光伏储能系统如何帮助电动汽车实现快速充电

 

汽车市场正在发生转变，随着电动汽车 (EV) 采用率的迅速提高，销售预测上调。虽然电动汽车只占整个市场的一小部分，但预计 2025 年电动汽车销量将达到 1000 万辆，到 2050 年，所有销售汽车中 50% 以上将是电动汽车。

大多数车辆在车道上停放过夜时，将通过连接到壁挂式充电盒来缓慢充电。一些车辆将在街道充电点更快地充电，未来的加油站极有可能加配快速充电桩。

由于多个充电点同时运行，当地电网的峰值需求将如此之大，如果不大规模投资输电线路和发电厂来提供满足这一需求的能力，当地电网崩溃可能会变得司空见惯。

 

电动汽车充电现状

当前公共和私人设施中使用的交流充电基础设施提供的电力各不相同。1级交流充电端口的工作电压为 120 伏（最大提供 2 kW 的功率），而2级交流充电端口的工作电压为 240 伏，可提供高达 20 kW 的功率。在这两种情况下，交直流转换都是在车载充电器中完成的，而不是在壁挂式充电盒中（壁挂式充电盒主要执行保护和计量功能）。

由于成本、尺寸和重量限制，车载充电器的额定功率通常低于 20 kW。或者，如果使用直流充电（而不是交流充电），则可以以更高的功率水平进行充电。3级直流充电桩的额定电压为 450 V（提供高达 150 kW 的功率），而最新的超级充电器的额定电压高达 800 V（提供高达 350 kW 的功率）。

出于安全原因，充电插头连接到车辆时的最大电压限制为 1000 V。在直流充电中，电力AC转DC在充电端口中进行，充电端口直接连接到车辆的电池，从而无需车载充电器，从而使车辆更轻且可用空间更大。

 

未来的需求

随着越来越多的电动汽车上路，驾驶员希望能够在更短的时间内为汽车充电。考虑以下充电场景，这可能会在不到十年的时间内成为现实。路边充电站有5个直流充电桩；当五辆车同时停下时，它们会在每个站点上充电。如果每辆车配备的 100 kWh 电池已充电 25%，驾驶员希望在 15 分钟内充满 75%，则需要从电网输送到充电站的总电量为：

5x(75%-25%)x100 kWh/0.25 小时 = 1 MW

为充电站供电的电网需要能够管理这些间歇性的 1 MW 峰值。这对电力输送基础设施有几个影响。需要高效且复杂的有源功率因数校正（PFC）部分来确保电网频率不受影响并保持稳定和高效。将低压充电站连接到高压电网还需要昂贵的变压器。将电力从发电厂输送到充电站的电缆需要采用适当的尺寸，以应对所输送的电流水平。对于配备更高容量电池的车辆，峰值功率要求将会更高。

 

太阳能填补空白

使用太阳能或风能等当地可再生能源产生的电力是一种更简单、更经济的解决方案，无需安装新的输电线路和大型变压器。就其本质而言，这些能源也是间歇性的。不过，如果精心管理，它们可以用来满足电动汽车充电产生的间歇性电网需求。

过去十年，太阳能光伏技术的价格下降了近80%，在减少碳排放的要求的推动下，促进了可再生能源系统的持续增长。如今，太阳能发电占全球发电量的比例不到 5%，但预计到 2050 年将增长到三分之一以上。

太阳能的增长将影响电力的产生和使用方式——需要对发电站进行管理，以确保电网不会过度供电。人们将越来越多地消耗家中安装的住宅太阳能系统的电力。这需要在集中式主电源供应和当地可再生能源发电以及客户的可变需求之间取得仔细的平衡。以我们的充电站为例，该充电站直接连接到由太阳能光伏装置供电、供电能力为 500 kW 的子电网，电网仅需要提供 500 kW 的电力。

 

储能解决方案

使用光伏装置的电力意味着只有在白天太阳最亮的时候才能实现最快的充电速率，这是一个不可持续的提议。

更现实的解决方案可以通过使用储能系统（ESS）来实现，该系统相当于天然气或石油储罐，可用于各种用途（家用和工业）。在家庭应用中，可以很容易地将光伏逆变器连接到储能电池，白天通过太阳能充电，然后可以在夜间为电动汽车充电。

在工业环境中，ESS 设备可用于不同的目的 - 调节光伏发电和其他可再生能源的电力，或为黑启动提供备用支持，从而不再需要柴油发电机。使用ESS也具有经济意义，因为市场对电动汽车更快充电的需求不断增长，并且ESS支持在较长时间内逐步升级或更换现有输电线路。

这些系统的市场预计将从目前的 20 GWh 快速增长到 2050 年的 2,000 GWh 以上。对于充电站来说，ESS 就像一个大型电池，存储太阳能装置（或其他可再生能源）的能量并将其传输到充电桩根据需要，将任何多余的能量输送到电网。应选择适当规模的ESS，以实现峰值电力需求和储能容量之间的最佳平衡（其比例很大程度上取决于当地可用发电量（太阳能、风能或其他）、充电桩的数量以及本地连接的其他负载。

 

随着电动汽车销量的增加，驾驶员期望能够在更短的时间内为车辆充电，这意味着电动汽车快速充电基础设施的需求将快速增长。现有电网的设计无法应对由此产生的间歇性高峰需求。将太阳能光伏装置与储能系统结合使用可能是一种现实且商业上可行的替代电网基础设施的方案，否则需要对电网基础设施进行彻底更新升级，会产生较大的成本。