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摘要:近年来，随着全球环境问题日益突出和能源日益紧张，节能减排已经成为了全社会关注的焦点。电动汽车作为新能源汽车是未来汽车发展的趋势，电动汽车充电站是电动汽车的“加油站”，是发展电动汽车所必须的配套基础设施。本文根据高速公路的行车要求和电动汽车的运行特点，提出了高速公路服务区充换电设施的建设方案。
关键字:电动汽车；高速公路；充换电设施；方案
进入21世纪以来，我国的资源、环境问题日益突出，为实现经济社会可持续发展，国家在“十三五”规划建议中明确提出推进交通运输低碳发展，实行公共交通优先，加强轨道交通建设，鼓励自行车等绿色出行。实施新能源汽车推广计划，提高电动车产业化水平。汽车产业必须摆脱传统石化能源，寻求新的可替代能源。石化能源是不可再生能源，按目前已探明的储量和消耗速度，预计石油在100年左右将面临枯竭。即使有新油气资源的不断发现和开采技术的不断进步，油气资源枯竭的趋势不可逆转。尤其近年来，入冬全国大范围出现雾霾天气，给我国社会民生造成的极大影响，环境保护、节能减排已成为社会发展的共识。机动车尾气排放污染是我国城市空气的主要污染源,尾气排放污染约占到总污染物的79%[1]。各大汽车制造商争相研发新能源汽车，充电和蓄电技术上取得重大突破，纯电动汽车应运而生。纯电动汽车运行中基本上实现“零排放”，可有效缓解城市环境问题。在技术突破和政策扶持的双重刺激下，未来五年内我国纯电动汽车的市场规模和生产规模将迅速扩大，电动汽车将进入快速成长期[2]。随着纯电动汽车使用规模的增大，可以想象，未来高速公路行驶绝大多数汽车是纯电动汽车，高速公路充换电设施是电动汽车重要基础设施，其建设方案是未来高速公路运营的重中之重。
一、电动汽车充电的基本方式
目前常用的电动汽车充电方式有慢充、快充和快换三种[2]：
1.慢充方式。慢充一般以较小交流电流进行充电，充电时间通常为6～10 h，慢充方式一般利用晚间进行充电， 充电时可以采用晚间低谷电价，有利于降低充电成本，但是难以满足使用者紧急或者长距离快速行驶需求。
2.快充方式。快充又称应急充电，以较大直流电流在10~20 min使电池电量达到80%、20min~1h使电池电量达到100%，为电动汽车提供短时充电服务，快充方式可以解决续航里程不足时电能补给问题，但是对电池寿命有影响，因电流较大，对技术、安全性要求也较高。快充的特点是高电压、大电流，充电时间短（约0.5 h）。
3.快换方式。快换则是通过直接更换车载电池的方式补充电能，换电时间与燃油汽车加油时间相近，大约需要3～5min。快换方式最为便捷，但是需要电动汽车和车载电池实现标准化，而且快换过程中需要专业人员进行操作。快换可以在充电站也可在专用电池更换站完成。这种方式的优点是电动车电池不需现场充电，更换电池时间较短，但要求电池的外形、容量等参数完全统一，同时，还要求电动汽车的构造设计能满足更换电池的方便性、快捷性。
根据电动汽车充电方式的不同，电动汽车充电设施可以分为充电桩、充电站、换电站三种类型。充电桩对具有车载充电机的电动乘用车辆提供交流充电电源，具有占地面积较小，布点灵活的特点。充电站由多台充电机、充电桩组成，占地面积较大，采取快充、慢充和换电池等多种方式为电动汽车提供电能，并能够对充电机、动力电池、电池更换设备进行状态监控。换电站为用户提供更换电池和电池维护服务。电池更换站的主要设备是电池拆卸、安装设备，换电站具有操作专业性强、更换电池时间短、占用场地面积比充电站小等特点。
二、高速公路充换电设施计算模型
某高速公路年平均日交通量为50000pcu/h,取高峰小时交通量系数为K=0.12，目前市场上通用的纯电动汽车在快充条件下充电10~20min电量达到80%的续航里程为150~200km，根据高速公路车流量的通行要求和电动车运行特点进行高速公路服务区充换电建设方案计算分析，对目前平均间距为50km高速公路服务区、停车区进行升级改造。
取长度为150km高速公路进行分析，则该段高速公路有3个服务区，假设每小时有1/3的车辆（即2000pcu/h）在其中一个服务区进行充电或者换电池。
1.快充方案
每辆车充电20min，每台充电桩每小时可以充3辆车，则该服务区充电桩建设规模为：
每台充电桩的占地面积为15m2，则充电站整个占地面积为：
单纯充电站建设面积就相当于目前高速公路服务区建设面积，加上目前高速公路服务区停车和生活设施的面积，原有高速公路服务区无法就地升级改造。
2.快充与快换方案结合
每小时有2000pcu/h在某一个服务区进行更换电池续航，则每分钟有34辆车需要更换电池，更换完电池向前行驶。更换下来的电池立即进行充电，20分钟后充电达到80%，可以作为下一辆车的能源补给。充电、换电循环往复进行，为纯电动汽车提供源源不断的能源。该服务区至少需要预备的电池数量为：
充电桩的数量与预备的电池数量相等，则充电桩的数量为667个，单纯给电池充电每台充电桩的占地面积仅为0.5m2，则整个充电站的占地面积为：
对现有高速公路服务区加油站改造为快充与快换方案结合的充换电站，占地面积完全可以满足建设要求。
3.两种方案比较
快充方案充电站建设面积大，若高速公路服务区周围受到限制则没有升级改造空间。每辆车至少在服务区停20min进行电量补充，还不包括因服务区充电设施数量限制等待的时间，对于高速公路这种追求速度与快捷的通行方式而言，这种快充方式严重限制了高速快捷通行的特点。快充与快换相结合的充电站建设占地面积小，每辆车更换电池的时间大约是3min，与目前车辆的加油时间相当，满足了高速公路快速的通行要求。这种充电站建设方案储备的电池数量大，所需充电桩的数量与快充方案相当，初期建设投资较大，但这是未来纯电动汽车高速公路上行驶快捷通行的内在要求。综上，建议在纯电动汽车时代高速公路服务区充电站以快充和快换相结合的方案进行建设。
三、结论
本文根据电动汽车的运行特点和高速公路的行车要求，以及目前纯电动汽车充电方式，即慢充方式、快充方式和快换方式，对某高速公路进行快充方案、快充和快换方案进行计算对比分析，依据分析结果提出了纯电动汽车时代高速公路服务区充电站以快充和快换相结合的方案进行建设。
参考文献:
[1] 刘群峰．电动汽车充换电服务网络规划研究[D]．华北电力大学，2013．
[2] 鲁莽，周小兵，张维．国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J]．华中电力，2010(05)：16-20．
论文作者:丁平
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/12/7
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