或可提供100～200台次乘用车的充电服务。

4）四级充电站。单路配电容量小于1000kVA的充电站，一般日可提供40台次以下大中型商用车的充电服务，或可提供100台次以下乘用车的充电服务。

（2）充电桩 充电桩只配备独立充电平台，可广泛建在电动汽车密集度大的商业区、住宅小区和停车场附近，适用于小型内置充电器的车辆使用。独立式小型充电桩的充电电源插口易操作，基于智能手动触摸屏显示方式，操作方便快捷，充电后及时打印消费单据。与加油站不同，充电站全程为自助服务。接好电缆并插入智能卡后，车主可通过交互式界面，从“普通充电”和“快速充电”两种模式中选择充电。

根据电流种类不同，充电桩可分为交流充电桩、直流充电桩、交直流一体充电桩，分别采用相应的充电方式完成对车载动力电池的安全充电。

1）直流电动汽车充电桩。直流电动汽车充电桩就是俗称的“快充”，它是固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车动力电池提供小功率直流电源的供电装置，直流充电桩具有充电机功能，可以实时监视并控制被充电电池状态，同时，直流充电桩可以对充电电量进行计量。

直流充电桩的输入电压采用三相四线AC 380V（1±15%），频率为50Hz，输出为可调直流电，直接为电动汽车的动力电池充电。一般充电功率为10～40kW，充电时间为1～4h。占地面积也不大（1～2m²以下）。由于充电功率不大，一般单位电力可满足使用。由于直流充电桩采用三相四线制供电，所以可以提供足够的功率，输出的电压和电流调整范围大，可以满足快充的要求。

直流充电桩具有无人值守，智能刷卡消费和区域组网管理功能，方便运营部门管理等优点。直流充电桩投资小，占地小，电网较易满足，因而可以大量在停车场、办公楼、购物中心、宾馆、饭店、游览区、有车位街道和小区等设置。

2）交流电动汽车充电桩。交流电动汽车充电桩就是俗称的“慢充”，是固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车车载充电机（即固定安装在电动汽车上的充电机）提供交流电源的供电装置，同时具备计量计费功能。交流充电桩只提供电力输出，没有充电功能，需连接车载充电机为电动汽车充电。相当于只是起了一个交流充电电源的作用。具有占地面积小、布点灵活等特点。

交流充电桩提供单路或双路AC 220V/380V输出接口，供电动汽车使用车载充电机为电动汽车车载动力电池充电。交流充电桩为由箱体、配电单元、电量计量、刷卡消费和智能管理系统组成。交流充电桩的输出功率一般为AC 220V（5kW）/AC 380V（20kW），其真正的充电功率是受车载充电机制约的，一般小型电动汽车的车载充电功率在2～3kW之间。交流充电桩投资小，占地小，电网较易满足，因而可以大量在停车场、办公楼、购物中心、宾馆、饭店、游览区、有车位街道和小区等设置。

鉴于费用较低和充电时间方便的原因，电动汽车将优先选择在夜间充电，由于我国大部分家庭没有自己的专属车库，户外也不允许私拉电线，因而几乎每一辆电动汽车必配一台交流充电桩。

3）交直流一体充电桩。交直流一体充电桩可提供常规充电和快速充电两种充电方式，白天充电业务多的时候，使用直流方式进行快速充电，当夜间充电用户少时可用交流充电进行慢充。交直流一体充电桩既可实现交、直流同时充电，又可实现互锁充电，采用模块化设计，方便维护。

交直流一体充电桩的输入电压采用三相四线AC 380V（1±15%），频率为50Hz，直流输出端口输出可调直流电，直接为电动汽车的动力电池充电。一般充电功率为10～40kW，充电时间为1～4h。交流输出端口输出AC 220V（5kW）/AC 380V（20kW）交流电，为电动汽车车载充电机提供充电电源。

交直流一体充电桩具有无人值守，智能刷卡消费和区域组网管理功能，方便运营部门管理等优点。交直流一体式充电桩投资小，占地小，电网较易满足，因而可以大量在停车场、办公楼、购物中心、宾馆、饭店、游览区、有车位街道、小区等设置。

2.换电站分类

（1）集中充电统一配送模式 集中充电统一配送模式是指通过集中型充电站对大量动力电池集中存储、集中充电、统一配送，并在动力电池配送站内对电动汽车进行动力电池更换服务，这种集动力电池的充电、物流调配以及换电服务于一体的模式，可以省去车主大笔购买动力电池的费用，并且可以解决充电时间过长的问题，但是动力电池重量大，必须使用机械，而且这对车辆制造有限制，必须统一电池标准，并且需要政府大力扶持，对基础设施建设要求较高。相对于采用充换电模式的动力电池更换站，这样的运营模式具有更多的优点：

1）配送站不承担充电功能，没有电网接入的问题，站址选择灵活，以方便用户更换动力电池为主要规划目标。

2）集中型充电站充电功率大，且可集中控制充电功率，有利于制定电网友好的充电方案，在时空随机性方面具有优越性。

集中充电统一配送方式的主要缺点是：

1）充电站所需供电容量很大，一般需依托变电站建设，投资成本很高。

2）需解决动力电池组在集中充电站与配送站之间的物流配送问题。

（2）充换电模式 充换电模式以换电站为载体，同时具备动力电池充电及动力电池更换的功能，站内包括供电系统、充电设施、动力电池更换系统、监控系统、电池检测与维护管理系统等部分。根据作业车间布局的相对位置可分为地面一体式充换电站、地下一体式充换电站以及立体式充换电站等。根据所服务车辆类型的不同，充换电站主要可以分为三类，即综合型换电站、商用车动力电池更换站和乘用车动力电池更换站。

采用充换电模式无须考虑动力电池的物流配送问题，充满电的动力电池可以立即用来满足车辆的换电需求。充换电模式的业务模式主要是通过建设充换电网络为电动汽车用户提供基础设施及能源供给服务。充换电模式的优势是能利用夜间闲暇时间来补充能源，对动力电池的标准和互换性要求低，能够节约能源。充换电模式的主要缺点有：

1）充换电站的建设既要考虑地价因素及交通便利性，又要顾及电网接入的问题，站址选择不够灵活。

2）每座充换电站均需配置充电机、动力电池换电设备等，投资大且需要专业维护，日常运营成本高。

换电站按动力电池储能或日可提供换电服务车辆台数分为四级：

1）一级换电站。动力电池存储能量不小于6800kWh，一般日可提供200台次以上大中型商用车的动力电池更换服务，或可提供500台次以上乘用车的动力电池更换服务。

2）二级换电站。动力电池存储能量不小于3400kWh，且小于6800kWh，一般日可提供100～200台次大中型商用车动力电池更换服务，或可提供200～500台次乘用车的动力电池更换服务。

3）三级换电站。动力电池存储能量不小于1700kWh，且小于3400kWh，一般日可提供40～100台次大中型商用车的动力电池更换服务，或可提供100～200台次乘用车的动力电池更换服务。

4）四级换电站。动力电池存储能量小于1700kWh，一般日可提供40台次以下大中型商用车的动力电池更换服务，或可提供100台次以下乘用车的动力电池更换服务。