摘要：世界各地都在競相用電動汽車取代化石燃料汽車，我們可以看到在超市停車場、博物館和許多其他公共場所的充電站如雨后春筍般涌現。預計電動汽車采用率將以每年32%的速度快速增長，雖然目前道路上只有1%左右的電動汽車，但預計到2050年，電動汽車將占所有輕型汽車銷售的65%左右。與目前部署的充電站數量相比，未來充電站的數目需要大幅度提高。目前，在一個典型的500車位停車場中，或許只能找到  5 個充電樁，只有可用停車位的1%。另一個考慮因素是在繁忙時段可能形成的長等待隊列，因為即使是快速充電器，完全充滿車輛電池電量也需要一定時間。快速、高電流充電站的日益普及，也突顯出對當地電網基礎設施的巨大需求，以提供足夠數量的充電站。雖然電動卡車的采用還處于起步階段，但這也將給充電設施帶來更大壓力。

在本白皮書中，我們將分析電動汽車采用率的提升如何對建有充電站（如公共停車場、辦公室或家中等）的配電基礎設施提出新的要求。

一般的電動汽車文章通常以令人印象深刻的增長率統計數據開始，而且人們很容易談論起預期的電動汽車銷量。能源創新（Energy Innovation）組織^[1]的數字就是其中一個例子，該機構預測，到2050年，市場上銷售的新輕型汽車中，將有65%～75%會是電動汽車，2012～2016年間平均增長率為32%，僅在2017年6月為止就已經增長了45%（見圖1）。通過更深入分析，一些出自不同來源的增長數據也顯示了巨大差異。在未來30年中，70%（+/-5%）的銷售數字增長有其內在的假設：其中包括關于電動汽車價格的變化、未來的技術改進、油價、政府機構的激勵和其他"幾十個"更多要素。Energy Innovation的另一個數字來自能源信息管理局（EIA）2107年年度能源展望（Energy Information Administration (EIA) Annual Energy Outlook 2107）"無清潔能源（No Clean Power）"案例，在2025年市場占有率達到約5%之后，幾乎不會再有增長。因而，需要自己作出選擇。

圖1 美國電動汽車市場份額的三種預測：能源創新能源政策仿真（EPS）1.3.1正常業務（BAU）案例，EIA 2017年度能源展望"無清潔能源"案例，以及彭博新能源金融（BNEF）2017年電動汽車展望案例（資料來源：Energy Innovation）

影響電動汽車市場主要因素

電動汽車目前相對昂貴，因此樂觀的預測往往會假設價格會隨著銷量和技術改進而下降，但只有當價格下降時，銷量才會增加，這還是雞和蛋哪個先有的問題。一些制造商承認，為了刺激市場，每售出一輛車都會虧損，但這不是一個好的商業模式，并會考驗投資者的耐心。政府壓力是另一個驅動因素，需要達到氣候變化的目標，也需要控制污染水平，世界各地的政府機構已經宣布了在特定日期之前"禁止內燃機（ICE）"的目標。這種標題給人留下深刻印象，但往往意味著禁止只使用ICE的車輛，而混合動力車則無期限限制。汽車制造商也在以同樣方式玩弄文字，他們不會放棄內燃機汽車的制造能力和資產，而去承諾生產100%的電動汽車。未來有一天如果他們承諾，實際意味著100%全電動和混合動力汽車。

油價也會在一定程度影響未來電動汽車的采用程度。雖然當下物價相對穩定，但地緣政治對于油價影響巨大，任何政府補貼也都有影響。例如，在美國，石油的補貼高達每年40億美元^[2]。如果原油價格從目前每桶54美元左右再次降至低于20美元（通貨膨脹調整后），消費者可能會重新考慮電動汽車的運行成本。目前，電動汽車每1美元電費大約可行駛43英里，大約是燃油汽車或SUV成本的四分之一。

如果電動汽車的購買和使用成本不能鼓勵人們放棄之前的內燃機汽車，即使每年有20萬美國人由于大氣污染而死于肺部疾病，緩解氣候變化和改善環境等理由可能也不會奏效^[3]。

續航里程憂慮

提高電動汽車市場份額的一個障礙是人們對于充電的擔憂。起初的電動汽車里程數只有100英里左右，這使電動汽車只適用于做短途旅行的特定類型司機，需要經常返回充電站為電動汽車充電。當下情況已經好轉，對于較好車型來說，續航里程已經達到300英里左右，但焦慮依然存在，主要是認為充電站依然很少。這當然是一個現實情況，即便借用另一臺路過的Good Samaritan備用電池，一個因電池電量耗盡而擱淺的電動汽車也不能恢復上路行駛。

與傳統加油站相比，充電站的確很少，而且彼此之間距離較遠，但這只是由供求關系決定。在美國，大約有2.7億輛汽車^[4]和15萬個加油站，一個加油站假設有8個加油泵，每個泵服務大約225輛汽車。相比之下，大約 794,000 輛電動汽車擁有約 48,500 個公共充電樁，每個充電樁服務16臺電動汽車，充電樁的服務載荷是傳統加油泵的14分之一！如果將辦公室和家庭充電點考慮在內，則接近每臺電動汽車擁有一個充電點。

顯然，我們不能這樣直接比較，一個油箱可以在大約10分鐘內重新加滿，加上適當的放松休息和從便利店購買一些飲料，也許需要15分鐘。但是，在高速公路服務站，從"慢速"充電站充電可能需要幾個小時，因此，如果所有充電點都在使用中，而下一個充電站距離數英里遠，即便有更多的充電樁也沒有多大幫助。

由于每個人都相信電動汽車的美好未來，我們可以期望未來要構建的基礎設施會匹配其中一種采納率預測方案，希望其中之一是正確的。不過，由于需求還有一些不確定性，以及可能會發生一些局部變化，或許會有欠缺或者過沖。可以肯定的是，加州在未來幾年內安裝的充電樁數量將比北達科他州多，目前，北達科他州電動汽車的銷量比加州少40倍左右^[5]。

電力供應焦慮

雖然續航里程問題值得認真考慮，但電力供應也應該需要關注，至少在未來更應該這樣。目前，電動汽車充電對電網的負荷幾乎沒有影響，但到2050年，如果預計75%的電動汽車每天都需要充電，電力需求可能高達美國電力總消耗量的15%，即900TWh（見圖2）。

圖2 在BAU場景下，假定成本逐漸下降，到2050年達到BAU價格只有現在的40%，美國電動LDV的年度電力需求，（資料來源：Energy Innovation）

同樣，這里對技術改進也進行了假設。例如，電動汽車需要把能量從電池傳輸到車輪，目前的效率僅為 59% 到 62%，因此預期有相當的改進空間。內燃機汽車燃料中的化學能轉化為動力的轉換效率僅為17%到21%。迄今引用的電動汽車銷售和能源消耗數字僅與輕型車輛（LDV）有關，如果電動卡車成為現實，上述這些數字可能非常保守。與建設充電站和升級公用事業基礎設施相關的時限遠遠超出了政府行政條款和直接政治范疇，但公用事業提供商無論如何都會確信電動汽車的長期確定性，并將規劃有足夠的基礎能源供應。無論如何，隨著電動汽車總體市場的增長和基礎設施的完善，電動汽車充電的額外15%載荷在發電層面并不是問題。然而，在配電層面，隨著您愈加接近汽車充電電纜，情況就大有不同。

圖3 高壓配電將具有 EV 充電能力

滿足未來電動汽車充電需求的配電硬件

從歷史上看，夜間電力需求較低，隨著烤面包機、電淋浴和其他家用電器在早上7點左右開始使用，負荷會快速增大。在傍晚時分，炊具、加熱/冷卻電器等開始最大負荷運行，這種峰值情況再次發生。如果將家用電動汽車充電添加到負荷內，用電模式將發生顯著變化，負載會在夜間達到峰值，以便電動汽車能夠做好早晨通勤準備。標準家用充電器可能為 3 或 7kW，需要 6 到 12 小時才能充滿 EV，而PHEV 需要 2 到 4 小時，這僅僅與晚上運行一兩個高功率加熱器類似。但快速充電器的額定功率可達22kW左右，這接近家用電力供應的極限，通常比沒有EV的峰值水平要高，當然，在24小時內的平均水平也要高得多。隨著越來越多家庭采用電動汽車，當地配電網會馬上感受到額外壓力，將中等水平電壓降至家用水平的變壓器會大聲鳴叫。但高壓配電網和發電站不會因此退縮，因為這些也在向工業領域供電，所不同的是工業在不同時間達到峰值。本地電力供應基礎設施可能是第一個瓶頸，也有因地而異的顯著差異。例如，城市公寓可能有停車位，但 EV 供電不會直接來自于最終消費者的電力。這些電力是按照用量計費，但會是匯總到更高的公用事業級別，其中負載控制包括了家用和工業用載荷，只要其在硬件額定值范圍內。路邊和公共快速充電點也是如此，這些充電點負載更直接連在高壓網絡上。

電動汽車充電器具備足夠智能，能夠控制充電速率，因此電池在計劃的時間內即可準備就緒，擁有所需要的電力，但他們卻對電源的其他需求一無所知。智能充電器有機會與公用事業公司交互，能夠控制臨近社區內電動汽車的充電，以保持總負載在允許大小內。這不僅有助于防止超載，而且對公用事業公司來說也具有一個正面的好處。公用事業公司更喜歡平穩的負荷，這樣可以避免電力需求的高峰和低谷，從而無需對發電廠進行昂貴的調整和關閉。在一些地區，公用事業公司通過給與回扣和特別費率鼓勵用戶在非高峰時段進行智能充電^[6]。

除了具備一系列智能特性和互聯基礎設施外，無論在車輛內部還是充電基礎設施中設計大功率充電和電池監控系統都面臨一些挑戰，其中許多已經為電力系統設計工程師所熟知，而能源效率、散熱和電源線調節是三大考慮因素。在頻繁發生高功率負載開關的電氣環境中，電源可能會經歷劇烈的高速dv/dt 瞬態，如果這種高壓尖峰得不到充分保護，可能會對連接的設備造成災難性和永久性損壞。對于所有類型的電動汽車充電基礎設施，強烈建議使用專業大功率保護設備，如 Bourns Hybrid GMOV。它由節省空間的氣體放電管和金屬氧化物變流器組成，采用單一緊湊型、低泄漏和長壽命封裝，可提供一種非常可靠的方法來保護所有電路免受過電壓瞬態浪涌的影響。

可再生資源雙贏策略

長期以來，對電動汽車的一個反對意見是它們并不是所謂的綠色，這些觀點認為充電所需的電能最終來自于高排放的煤炭或燃氣發電機。隨著可再生資源使用量增加，這種狀況正在發生改變。沒有太陽時不能實現光伏發電，難以預測的風力同樣使渦輪機發電并不可靠。理想的解決方案是采用一些儲能手段來保障電力供應能力，但至今沒有完美的解決方案。例如，利用湖泊中的水力發電只適合某些地點。雖然業內有一些很有前途的想法，例如使用存儲在基巖（bedrock）中的壓縮油氣，另一種可能性是使用電動汽車的電池組“借給”電網能量以作為緩沖，并可換取賬單回扣（圖4）。

圖4 太陽能可以儲存在電動汽車電池中

將能量返回電網需要雙向充電器，這些技術已經具備。如果您知道汽車將閑置一段時間，公用事業公司可能會根據需要利用您的電池組進行能量提取和存儲，而不會影響您的使用，因為智能充電器已經過編程，知道您何時需要使用汽車，并在此之前將電動汽車電池充滿電。

參考資料：

[1] 能源創新，舊金山

[2] 美國財政部公開文件

[3] 麻省理工學院新聞研究：空氣污染每年導致美國20萬人過早死亡。

[4] Statista

[5] 汽車聯盟高級技術汽車銷售匯總（Dashboard）

[6] Pluginamerica州聯邦激勵