交通运输新兴技术案例集/电动汽车充电

电动汽车充电

本案例集回顾了电动汽车充电。它是乔治·卢、梅拉妮·魏兰德和埃扬·班特比雅的合作成果，他们是在写作时就读于乔治·梅森大学的研究生。它作为作业为乔治·梅森大学由乔纳森·吉福德博士教授的新兴技术、交通和公共政策研究生课程制作。

简介

自工业化大规模生产汽车以来，原油一直是城市交通的主要燃料来源。原油在全球范围内生产，并使运输成本保持在经济上可以承受的水平。然而，随着油价上涨和人们越来越认识到消耗化石燃料的不利环境后果，原油的优势正在下降。为了解决这些问题，交通系统正在向更加经济和环保的方向发展。电动交通系统正在成为一种有吸引力且可行的解决方案。

包括全电动汽车 (EV) 和插电式混合动力汽车 (PHEV) 在内的新型轻型插电式电动汽车的销量从 2020 年的 308,000 辆几乎翻了一番，达到 2021 年的 608,000 辆。电动汽车销量占 2021 年所有插电式电动汽车 (EPV) 销量的 73%。电动汽车销量从 2020 年到 2021 年增长了 85%，而插电式混合动力汽车的销量则翻了一番多，比上一年增长了 138%。考虑到同期轻型汽车整体销量仅增长了 3%，2020 年至 2021 年插电式电动汽车销量的快速增长非常显着。（节能器，2022 年）

联邦政府对电动汽车的采购以及充电站的数量都在增加。美国政府拥有超过 650,000 辆汽车，每年购买约 50,000 辆汽车。2020 年，联邦政府新采购的电动汽车不到 1%，2021 年这一比例翻了一番多，而 2022 年各机构采购的电动汽车数量是去年财政年度总量的五倍。拜登在 2021 年 12 月签署了一项行政命令，指示政府到 2027 年购买几乎所有电动汽车或插电式混合动力汽车车型。由于充电站的缺乏仍然是阻碍电动汽车更广泛采用的主要障碍，因此国会批准了在五年内拨款近 50 亿美元，用于向各州提供补助金，用于建设数千个电动汽车充电站。2022 年 9 月 14 日。美国政府总统乔·拜登宣布批准将首批 9 亿美元的美国资金用于在 35 个州建设电动汽车充电站，这是 2021 年 11 月批准的一项 1 万亿美元基础设施法案的一部分。到 2030 年，拜登希望 50% 的所有新车销量为电动汽车或插电式混合动力汽车车型，以及 500,000 个新的电动汽车充电站。（路透社，2022 年）

尽管 PEV 增长迅速，但仍然存在一些障碍，例如购买成本高、每次充电的续航里程有限、充电时间长以及充电基础设施缺乏。在这些障碍中，快速充电基础设施，特别是快速充电基础设施的欠发达是加速电动汽车渗透的最重要障碍。（张，2018 年）

公共充电基础设施的盈利

一般来说，公共充电站的利润可以表示为收入分钟投资和运营维护 (O&M) 成本。

利润 = 收入 - 投资 - O & M

收入主要来自向客户收取的费用。此外，政府还可以提供经济支持，例如补贴，以促进公共充电站的发展。补贴可以用于公共充电基础设施的建设和运营。

投资通常包括建设充电站所需的资金以及充电单元的成本。

运营维护成本用于支付日常运营和维护成本，例如电费、场地租金以及场地表面和充电单元的维护等。（张，2018 年）

影响充电基础设施发展的关键因素

充电需求

PEV 的数量是决定充电需求，进而影响盈利能力的最重要因素。总的来说，增加 PEV 的数量将对利润产生积极影响，因为更多的 PEV 通常会导致更高的充电需求（Schroeder 和 Traber，2012 年）。充电基础设施的位置也会对充电需求产生重大影响。城市地区的充电需求高于农村地区。（Wirges，2012 年）

充电价格

充电价格和容量是充电基础设施运营商的两个主要决策因素。它们与充电需求以及充电基础设施的成本之间有着错综复杂的关系。目前，运营商主要从电价差价以及政府对充电基础设施的补贴中获利。充电价格的决定是运营商应该在充电站的利润和电动汽车用户的充电需求之间取得平衡的问题。（Schroeder，2010 年）充电价格也会影响 PEV 的费用，进而影响 PEV 的数量。

政府影响

PEV 的数量可能会影响政府对充电基础设施的政策，因为政府政策应考虑到 PEV 市场的现状。政府可以颁布有关充电基础设施建设和运营的规定和行动计划，以加速某一地区的投资。（杨，2016 年）

Skerlos 和 Winebrake (2010 年) 回顾了美国电动汽车渗透的公共政策，并建议针对电动汽车的差异化补贴方案可以提高电动汽车的渗透率、充电基础设施建设以及社会福利。

基础设施投资和就业法案（IIJA）中的资金

尽管《基础设施投资和就业法案》（IIJA）中有很多资金机会，但国家电动汽车基础设施公式计划（NEVI 公式或 NEVI）在 5 年内向各州提供了 50 亿美元的重大资金，用于在全美建立国家充电基础设施。

资金由联邦公路管理局 (FHWA) 分配。FHWA 在今年年初发布的初始计划指导中要求，每个充电站至少包含四个 150 千瓦直流快速充电器，能够同时为四辆电动汽车充电，可操作性达 97% 的正常运行时间。此外，该指南还指定将充电器放置在替代燃料走廊，并优先考虑沿州际高速公路系统进行投资。此外，该指南禁止将资金用于具有专有充电系统的充电系统。

目前，所有 50 个州都已提交了关于如何部署其分配的 NEVI 资金的初步计划，FHWA 已于 2022 年 9 月 27 日接受了所有计划。

充电装置密度

Wirges 等人 (2012) 指出，充电基础设施的地理密度会影响充电需求。当充电基础设施密度较高时，难以保持盈利。在城市地区，过多的充电站会导致充电站利用率不足，无法以经济的方式运营。在农村地区分散充电站也有助于减轻电动汽车客户的里程焦虑。

充电装置的单位建设成本

较低的充电装置单位建设成本将鼓励对充电基础设施进行更多投资。通过减少投资资本支出，投资者可以预期获得更多回报利润，或者降低充电价格以吸引更多客户。

地租和 O&M 成本

充电基础设施的位置也会影响 O&M 成本，这将进一步影响充电价格。O&M 成本主要由地租决定。在热门的城市地区，地租要比农村地区高得多。

当前电动汽车充电水平

1 级 - 每小时大约充电 3-5 英里的电动汽车续航里程，每小时提供 1.3 千瓦至 2.4 千瓦的功率。一辆空电池的电动汽车需要超过 24 小时才能在 1 级充电器上充满电，但对于住宅空间来说，这可能是一个方便的选择。1 级充电器包含在电动汽车的购买中，并通过交流电 (AC) 供电。

2 级 - 每小时大约充电 18-28 英里的电动汽车续航里程，提供 3 千瓦至 19 千瓦的功率。2 级充电器是商业空间最常见的充电器形式，通常是住宅区的首选。需要到位专用的基础设施以符合《国家电气规范》的要求，并且也通过交流电 (AC) 供电。

3 级 - 与 1 级和 2 级充电不同，3 级充电器由直流电 (DC) 供电。直流快速充电，每 30 分钟充电提供 100 到 200 多英里的续航里程。充电器在每小时 150 千瓦至 350 千瓦之间交替。最大充电速率通常受电动汽车接受速率的限制。由于法规和合规性问题，直流快速充电器仅限于商业或工业场所。它们最常见于高速公路或经常用于长途旅行的场所。

充电标准

SAE J1772

该连接器是所有 1 级和 2 级电动汽车充电器的汽车工程师学会标准。

CHAdeMO

CHAdeMO 是最早部署的电动汽车充电器形式之一，由日本汽车制造商共同开发。因此，这种充电器形式仍然在日本汽车制造商及其车辆中广泛使用。

组合充电系统 (CCS)

组合充电系统 (CCS) 在 CHAdeMO 之后推出。与 CHAdeMO 不同，CCS 允许在同一个端口进行交流电和直流电充电。该连接器是欧洲和美国汽车制造商的首选系统，并迅速成为行业标准。

特斯拉超级充电器

与 CHAdeMO 和 CCS 不同，特斯拉的超级充电器专门与其自己的车辆配合使用。多年来，他们的专有连接器无法与任何其他系统配合使用。最近，特斯拉表示将向其他电动汽车开放其网络，但这仍然有待确定。然而，尽管其系统独占，特斯拉超级充电器仍然得到了广泛部署，在全球范围内提供超过 35,000 个充电器。

政府标准

作为《基础设施投资和就业法案》的一部分，拜登政府发布了一项拟议规则通知，该通知将要求电动汽车充电站使用新的标准，并通过国家电动汽车基础设施公式计划部署电动汽车充电站。该标准要求任何联邦资金都必须使用组合充电系统 (CCS)，并包含适用于所有品牌和型号电动汽车的适配器。

无线充电技术

除了电动汽车与加满一箱汽油相比充电速度慢之外，还有充电站的可用性问题。即使电动汽车的普及率正在上升，特别是特斯拉拥有自己的全国充电网络，但要让找到充电站变得像找到加油站一样容易，还有很多工作要做。一些想法已经提出，例如为车辆提供无线充电的可能性。这个想法提供了在车辆沿着高速公路行驶或停放时无缝充电的可能性。这将同时解决续航里程和充电速度问题，因为车辆可以在前往目的地的路上充电 。该技术确实显示出一些积极的结果，一些实验数据表明静态无线充电效率高达 95%，动态无线充电效率高达 90% 。该技术仍然难以安装，因为需要在现有道路基础设施中安装充电线圈，这可能会非常昂贵。

对电网的影响

电动汽车在电网上的充电数量增加可能会给电网造成压力。解决此问题的可能方法是鼓励在电网负载谷期间充电。负载谷填充是一种负载管理形式，它通过增加非高峰负荷来利用剩余容量。这可以通过电力公司的信号来启动，以填补电力负载谷并避免在高峰时段过载电网。充电站的最佳充电时间表可以将收入提高至 132%，并将成本降低 17.4%。然而，这些在现实生活中不太可能被使用，相反，现实生活情况可能更像是动态系统。在动态系统中，充电时间表将在电动汽车插入电网后立即设置。一项动态充电时间表，该时间表在每辆电动汽车插入/拔出电网时更新充电速率，在利润和成本方面表现优于未更新的动态时间表；变化的动态充电时间表显示出与最佳静态充电时间表相似的效益。

替代方案：氢燃料电池

氢燃料电池汽车自 1966 年通用汽车 Electrovan 发布以来一直在研发中。氢燃料电池汽车正在成为电动汽车的越来越受欢迎的替代品，但仅限于存在加油基础设施的地区。氢燃料电池汽车还具有在 3-5 分钟内加满油的优势，续航里程约为 278-360 英里，符合消费者对汽油的使用期望。研究表明，用户已经接受了这项技术，并且愿意在提供支持基础设施的情况下转用该技术 。