交通運輸新興技術案例集/電動汽車充電

電動汽車充電

本案例集回顧了電動汽車充電。它是喬治·盧、梅拉妮·魏蘭德和埃揚·班特比雅的合作成果，他們是在寫作時就讀於喬治·梅森大學的研究生。它作為作業為喬治·梅森大學由喬納森·吉福德博士教授的新興技術、交通和公共政策研究生課程製作。

簡介

自工業化大規模生產汽車以來，原油一直是城市交通的主要燃料來源。原油在全球範圍內生產，並使運輸成本保持在經濟上可以承受的水平。然而，隨著油價上漲和人們越來越認識到消耗化石燃料的不利環境後果，原油的優勢正在下降。為了解決這些問題，交通系統正在向更加經濟和環保的方向發展。電動交通系統正在成為一種有吸引力且可行的解決方案。

包括全電動汽車 (EV) 和插電式混合動力汽車 (PHEV) 在內的新型輕型插電式電動汽車的銷量從 2020 年的 308,000 輛幾乎翻了一番，達到 2021 年的 608,000 輛。電動汽車銷量佔 2021 年所有插電式電動汽車 (EPV) 銷量的 73%。電動汽車銷量從 2020 年到 2021 年增長了 85%，而插電式混合動力汽車的銷量則翻了一番多，比上一年增長了 138%。考慮到同期輕型汽車整體銷量僅增長了 3%，2020 年至 2021 年插電式電動汽車銷量的快速增長非常顯著。（節能器，2022 年）

聯邦政府對電動汽車的採購以及充電站的數量都在增加。美國政府擁有超過 650,000 輛汽車，每年購買約 50,000 輛汽車。2020 年，聯邦政府新採購的電動汽車不到 1%，2021 年這一比例翻了一番多，而 2022 年各機構採購的電動汽車數量是去年財政年度總量的五倍。拜登在 2021 年 12 月簽署了一項行政命令，指示政府到 2027 年購買幾乎所有電動汽車或插電式混合動力汽車車型。由於充電站的缺乏仍然是阻礙電動汽車更廣泛採用的主要障礙，因此國會批准了在五年內撥款近 50 億美元，用於向各州提供補助金，用於建設數千個電動汽車充電站。2022 年 9 月 14 日。美國政府總統喬·拜登宣佈批准將首批 9 億美元的美國資金用於在 35 個州建設電動汽車充電站，這是 2021 年 11 月批准的一項 1 萬億美元基礎設施法案的一部分。到 2030 年，拜登希望 50% 的所有新車銷量為電動汽車或插電式混合動力汽車車型，以及 500,000 個新的電動汽車充電站。（路透社，2022 年）

儘管 PEV 增長迅速，但仍然存在一些障礙，例如購買成本高、每次充電的續航里程有限、充電時間長以及充電基礎設施缺乏。在這些障礙中，快速充電基礎設施，特別是快速充電基礎設施的欠發達是加速電動汽車滲透的最重要障礙。（張，2018 年）

公共充電基礎設施的盈利

一般來說，公共充電站的利潤可以表示為收入分鐘投資和運營維護 (O&M) 成本。

利潤 = 收入 - 投資 - O & M

收入主要來自向客戶收取的費用。此外，政府還可以提供經濟支援，例如補貼，以促進公共充電站的發展。補貼可以用於公共充電基礎設施的建設和運營。

投資通常包括建設充電站所需的資金以及充電單元的成本。

運營維護成本用於支付日常運營和維護成本，例如電費、場地租金以及場地表面和充電單元的維護等。（張，2018 年）

影響充電基礎設施發展的關鍵因素

充電需求

PEV 的數量是決定充電需求，進而影響盈利能力的最重要因素。總的來說，增加 PEV 的數量將對利潤產生積極影響，因為更多的 PEV 通常會導致更高的充電需求（Schroeder 和 Traber，2012 年）。充電基礎設施的位置也會對充電需求產生重大影響。城市地區的充電需求高於農村地區。（Wirges，2012 年）

充電價格

充電價格和容量是充電基礎設施運營商的兩個主要決策因素。它們與充電需求以及充電基礎設施的成本之間有著錯綜複雜的關係。目前，運營商主要從電價差價以及政府對充電基礎設施的補貼中獲利。充電價格的決定是運營商應該在充電站的利潤和電動汽車使用者的充電需求之間取得平衡的問題。（Schroeder，2010 年）充電價格也會影響 PEV 的費用，進而影響 PEV 的數量。

政府影響

PEV 的數量可能會影響政府對充電基礎設施的政策，因為政府政策應考慮到 PEV 市場的現狀。政府可以頒佈有關充電基礎設施建設和運營的規定和行動計劃，以加速某一地區的投資。（楊，2016 年）

Skerlos 和 Winebrake (2010 年) 回顧了美國電動汽車滲透的公共政策，並建議針對電動汽車的差異化補貼方案可以提高電動汽車的滲透率、充電基礎設施建設以及社會福利。

基礎設施投資和就業法案（IIJA）中的資金

儘管《基礎設施投資和就業法案》（IIJA）中有很多資金機會，但國家電動汽車基礎設施公式計劃（NEVI 公式或 NEVI）在 5 年內向各州提供了 50 億美元的重大資金，用於在全美建立國家充電基礎設施。

資金由聯邦公路管理局 (FHWA) 分配。FHWA 在今年年初發布的初始計劃指導中要求，每個充電站至少包含四個 150 千瓦直流快速充電器，能夠同時為四輛電動汽車充電，可操作性達 97% 的正常執行時間。此外，該指南還指定將充電器放置在替代燃料走廊，並優先考慮沿州際高速公路系統進行投資。此外，該指南禁止將資金用於具有專有充電系統的充電系統。

目前，所有 50 個州都已提交了關於如何部署其分配的 NEVI 資金的初步計劃，FHWA 已於 2022 年 9 月 27 日接受了所有計劃。

充電裝置密度

Wirges 等人 (2012) 指出，充電基礎設施的地理密度會影響充電需求。當充電基礎設施密度較高時，難以保持盈利。在城市地區，過多的充電站會導致充電站利用率不足，無法以經濟的方式運營。在農村地區分散充電站也有助於減輕電動汽車客戶的里程焦慮。

充電裝置的單位建設成本

較低的充電裝置單位建設成本將鼓勵對充電基礎設施進行更多投資。透過減少投資資本支出，投資者可以預期獲得更多回報利潤，或者降低充電價格以吸引更多客戶。

地租和 O&M 成本

充電基礎設施的位置也會影響 O&M 成本，這將進一步影響充電價格。O&M 成本主要由地租決定。在熱門的城市地區，地租要比農村地區高得多。

當前電動汽車充電水平

1 級 - 每小時大約充電 3-5 英里的電動汽車續航里程，每小時提供 1.3 千瓦至 2.4 千瓦的功率。一輛空電池的電動汽車需要超過 24 小時才能在 1 級充電器上充滿電，但對於住宅空間來說，這可能是一個方便的選擇。1 級充電器包含在電動汽車的購買中，並透過交流電 (AC) 供電。

2 級 - 每小時大約充電 18-28 英里的電動汽車續航里程，提供 3 千瓦至 19 千瓦的功率。2 級充電器是商業空間最常見的充電器形式，通常是住宅區的首選。需要到位專用的基礎設施以符合《國家電氣規範》的要求，並且也透過交流電 (AC) 供電。

3 級 - 與 1 級和 2 級充電不同，3 級充電器由直流電 (DC) 供電。直流快速充電，每 30 分鐘充電提供 100 到 200 多英里的續航里程。充電器在每小時 150 千瓦至 350 千瓦之間交替。最大充電速率通常受電動汽車接受速率的限制。由於法規和合規性問題，直流快速充電器僅限於商業或工業場所。它們最常見於高速公路或經常用於長途旅行的場所。

充電標準

SAE J1772

該聯結器是所有 1 級和 2 級電動汽車充電器的汽車工程師學會標準。

CHAdeMO

CHAdeMO 是最早部署的電動汽車充電器形式之一，由日本汽車製造商共同開發。因此，這種充電器形式仍然在日本汽車製造商及其車輛中廣泛使用。

組合充電系統 (CCS)

組合充電系統 (CCS) 在 CHAdeMO 之後推出。與 CHAdeMO 不同，CCS 允許在同一個埠進行交流電和直流電充電。該聯結器是歐洲和美國汽車製造商的首選系統，並迅速成為行業標準。

特斯拉超級充電器

與 CHAdeMO 和 CCS 不同，特斯拉的超級充電器專門與其自己的車輛配合使用。多年來，他們的專有聯結器無法與任何其他系統配合使用。最近，特斯拉表示將向其他電動汽車開放其網路，但這仍然有待確定。然而，儘管其系統獨佔，特斯拉超級充電器仍然得到了廣泛部署，在全球範圍內提供超過 35,000 個充電器。

政府標準

作為《基礎設施投資和就業法案》的一部分，拜登政府釋出了一項擬議規則通知，該通知將要求電動汽車充電站使用新的標準，並透過國家電動汽車基礎設施公式計劃部署電動汽車充電站。該標準要求任何聯邦資金都必須使用組合充電系統 (CCS)，幷包含適用於所有品牌和型號電動汽車的介面卡。

無線充電技術

除了電動汽車與加滿一箱汽油相比充電速度慢之外，還有充電站的可用性問題。即使電動汽車的普及率正在上升，特別是特斯拉擁有自己的全國充電網路，但要讓找到充電站變得像找到加油站一樣容易，還有很多工作要做。一些想法已經提出，例如為車輛提供無線充電的可能性。這個想法提供了在車輛沿著高速公路行駛或停放時無縫充電的可能性。這將同時解決續航里程和充電速度問題，因為車輛可以在前往目的地的路上充電 。該技術確實顯示出一些積極的結果，一些實驗資料表明靜態無線充電效率高達 95%，動態無線充電效率高達 90% 。該技術仍然難以安裝，因為需要在現有道路基礎設施中安裝充電線圈，這可能會非常昂貴。

對電網的影響

電動汽車在電網上的充電數量增加可能會給電網造成壓力。解決此問題的可能方法是鼓勵在電網負載谷期間充電。負載谷填充是一種負載管理形式，它透過增加非高峰負荷來利用剩餘容量。這可以透過電力公司的訊號來啟動，以填補電力負載谷並避免在高峰時段過載電網。充電站的最佳充電時間表可以將收入提高至 132%，並將成本降低 17.4%。然而，這些在現實生活中不太可能被使用，相反，現實生活情況可能更像是動態系統。在動態系統中，充電時間表將在電動汽車插入電網後立即設定。一項動態充電時間表，該時間表在每輛電動汽車插入/拔出電網時更新充電速率，在利潤和成本方面表現優於未更新的動態時間表；變化的動態充電時間表顯示出與最佳靜態充電時間表相似的效益。

替代方案：氫燃料電池

氫燃料電池汽車自 1966 年通用汽車 Electrovan 釋出以來一直在研發中。氫燃料電池汽車正在成為電動汽車的越來越受歡迎的替代品，但僅限於存在加油基礎設施的地區。氫燃料電池汽車還具有在 3-5 分鐘內加滿油的優勢，續航里程約為 278-360 英里，符合消費者對汽油的使用期望。研究表明，使用者已經接受了這項技術，並且願意在提供支援基礎設施的情況下轉用該技術 。