大多數(shù)人回到家后會很自然地將手機(jī)插上電源給電池快速充電，而且很清楚充電會立即開始，并且很快就會完成。我們認(rèn)為這樣的充電過程是理所當(dāng)然的。作為工程師，我們知道充電過程需要簡單的電池充電電路和外加電源。但遺憾的是，對于電動汽車則并非如此，它們的電力要求給消費(fèi)者和電力公司帶來了挑戰(zhàn)。
當(dāng)消費(fèi)者選擇速度最快的充電模式(交流2級)在三小時(shí)內(nèi)完成充電時(shí)，為電動汽車充電的功率要求可達(dá)6.6 kW(典型值)。交流2級充電模式指定了標(biāo)稱220V和最高80A的電源，這意味著，這3小時(shí)內(nèi)的負(fù)載高達(dá)3.3或6.6 kW。從電力公司的角度看，這是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槊绹骱０兜钠胀彝ピ?4小時(shí)內(nèi)的耗電量約為2-3 kW。如圖1所示，對于每臺在夜間以2級速率充電的電動汽車，在電力公司看來，相當(dāng)于增加了1-3個家庭的負(fù)載量。
從宏觀層面上看，電網(wǎng)上增加1-3個家庭不是問題，其實(shí)就相當(dāng)于建造了幾間新房屋或一個購物中心。但是，電動汽車將作為負(fù)載添加到現(xiàn)有居民區(qū)，這些居民區(qū)的 “最后一英里”基礎(chǔ)設(shè)施(如變壓器和供電線路)是根據(jù)房屋大小制造和安裝的。例如，為同一住宅區(qū)中6到8個家庭供電的“典型”北美變壓器。增加一臺2級充電器通常不是問題，不過會占用一部分計(jì)劃內(nèi)開銷以及安全裕量。如果再有一家居民增加一臺2級充電器，變壓器所面臨的將不僅是30 - 40%的負(fù)載增加，而是壓縮在三小時(shí)時(shí)段內(nèi)的額外6.6-13.2 kW。對于電力公司而言，這顯然是一個大問題，因?yàn)榛诰用駞^(qū)的設(shè)備可能會發(fā)生故障，并因此導(dǎo)致分散的電力中斷，給居民帶來相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
夜間充電往往被認(rèn)為是合理的選擇，但可惜的是，它并不是一個完美的解決方案。誠然，這樣可能有更充足的電力，因?yàn)橐归g電力負(fù)載大大降低，而且較低的溫度使設(shè)備能提供更多電力，然而這并不能保證為一臺充電器提供足夠的電力，更不用說使用多臺充電器。另一個要考慮的事實(shí)是許多電力公司需要靠較輕的夜間負(fù)載使變壓器冷卻，否則將影響散熱。
電力公司會為了安裝2級充電器而被迫研究居民區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施嗎？如果置之不理，后果可能非常嚴(yán)重。公共事業(yè)公司可能面臨對大量設(shè)備進(jìn)行計(jì)劃外升級的局面，而這些設(shè)備在購買時(shí)本來預(yù)期能使用幾十年，更不用說還有移除和安裝設(shè)備的人力成本。
解決這一問題的一個主要方案是協(xié)調(diào)充電。每個充電器將與了解配電基礎(chǔ)設(shè)施和實(shí)時(shí)負(fù)載情況的高級系統(tǒng)進(jìn)行通信。例如，假設(shè)由同一變壓器供電的兩個鄰居相差不到 30分鐘到家，并且開始給電動汽車充電。中央?yún)f(xié)調(diào)器能檢查變壓器(和上游設(shè)備)的當(dāng)前負(fù)載并確定開始時(shí)間和可能的充電級別。如果變壓器負(fù)載在充電過程中發(fā)生變化，協(xié)調(diào)器將發(fā)送更新信息以修改充電級別，甚至啟動需求響應(yīng)/用電限制事件，使充電器延遲工作。
為確保充電器和協(xié)調(diào)器能在公共網(wǎng)絡(luò)上通信，目前正在制定相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵通信路徑在電動汽車和充電器之間以及充電器和電力公司之間。在本文中為便于說明，假設(shè)交流2級充電器在電動汽車外部。
電動汽車和充電器之間的通信非常適合使用電力線載波(PLC) 技術(shù)，因?yàn)榇嬖诜蟂AE J1772定義的固定硬接線連接。PLC系統(tǒng)通過在直流或低頻交流電力線上疊加高頻調(diào)制載波信號來運(yùn)行。然后載波信號在接收端經(jīng)過去耦和解調(diào)，恢復(fù)得到信息。Ariane Controls的總裁Jean-Pierre Fournier說，“PLC技術(shù)面臨著傳統(tǒng)電力線上阻抗變化大、噪聲顯著和信號衰減大的難題。但是，充電器到電動汽車這段連接的阻抗和噪聲源已被人們掌握，并且是固定的，因而可提供十分可靠的PLC連接。”
目前，針對物理層通信的SAE標(biāo)準(zhǔn)有兩項(xiàng)提案正在討論中。一項(xiàng)提案針對J2931/2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了控制導(dǎo)向裝置上的帶內(nèi)信號；另一項(xiàng)提案針對J2931/3標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了插電式電動汽車通過電力線進(jìn)行的電力線通信。消息傳送協(xié)議的定義正在SAE J2847標(biāo)準(zhǔn)中逐步完善。如圖2中所示，這些標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是確保各家制造商的充電器可與不同電力公司通信。
充電器和電力公司之間的通信可通過多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)成熟而可靠，并擁有各自的優(yōu)勢和成本結(jié)構(gòu)。充電器連接到家庭局域網(wǎng)并使用現(xiàn)有Internet連接與電力公司服務(wù)器通信。Wi-Fi 802.11協(xié)議是最常見的解決方案。另一種選擇是使用專利無線網(wǎng)絡(luò)配合額外的硬件，通過該硬件將專利無線連接橋接到Internet網(wǎng)關(guān)/路由器上的硬接線以太網(wǎng)連接。對于已經(jīng)采用無線技術(shù)(如基于ZigBee(r)協(xié)議的無線技術(shù))部署電表的電力公司來說，也可以直接連接到智能電表。充電器還可采用長距離無線技術(shù)(如蜂窩網(wǎng)絡(luò)或WiMax)與電力公司之間進(jìn)行消息的收發(fā)。通信能力和相關(guān)的用戶界面是充電器制造商增加獨(dú)特價(jià)值的主要領(lǐng)域(見圖2)。
電力公司、汽車制造商和充電器制造商正在共同努力實(shí)現(xiàn)插電式電動汽車的快速充電。這已不是什么新鮮事了。早在幾十年前，當(dāng)家庭中開始增加電視機(jī)、中央空調(diào)或計(jì)算機(jī)等新產(chǎn)品時(shí)，該行業(yè)就曾面臨類似的挑戰(zhàn)。隨著標(biāo)準(zhǔn)的起草和生效以及產(chǎn)品逐步進(jìn)入主流，消費(fèi)者將理所當(dāng)然地認(rèn)為對電動汽車充電應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)在對手機(jī)充電一樣簡單而便捷。 |
