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目前世界各地在爭相將燃油汽車替換為電動汽車，預計電動汽車的普及率將迅速攀升。與目前部署的充電樁數量相比，預計電動車 (EV) 的迅速采用將會對可用的充電樁數量帶來重大改變。在本文中，我們將研究電動車采用率的增加將對配電基礎設施提出怎樣的要求，以及在規劃電動車充電基礎設施時必須考慮的一些因素。 電動車成長預測 有關電動車的討論通常會從驚人的增長率統計數據以及誘人的預測銷售量談起。據Energy Innovation預測，到2030年全球電動車的數量將達2億5000萬輛左右（圖1），屆時每年銷售量約為4400萬輛。但EV30@30情境預計，到2030年時，所有電動車（兩輪車除外）將占全球新增汽車銷售量的30%。此數據包含油電混合版及純電動版汽車、公交車和卡車。如此看來，大勢已定，但我們終究還是要面對現實：此成長軌跡的誤差線為何？又有哪些假設和已知的風險？這些來自不同出處的成長率數據有部分存在很大的差異。其所引用的銷售數據各自加入了一些假設，也就是電動車購買力、未來技術的提升、油價、法規獎勵，還有數十項其他變動因素。此外還在很大程度上取決于中國的電動車使用增長情況，畢竟中國在2018年的全球新車銷售量占比高達45%，相較之下歐洲為24%，美國為22%。而美國能源信息署 (EIA) 發布的《2020年年度能源展望》中的一項數據顯示，美國2030年的電動車總銷售量將遠低于100萬輛，如果地理位置劃分維持不變，這數量只有國際能源署 (IEA) 預測數量的十分之一不到。另外，據該展望預測，2050年之后燃油車的銷售量仍將占很大比例。具體要相信哪項數據，還是取決于讀者自己的判斷了。 
圖1: 2018到2030年所有電動車全球庫存預測（來源：EIA） 影響電動車采用率的因素 電動車目前的售價仍較為昂貴，樂觀派預計價格將會隨銷售量和技術的提升而調降，但銷售量要提升，前提是要先降低價格，這又變成了是先有雞還是先有蛋的問題。有些制造商承認，為了刺激市場，幾乎每輛車都是虧本出售，這絕非是一種好的商業模式，同時也考驗了投資人的耐心。來自政府的壓力是另一刺激因素，為了達到減緩氣候變遷的目標，控制污染程度，全世界的掌權者都宣布要在特定日期前實現禁售內燃機引擎 (ICE) 車輛的目標。這一目標看似聳動，但這大多是指禁售純ICE車輛，油電混合車則不在禁售名單內。汽車廠商也玩起了文字游戲，他們不顧一切地設法不讓其ICE制造類資產遭到完全“扼殺”，因此所謂的在銷售車款中加入100%的電動車系列，其實是指100%純電動車或油電混合車。 另一個會影響電動車價格的因素，則是油價。油價對未來電動車銷量的增長有很大的影響，截至2020年上半年，原油價格仍呈持續波動的態勢。 盡管世界衛生組織指出全球因空氣污染導致的早死人數多達420萬人，但要是電動車的購買和使用成本無法提供足以替代ICE的激勵因素，關于減緩氣候變遷和改善環境的爭論也可能會逐漸消退。 里程焦慮 充電問題是影響電動車發展的一大障礙。最早的電動車行駛里程大約只有160公里左右，成為了短途出行的利基產品，需要頻繁開到充電站進行“充電”。受技術進步的影響，目前高階車款行駛里程可達到480公里左右，但由于擔心充電樁過于稀少，仍不能消除里程焦慮。眾所周知，一般電動車沒電就會“拋錨”，就算有路過的熱心車主出借備用電池，也無法讓車子起死回生繼續行駛。 相較于加油站，充電樁數量更少，且間距也更遠，但這不過是供需問題；美國約有2億7000萬輛汽車和15萬間加油站，以每間加油站有八支加油槍來算，每支加油槍約分配225輛汽車。相比之下，全球約有500萬輛電動車和約41萬個公共充電樁，每個充電樁約分配到12輛電動車，可用性提高了18倍！如果將辦公室和家庭充電樁算進來，大概每輛電動車可分配到一個充電樁。 然而這種直接比較是不現實的，畢竟汽車加滿油約需要10分鐘，加上稍作休息，再去超商喝個飲料，可能只需要15分鐘的時間。但是，電動車用高速公路休息站的慢速充電樁進行充電，可能需要好幾個小時才能充滿，假如所有充電樁都有人使用，下一個充電站又遠在天邊，這個可用性數據就沒有任何意義了。 我們相信未來終將是電動車的天下，可以預料到基礎設施也會隨之成長，以符合其中一個預期的成長情境，并希望發展的越來越好。而目前的情況是，有些地區可能存在供不應求的情況，有些則是供過于求，另外還需要考慮到需求的不確定性以及各地區的差異性問題。可以確定的是，像新車銷售量約60%為電動車的挪威，他們在未來幾年建置的充電樁數量，勢必會高過2019年新電動車掛牌數百分比只有1.6%的英國。 充電焦慮 除了里程焦慮，我們還應該考慮未來的電力供給問題。目前電動車充電對電網載荷的影響幾乎可以省略不計。據Bloomberg ENF數據顯示，從2018年到2050年電動車用電量將增長57%，但仍只占全球總用電量的9%。到2050年時，美國的電動車用電量將達到800至900兆瓦時，而總用電量約為30,000兆瓦時（圖2）。
圖2: 在BAU情景下以及在成本逐漸下降以在2050年達到BAU值40%的情景下，美國電動車的年度電力需求表（來源：Energy Innovation） 我們假設技術仍會不斷發展，例如，電動車目前將電池電力轉換為車輪動力的效率只有59%至62%，因此仍有改善空間（對于ICE來說，汽油中的化學能轉化為動能的效率只有17%至21%）。至今針對電動車銷量和用電量的數據都只是指輕型車 (LDV)，如果日后電動卡車問世，這些數據就會顯得過于保守了。建造所需的充電站和升級電廠基礎設施的時間表，實非通過政府管理條款和直接的政治手段就能解決的，但電力設備供應商則相信電動車已成為汽車發展的必然趨勢，并規劃了充足的基本能源供應方案。不管怎樣，隨著基礎設施的擴張，對于不斷增長的普通市場來說，占比9%的電動車用電量并不會對發電量造成任何問題。但就配電來說，當靠近充電電纜時，情況就會有所不同（圖3）。
圖3: 高壓配電網可為電動車充電提供所需電力（來源：Bukhta Yurii/shutterstock.com） 符合未來電動車充電需求的配電硬件設施 從記錄來看，電力需求在夜間較低，負載高峰約在早上7點人們展開一天的活動時，另一次高峰期則是在傍晚，當人們回到家，暖氣/烹煮器具全開時。在用電組合中加入電動車充電，用電模式將發生很大的變化，為了讓汽車在隔天早上上班前充滿電，負載高峰會變成夜間。標準的家用充電器功率約為3 kW或7 kW，電動車充滿約需6至12小時，插電式混合動力汽車 (PHEV) 約需2至4小時，跟徹夜開啟一到兩部高功率暖氣差不多。但是，“快速”充電器的額定功率可能高達22kW，幾乎要達到饋入家庭供電功率的上限，對沒有電動車充電的高峰用電量來說普遍偏高，當然就24小時的平均用電量來說也高出許多。當隨著擁有電動車的家庭越來越多，對當地的配電網絡將造成直接的額外壓力，電線桿上的變壓器將中壓降至家用電壓時，也會不斷發出高分貝的滋滋聲作為抗議。而高電壓配電網絡和變電站的處理能力則較佳，因為其是針對工業供電，用電高峰期不同。當地的供電基礎設施可能是第一個瓶頸，例如，城市公寓可能有停車位，但電動車電力供應不會直接來自最終用戶供電系統，是存在重大地區差異的城市公寓可能都有停車空間，但是，電動車無法直接由終端用戶線路供電，會在更高的公用事業電源下進行計量和聚合，對家庭用電和工業用電之間的負載，在硬件額定值內進行平衡。路旁和公用的快速充電樁也是如此，其負載將直接加諸在高電壓網路上。 使用再生能源實現雙贏 對電動車存在已久的一項爭議，就是它并不是這么“環保”，畢竟其充電所需電力最終還是來自煤炭或燃氣發電機。這一問題會隨著再生能源使用率的提高而改變，但也存在著一些缺點，比如，太陽能板在晚上不能靠太陽發電，而風機發電又是一種不可預測的能源。最理想的做法，就是利用一些能源儲存方法來平衡供電量，比如用湖泊進行水力發電儲能，但此法受限于地理因素。雖然也有一些前景看好的創意，例如將壓縮氣體儲存在巖床內，但還有一種更為可行的方法，就是利用電動車內的合并電池組，將能源“輸回”電網作為緩沖，然后提供電費上的回饋作為獎勵（圖4）。
圖4: 電動車可以采用太陽能電池供電（來源：Thinnapob Proongsak/shutterstock.com） 利用雙向充電器這個早已存在的技術，可將電動車儲存的電能饋回電網。如果車子閑置不用，電力公司為了調度會先從電動車電池汲取電力，并隨后再為電池充電，只要車主先在智慧充電器內設定將車充滿電所需的時間，對車主幾乎不會造成任何影響。 結論 隨著電動車采用率的不斷上升，市場也期待基礎設施能跟上其預期成長腳步。但是，電動車充電基礎設施的規劃極其復雜，因為有太多消費者和地方上的變數需要考慮。影響電動車采用率的部分因素包括電動車購買價格、政府的電動車使用獎勵法規、電力供給、再生能源的作用，以及對快速充電站之便利性和可用性的疑慮。有鑒于上述這些因素都可能造成重大影響，對電動車采用率帶來不確定性，因此眾所期待的充電基礎設施究竟能否支撐這些需求，還有待觀察。 文章來源：貿澤電子 作者簡介：Robert Huntley是一位具有HND資格認證的工程師和技術作家。他擁有電信、導航系統和嵌入式應用工程等專業背景，代表貿澤電子撰寫了各種技術和實踐文章。 |
