分时共享充电电源系统，破解电动汽车充电难题

一、成果简介

充电难是当前电动汽车发展的瓶径。清华大学能源互联网创新研究院利用能源互联网“分时共享”理念，自主研发出了电动汽车分时共享充电电源系统，能够大幅提升配电网管理充电桩的能力，单位台区可安装的充电桩数量数倍增加，既增加了售电，又方便了电动汽车车主。

二、充电桩安装困境

“买车容易充电难！”是很多车主的困惑，也是汽油车替换为电动汽车的巨大阻力。

有记者在走访了一些老小区后发现：配电变压器容量不够的情况十分突出。其中2010年前的小区物业管理大都表示，由于当时的变压器容量设计并没有考虑电动汽车，所以后期加装充电桩变得非常困难。极端情况下，例如，某小区一共有1400多个车位，在安装了3个充电桩后，变电箱就已经不堪负荷了。现在没办法增容，如果再安装增加容量的话变电箱就随时都有可能烧掉。

解决电动汽车充电难，是一个系统工程，涉及到配电整体能力的提升，不是简单安装充电桩就可以解决的。充电桩也不是在地面打几个孔固定，再拉上电线就可以的，实际协调的工作量相当大，主要有四个部门：使用者、车企、电力公司和产权物业。拒绝安装充电桩的理由不外乎以下几条：充电设备可能会引发火灾、漏电等安全事故；小区供电设施容量不够，安装充电桩会影响小区电网正常运转；充电桩可能会影响其他业主车辆出入等。其中最重要的理由是“小区供电设施容量不够，安装充电桩会影响小区电网正常运转”。

居民小区停车场中的普通交流充电桩，几乎都是电动车主独占的，利用率很低。即使是公共停车场所的普通充电桩，认为它是独享的可能更确切，因为车主几乎不可能在车辆中等待充电完毕，然后及时地移出车辆让下一等待中的车辆进入充电。所以，对于充电电源来说，所有的普通充电桩均为独享的。

除了交流电源容量限制，还有三相电流不平衡问题。严重的电流不平衡问题将极大的降低变压器的利用率，因为任意一相电流超限将引发断路器跳闸。如果正在充电的充电桩都集中在某一相上，而正好此相的其他基础负荷此时又最大，则引发断路器跳闸的概率就会很大。

综上所述，共享普通充电桩不易，那么是否能在充电桩的供电电源箱中实现电源共享呢？应用能源互联网思维的分时共享电源正是这一问题的解决方案。

三、分时共享充电电源系统

电动汽车分时共享充电电源及其监控系统设计模型如图2所示，包括分时共享配电柜、配电充电管理终端和充电管理云平台等。基于该系统，可以通过用户APP互动实现智能充电引导、网络计费、付费优先充电等，而且还可以利用谷电充电、碎片时间充电等，实现“车-桩-网”协调调度。

分时共享配电柜是本系统的核心装置。可以实现对充电桩的接入、退出和换相操作，切换时间小于5ms，而且无弧切换，操作寿命长达10万次。同时，分时共享配电柜起到充电桩与配电网通讯中继的作用。

配电充电管理终端检测配电变压器的低压侧三相电流，根据配电变压器功率限值、实时负荷（基础负荷+充电负荷）情况以及上级系统的控制指令，动态控制各普通充电桩的接入（退出、换相）电源。当本地配电负荷大时，切除或少接入充电桩（包括充电进行中的）负荷；当实时负荷小时，多接入充电桩负荷。由于基础负荷大概率是不平衡的，在接入和退出充电桩时，兼顾三相负荷基本平衡。

基于充电管理云平台，可以开发多种功能和业务，比如付费优先充电、谷电时段充电、用户互动APP等。进一步的发掘，车主自有充电桩也可能通过租赁的形式为其他电动汽车提供充电服务，管理机构和桩主分享服务费用。

四、发展前景和商业模式

如果配电变压器产权归属于物业公司。采用分时共享充电电源系统解决普通充电桩扩桩问题较容易，不涉及到电力公司申请扩容。物业公司可以自主响应国家号召，在自家的地盘上安装普通充电桩，或租用小区电动车主的充电桩，为小区内和周边小区的电动汽车提供充电服务，收取合理的服务费用，增加物业收入。

如果配电变压器是公用变压器，产权属于电力公司。电力公司与物业合作，物业提供场地，电力公司提供配电设备。物业收取合理的服务费用，电力公司提供电力，在普通售电的基础上，通过安装更多的充电桩，实现更多售电，提高设备利用率。同时，还可以在一个较大的范围把电动汽车作为可调度的负荷来使用，以智能引导的方式，在电网负荷低谷时为电动汽车充电，在电网负荷高峰时中断充电。

五、经济和社会效益评估

分时共享充电电源的直接效益是可以提高充电场站的车桩管理能力，获利更高的充电服务收益。以一个400kVA的台区来估算可以扩充充电桩的数量。图4是该台区一个典型日简化后的24小时有功功率曲线。设定的功率限值是230kW，如果采用普通的电动汽车配电箱为充电桩供电，由于到峰值时的裕量只有230-200=30KW，只能安装30/3.6=8个充电桩（普通充电）。

图4简化后的台区典型日功率曲线

如果采用分时共享充电电源箱，仅考虑在0-6h充电，就可以扩桩至60个，计算如下：

0-6h该变压器能够提供的富裕电能为（230-50）×6=1080kWh。假设每车需5小时18kWh充满，则可安装的充电桩数量为

1080/18=60（个）

如果0-24h均可充电，该变压器能够提供的富裕电能为3020kWh。假设每车需5小时18kWh充满，则可安装的充电桩数量为

3020/18=167（个）！

按家用车每年跑1万km，每度电行驶7km计算，每辆车一年的充电电量为10000/7=1428（kWh）。从8桩扩至60桩，该台区一年多售电（60-8）×1428=74256kWh。若扩至167桩，则多售电227052kWh。

六、小结

配电容量限制是扩装充电桩的重要因素，老旧小区尤其突出。采用能源互联网理念的分时共享充电电源系统是该问题的可行解决方案，不需要增容就可以大量安装充电桩。我国大力推动电动汽车的快速普及，充电桩电源管理市场前景广阔。清华大学能源互联网创新研究院致力于能源领域新技术与新装备的研究，希望通过成果转让及产业孵化等模式，推动能源领域的创新发展。