摘要

電動汽車（EV）將獲得越來越多的市場份額，最終取代內燃機汽車。直流快速充電站將取代或整合加油站。太陽能、風能等可再生能源將為它們提供動力。人們將希望能在不到15分鐘的時間內為電動汽車充滿電，他們不愿排隊等候唯一的充電樁。

考慮到有多個充電樁，電網需要提供的局部充電峰值功率超過1MW。電網可能在多個點上崩潰，或者需要投入巨額資金，改善輸電線路和集中式發電廠，大幅提高基本負荷。但是，這種負荷是脈沖性的，必須與太陽能、風能等可再生能源產生的間歇性能量整合起來。

儲能系統可以簡單而優雅地解決這個問題。我們使用汽油、天然氣等燃料來存儲能量，并在需要時（如在為汽車加油時）再次利用。同理，我們可以利用電子和化學方法將電能存儲在電池中。然后，可以利用此能量增加電動汽車充電量，通過調節功率峰值，保持電網穩定，或是在停電的情況下提供電源。

汽車市場已開始發生轉變。2020年將售出近300萬輛電動汽車，汽車總銷量超過8000萬輛。盡管300萬輛看起來屬于小眾市場，但預測顯示，電動汽車的銷量將迅猛增長，2025年達到1000萬 輛，2040年將超過5000萬輛，屆時的汽車總銷量為1億輛。這意味著，到2040年，售出的車輛中有50％是全電動汽車。對所有這些汽車來說，在家里時，要使用簡單的壁掛式充電樁，如果是裝有太陽能發電系統和儲能電池的家庭，則使用幾千瓦的直流充電器，通宵慢速充電；上街時，則通過充電樁快速充電，或者在未來的加油站超快地充電。

我們看到，在電動汽車市場快速崛起的同時，可再生能源發電市場（最近經歷了太陽能光伏（PV）系統蓬勃發展的幾年）仍保持著良好的增長勢頭，這與過去10年太陽能系統價格下降約80％和 強有力的脫碳舉措是分不開的。今天，太陽能僅占全球發電量的5％以下，到2050年預計將占全球發電量的三分之一（33％）以上。

在未來用電負荷呈現間歇性特點的背景下，要充電的電動汽車 以及太陽能、風能等間歇性能源將面臨一些挑戰，比如如何以電網為中心，將能源生態系統里的這些新興參與者整合起來。電動汽車等間歇性負荷需求要求提高輸電線路規格，滿足更高功率峰值需求。

太陽能發電將改變集中式發電廠的運作方式，確保電網不過載；人們將會要求更便捷的供電方式，他們家里的自用電將越來越多地由住宅太陽能發電系統提供。

為了使所有實體順利合作并從可再生能源和零排放電動汽車受益，儲能系統必須參與其中，確保我們可以存儲和重用需求低時產生的電能（例如，晚上使用中午產生的太陽能），利用多余的能量來平衡電網負荷。

儲能系統（ESS）相當于電能領域的油罐或煤炭倉庫，可以用于住宅和工業規模的多種應用當中。在住宅應用中，很容易將光伏逆變器接入蓄電池，在家存儲和使用能量，或者用太陽白天產 生的能量在晚上為汽車充電。在工業或公用事業規模的應用（如并網服務）中，儲能系統可用于不同目的：從調節光伏和風能到能源套利，從后備支持到黑啟動（消除柴油發電機），最重要的是從總成本角度考慮，可以延緩投資。在后一種情況下，可以利用儲能系統滿足電網節點峰值負荷需求，確保無需付出高昂成本、升級現有輸電線路。另一個相關應用案例是離網設施，此時，儲能系統使微電網或島嶼電能能自給自足。

圖1． 可再生能源、儲能系統和電動汽車充電基礎設施的整合

考慮到所有可能應用，儲能系統市場2045年之前將突破1000 GW發電量／2000 GWh產能的閾值，相比今天的10 GW發電量／20 GWh產能，可謂迅猛增長。

本文將重點討論面向電動汽車充電基礎設施的儲能系統。

私人和公用交流充電基礎設施雖然簡單，但功率有限。1級交流充電器的工作電壓為120 V，最大輸出功率為2 kW。2級交流充電器的工作電壓和最大輸出功率分別可達240 V和20 kW。在兩種情況下，車載充電器都要求將交流電轉換為直流電。壁掛式交流充電樁與其說是充電器，不如說是計量和保護裝置。由于成本、尺寸和重量的限制，汽車車載充電器的額定功率始終低于20 kW。

另一方面，直流充電允許以更高的功率對電動汽車充電：3級充電器的最高額定直流電壓和額定功率分別為450 V和150 kW，最新的超級充電器（相當于4級）則可超過800 V和350 kW。出于安全原因，在輸出接頭插入車輛時，電壓上限設為1000V直流。使用直流充電器時，能量轉換是在充電樁中進行的，直流功率輸出將充電樁與汽車電池直接連接起來。這就消除了車載充電器的必要性，同時還有減少占用空間、減輕重量的諸多好處。然而，在此過渡階段，電動汽車充電基礎設施仍然高度分散，且因國家／地區而異，電動汽車大都會使用一臺11kW的小型車載充電器，使用戶能在需要時通過交流電源插座充電。

提升充電功率需要增加工作電壓，確保電流保持在電纜尺寸和成本的合理范圍內，這意味著必須正確設計安裝充電站的微電網或子電網并確定其規格。

我們不妨設想一款未來（2030年）的充電站，其中的燃料由電子組成，用稱為輸電線路的管道提供燃料，并通過變壓器接入中壓（MV）電網。目前，燃料存儲在地下的巨大油罐中，定期通過 油罐車運到加油站。雖然始終通過電網提供新燃料（電子）似乎是一種簡單的解決方案，沒什么問題，但我們可以看到，如果我們想讓駕駛員能夠在不到15分鐘的時間里為電動汽車充滿電，那么這種簡單的方法是無法持續的。

充電站有五個直流充電樁，每個充電樁最大可以輸出500 kW的峰值功率。在最糟糕的情況下，五個充電樁同時為完全耗盡的電池充電，充電站必須考慮這一點。為了簡化計算，我們現在假 設功率變換級和電池充電路徑中的損耗為零。在本文的后面，我們將看到即使整個電源鏈中的功率損耗很小，正常的設計也會被影響。

我們假設有五臺電動汽車，每臺均配備75 kWh的電池（當今上市的全電動汽車配備的電池容量為30 kWh至120 kWh），需要從10％的電量（SOC）充電至80％：

這意味著需要在15分鐘內將262．5 kWh的電能從電網轉移到電動汽車上：

電網必須連續15分鐘向這些電動汽車提供略多于1 MW的電能。鋰電池的充電過程要求恒定電流、恒定電壓充電曲線，使電池充滿80％所需功率大于充滿最后20％所需功率。在我們的示例中， 假設以最大功率充至80％即停止充電。

充電站所在的電網（最好為子電網）必須間歇性地維持大于1MW的峰值。必須實施非常高效、高度復雜的有功功率因數校正（PFC）級，確保電網保持高效，不影響頻率，也不造成不穩定。這也意味著必須安裝非常昂貴的變壓器，將低壓充電站接入中壓電網，確保將電能從電廠輸送到充電站的輸電線路在規格上能滿足峰值功率需求。如果在充電站充電既有汽車，也有卡車和公交車，則所需功率會更高。

最簡單、最經濟的解決方案是使用太陽能、風能等可再生能源在當地生產的電能，而不是安裝新的輸電線路和大型變壓器。這樣用戶就可以直連有多余電能的充電站，而不是完全依靠電網。實際上，可以在充電站或連接充電站的子電網附近安裝100 kW至500 kW的太陽能光伏（PV）電站。

雖然光伏電源可以提供500 kW的電能，將對電網的功率需求降至500kW，但光伏電源具有間歇性的特點，并非總是存在。這就給電網帶來了不穩定問題，使電動汽車駕駛員只能在陽光明媚時以最快的速度為車充電。這并非用戶所需，也是不可持續的。