為電動車建造充電基礎設施

作者 : Mark Patrick,貿澤電子

儘管電動車(EV)市場十分具有吸引力,但也必須經過實際的檢驗,包括其成長軌跡的誤差到底有多大?假設和確定之風險又是什麼?經過深入的研究,一些出於不同來源的市場成長資料顯現出很大差異...

有關電動車(EV)的文章通常從令人印象深刻的市場成長率統計資料開始,並且傾向於討論EV的預期銷售量。來自國際能源總署(IEA)機構資料就是一個例子,IEA發佈資料預測全球電動客用車將從2018年500萬輛增加到2030年約2.5億輛,屆時年銷量約為4,400萬輛。這是一種典型EV30@30場景,即到2030年,所有電動車中的30%(兩輪車除外)將各擁有30%的全球市場佔有率(見圖1),該圖包括混合動力和純電動車的公車和卡車。

因此,電動車市場吸引力依舊很強,但也必須經過實際的檢驗:這種成長軌跡的誤差到底有多大?假設和確定之風險是什麼?經過深入的研究,一些出於不同來源的市場成長資料顯現出很大差異,所引用銷售資料包含有關電動車價格可負擔能力的變化、未來技術的改進、油價、監管奬勵措施以及「數十個」更多的假設。這些預測還高度仰仗中國市場的佔有率,中國在2018年佔全球市場的45%,歐洲為24%,美國為22%。美國能源資訊署(EIA)在《2020年年度能源展望》報告中的另一組數字顯示,到2030年,美國純電動車總銷量將遠遠少於100萬輛,如果按地域劃分市佔率保持不變,則還不到IEA預測的十分之一。該資料預測,到2050年及以後,汽油車仍將佔主導地位。因此,對於這些資料也必須有所保留。

圖1:2018年至2030年全球電動車保有量。(來源:EIA)

影響電動車採用率關鍵因素

電動車目前相對昂貴,因此樂觀預測假設其價格會伴隨銷量和技術改進而逐步降低,但只有當價格下降時,銷量才會增加,這還是回到有雞還是先有蛋的問題。一些製造商承認,為了刺激市場,每售出一輛車都會虧損,但這不是一個好商業模式,並會考驗投資者耐心。政府壓力是另一個驅動因素,需要達到氣候變化目標,也需要控制污染水準,世界各地行政當局已經宣佈了將在特定日期之前達到「禁止內燃機(ICE)」的目標。這種標題給人留下深刻印象,但往往意味著禁止僅使用ICE的車輛,而混合動力車仍懸而未決。汽車製造商也在以同樣方式玩弄文字,他們並不會真的放棄內燃機汽車製造能力和資產,而去承諾100%的電動車。未來有一天如果他們承諾,實際意味著100%全電動或混合動力車。

油價會透過其自身定價變化影響未來電動車使用。儘管近期價格一直相對穩定,但地緣政治以及任何政府補貼都會產生巨大影響。目前原油價格約為54美元,如果像1998年那樣,原油價格每桶再次跌至低於20美元(考量通貨膨脹因素後),那麼消費者可能會再次考量電動車運作成本。目前,電動車每1美元電力約有43英哩的續航力,約為汽油動力車或SUV成本的四分之一。

儘管世界衛生組織(WHO)報告指出,全球有420萬人因空氣污染而過早死亡。如果電動車購買和運作成本高昂,則沒有動力促使人們放棄使用ICE,那麼緩解氣候變化和改善環境的論據可能就會被削弱。

續航力的顧慮

一個提高電動車市佔率的障礙是對於充電的擔憂。最初電動車的續航力只有100英哩上下,使電動車適用於只做短途旅行等特定司機,因為他們必須經常返回充電站為電動車充電。目前情況已經好轉,對於較好的車型來說,續航里程已經能夠達到300英哩上下,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,即便借用另一台路過的Good Samaritan備用電池,如果電動車因電池電量耗盡而拋錨仍無法恢復上路行駛。

相較於加油站,充電站的數量似乎很少而且彼此距離甚遠,但這只是暫時由供需關係決定。在美國,大約有2.7億輛汽車和15萬個加油站,平均每個加油站有8台油泵,每台泵約服務225台汽車。相較之下,全球有大約500萬輛電動車,約410,000個公共充電點,平均每個充電點服務12輛電動車,比率是燃油汽車18倍!如果將辦公室和家庭充電點考量在內,則幾乎可以實現兩者均衡,每輛電動車都有一個充電點。

顯然地,這樣直接相較並不合適。加油站可以在大約十分鐘內重新加滿一個汽油箱,如果需要簡短休息,或者從便利店買一罐蘇打水,大約需要15分鐘。但是,在高速公路服務區的「慢速」充電站為電池充電可能會花費數小時,如果所有充電點都在使用中,而下一個充電站又在數英哩之外,那麼有再多數量可用充電點也無濟於事。

每個人都希望相信電動車有一個美好的未來前景,我們可以預期,未來的基礎設施能夠滿足其中一種發展情況,並希望是正確的一種。但是,由於需求不確定性以及需要考量局部變數,將會出現過於樂觀或者過於悲觀狀況。但可以確定,在未來幾年中,挪威約有60%新車銷售將是電動車,在未來幾年中將比英國部署更多充電站,英國在2019年新電動車註冊率僅僅為1.6%。

電力供應問題

雖然電動車的續航力讓人有所顧慮,但未來電力供應需求來自那裡呢?目前,電動車充電對電網負載幾乎沒有太多增加。據Bloomberg ENF預測,到2050年,電動車所需電力也將僅佔全球總需求9%,與2018年相較增加57%。在美國,到2050年,電動車充電能量需求將達到800~900兆瓦/時(terawatt-hour),而總電力消耗量約為30,000兆瓦/時。

 

圖2:在BAU應用場景,以及成本逐漸下降狀況下,到2050年BAU價格達到只有當下40%時美國電動LDV年度電力需求。(資料來源:Energy Innovation)

同樣地,這裡對技術改進也進行了假設。例如,電動車需要把能量從電池轉換到車輪,當下效率僅為59%~62%,因此預期有相當大改進空間。內燃機汽車燃料化學能轉化為動力效率僅為17%~21%。迄今引用電動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時間表遠遠超出政府行政條款和直接政治範疇,但公用事業提供商無論如何都會相信電動車長期確定性,並將規劃足夠基礎能源供應。因此,隨著基礎設施不斷擴展以適應不斷增長總體市場,從發電環節看,電動車充電9%份額並不是問題。但是,在配電方面,當你靠近汽車充電電纜準備充電時,狀況就很不同。

圖3:高壓配電將能夠提供電動車充電電力。

滿足未來電動車充電需求之配電硬體

從歷史上看,夜間電力需求較低,伴隨烤麵包機、電淋浴和其他家用電器在早上7點左右開始運作,負載會快速增加。在傍晚時分,炊具、加熱/冷卻電器開始最大負載運作,這種峰值情況再次發生。如果將家用電動車充電添加到負載內,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,而插電式混合動力電動車(PHEV)則需要 2~4 小時,這僅僅與晚上運作一兩個高功率加熱器類似。但快速充電器額定功率可達22kW左右,這接近家用電力供應極限,通常比沒有電動車峰值水準要高很多,當然,在24小時內平均水準也要高很多。

伴隨越來越多家庭採用電動車,當地配電網會馬上感受到額外壓力,將中等水準電壓降至家用水準的變壓器會大聲鳴叫。但高壓配電網和發電站不會因此而有所回應,因為他們也在向工業領域供電,所不同之處是工業在不同時間達到峰值。本地供應基礎設施可能是第一個瓶頸,也有因地而異顯著差異。例如,城市公寓可能有停車位,但電動車供電不會直接來自於最終消費者電力。這些電力是按照用量計費,匯總到更高公用事業級別,其中負載控制包括了家用和工業用載荷,只要這些負載在硬體額定值範圍內。路邊和公共快速充電點亦是如此,這些充電點負載更是直接連在高壓網路上。

電動車充電器具備足夠智慧,能夠控制充電速率,因此電池在計畫時間內即可準備就緒,擁有所需電力,但他們卻對電源其他需求一無所知。智慧充電器卻能夠與公用事業公司互動,透過控制臨近社區內電動車充電,可以保持總負載在允許邊界內。這不僅有助於防止超載,而且對公用事業公司來說也有正面好處。公用事業公司更喜歡平穩負載,這樣可以避免電力需求高峰和低谷,從而無需對發電廠進行昂貴調整和關閉。在一些地區,公用事業公司透過給與回扣和特別費率,來鼓勵在非高峰時段進行智慧充電。

除了具備一系列智慧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常見挑戰,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量因素。在頻繁發生高功率負載開關電氣環境中,電源可能會經歷劇烈且高速dv/dt 暫態,如果這種高壓尖峰得不到充分保護,可能會對連接設備造成災難性和永久性損壞。對於所有類型電動車充電基礎設施,強烈建議使用如Bourns Hybrid GMOV等專業大功率保護裝置,它由節省空間的氣體放電管和金屬氧化物變流器組成,採用單個緊湊、低洩漏和長壽命封裝,可提供一種非常可靠方法來保護任何電路免受過電壓暫態突波影響。

可再生能源共贏策略

長期以來,對電動車一個反對意見在於它們並不是所謂環保綠色,因為這些人認為充電所需電能最終來自於骯髒的煤炭或燃氣發電機。伴隨可再生資源使用量增加,情況正在發生改變。但沒有太陽時不能實現光伏發電,難以預測風力同樣使渦輪機發電並不可靠。理想解決方案是採用一些儲能技術來保障電力供應,但至今沒有完美解決方案。例如,湖泊中水力發電只適合某些地形。雖然業界有一些很有前途想法,如在基岩(bedrock)儲存壓縮氣體,一種可能性是使用電動車組合電池「借」能量回電網作為緩衝,以換取帳單回扣(見圖4)。

圖4:太陽能可以儲存在電動車電池中。

將能量返回電網需要雙向充電器,這些技術已經具備。如果你知道汽車將閒置一段時間,公用事業公司可能會根據需要利用你的汽車電池進行能量提取和儲存,而不會影響使用,因為智慧充電器已經過程式設計,知道你在何時使用汽車,並在此之前將電動車電池充滿電能,並準備出發。

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