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電動車自宅充電能有普及的一天?
從電網與充電技術看市場現況
[作者 丘燕]   2023年04月20日 星期四 瀏覽人次: [4806]

拜登總統提出在2030年美國出售新車中,有半數需為零碳排,並且要打造全國範圍的電動車(EV)充電網絡,使得電池技術與全國電動車充電網變成運輸界熱門話題。而根據調查,有購車需求的人在決定是否換購電動車的考量主要還是兩點:「充電不方便」和「里程焦慮」,因此雖然電動車商提出保養維修成本降低、燃油開銷減低等行銷口號,但「可不可以自宅充電」才是購車者真正關心的問題。


然而對許多住在大樓住戶而言,要在自有停車格裝設慢充,需先經過管委會評估同意,以確保用電安全與避免因跳電造成使用限制,甚至公共安全的危險。在這條件下,為降低民眾充電不方便,政府規劃並設置全國性或區域性的公共充電樁(electric vehicle supply equipment;EVSE),似為加速電動車普及的先決條件。


廣設公共充電樁成當紅國家政策

因此為兌現拜登開出的電動車支票,美國聯邦政府將投入80億美元在全美建立電動車充電網絡(chargers network),並在去年准第一批9億美元的資金,將用於35州設置公共充電樁。


至於台灣,國內的電動車市場正逐年快速成長,為推動公共充電樁設置普及化,經濟部規劃「公共充電樁建置」計畫目標第一階段「示範推廣期」,將讓全台公共充電樁數量於2025年時,可上看7,800個,設置地點主要為公有停車場與路邊停車格,以及經濟部國營事業如加油站等,由政府帶頭並協力地方政府在重要節點設置公共充電樁,並獎勵民間業者投入合作加速建造。


此外在2019年公告施行修正「建築技術規則建築設計施工編」,許多新建案已在地下室停車空間,預留供電動車充電的設備及空間,讓住戶可依需求申請裝設充電樁使用,以減緩「里程憂慮」之購買考量因素。


但整體而言,為滿足電動車的電力需求將日益增加,尤其快充樁有高電壓和高電能需求,若大量的車輛同時使用快充樁,對於電力配電網路將會造成高負荷,而瞬間電力可能不足負荷,導致跳電或其他事故。隨著全國充電樁網路之布設,除了公共充電樁外,未來還會有更多民營業者及私人設置的充電樁,在推動電動車市場普及的同時,應同時考量電網穩定性將面臨更大挑戰的問題。



圖一 : 經濟部規劃讓全台公共充電樁數量於2025年達7,800個。圖為台達戶外充電方案。
圖一 : 經濟部規劃讓全台公共充電樁數量於2025年達7,800個。圖為台達戶外充電方案。

甚麼是充電站?

純電車有兩種供電方式,一為電池交換系統,如普通電池般,可卸下充完電後再裝上,目前僅有中國的蔚?汽車NIO仍持續開發此種車款,建置換電站,提供客戶可在五分鐘內更換電池,估計在今年底在中國的換電站將高達2300座,在海外部分,除已在挪威設置兩座換電站外,並在2022年於德國建置首個換電站。


但除了蔚?汽車外,以固定式車載電池供電仍是純電車充電的主流,過去特斯拉也曾嘗試設計更換電池式的電動車,但最後選擇朝固定式發展。因此當前電動車仍以固定式電池式為主流,也就需要充電站來充電。


所謂充電站是指一個供電地點,該地點同時設置多個充電樁(EV supply equipment;EVSE),充電樁像是一個供電設施,充電樁上配置充電槍(connector),可以想像分別是加油站,以及加油站中供應不同燃料的加油機及加油槍。


快充或慢充

充電樁有兩種不同的電流形式-交流電(AC)及直流電(DC),俗稱慢充通常是指使用交流電,而使用直接電者稱為快充,但正確區分充電速度快或慢,應以電壓來作區隔,每小時可充電到都多少續航力(公里)為單位,因此快或慢充,應依據該電壓或功率所達到的充電速度來定義,AC或DC只是不同電流方式。


充電速度可劃分為3種等級(Level 1~Level 3),數字越小越慢,當電壓介於110-120V,此充電樁則歸類為Level 1,此類可直接使用充電線,直接在住家使用,不需要安裝充電樁。至於Level 2電壓介於208-240V的充電樁,充電速度是Level 1數倍以上,因為非家庭普通慣用電壓,需額外安裝設備,也是目前公共「慢充」樁,設置在車主通常需較長時間停留的位置,如公共停車場、工作場所或住宅大樓等。



圖二 :  Level 3是指直流電超快速充電(DC Fast Charging),需使用480 V以上的DC電壓。圖為ZEROVA快速充電方案。
圖二 : Level 3是指直流電超快速充電(DC Fast Charging),需使用480 V以上的DC電壓。圖為ZEROVA快速充電方案。

Level 3是指直流電超快速充電(DC Fast Charging),需使用480 V以上的DC電壓,而此類快充電樁,如同當前的加油站,能提供許多車主輪流使用,在短時間內依需求充電,具相當高便利性,但此類充電樁供應特別高的電壓,只有車載充電器可負荷的前提下才適用,換句話說並非適用於所有電動車,且設置費用昂貴,其設置費用約為Level 2之10倍。


目前國內充電樁數量約達4300多座,其中快慢充電樁比例約為1:5,其中有超過半數以上快充電樁,是由電動車廠商、第三方充電樁業者自建,多設置在車商展示服務中心、高速公路服務區,另充電樁業者也開始與便利商店合作。


如何紓解充電導致電網脆弱問題-V2X概念

當前的氣候變化、自然災害和其他不利事件,都已提高國家電網的脆弱度,特別是臺灣身處地震帶及颱風帶,尤其近年接二連三的全國性大停電,已顯露台電電網之脆弱及韌性不足問題,且由於用電及發電區域不均,長期早已存在南電北送現象,根據宅電統計,目前充電樁分布比例前三名為台北市(19%)、台中市(15%)、新北市(14%),要再增加EV充電需求,可能加重目前全台用電及發電區域不均的挑戰。


針對未來因應電動車充電導致電網脆弱,從電網設計者角度認為,問題不在於電網的整體容量,挑戰在於電網的尖峰容量,因此解決方法在於如何舒緩尖峰。對此,台電在去年5月推出「電動車專用時間電價」,希望透過電價優惠,提高車主在離峰時間充電之誘因,藉由改善車主充電習慣,減輕對電網在用電量尖峰時間的壓力。


而另一解方,則是利用電動車的雙向充電技術,反饋電網提供電力,作為舒緩用電尖峰的方法,也為當前台電認為能成為在未來分散式電力系統中的儲能設備之一。雙向充電技術顧名思義就是讓電流可以雙向流動,由於電動車帶有電池,如同一個「移動式行動電源」,透過雙向充電技術,可把電動車的電池電力回送。


電動車作為「移動式行動電源」,即V2X應用概念,例如V2L(Vehicle-to-load)、V2H(Vehicle to Home) 、V2B(Vehicle-to-Building)、V2G(Vehicle-to-grid)等。其中V2L是最基礎應用,只需外接V2L轉接器,就可以輸出電力,應用如戶外露營,此類應用無須雙向充電器。而V2H及V2G則不然,透過雙向充電器的放電能力,利用智慧控制充放電,提供住家、建築物內部電網的緊急備用電力,甚至釋放回到國家電網,強化電網韌性,讓大家受益。



圖三 : 智慧控制雙向充電器能協調各設備間包括電動車、供電設備如充電樁、能源供應商如台電等聯繫。圖為台達電網方案。
圖三 : 智慧控制雙向充電器能協調各設備間包括電動車、供電設備如充電樁、能源供應商如台電等聯繫。圖為台達電網方案。

實際應用仍有許多挑戰需克服

在技術層面上,須達到穩定高效,如何提高充放電技術的成熟度,減少能量傳輸過程中的損耗,以及降低電池衰減問題,以及須有精密的感測能力,準確測量電動車與充電設施間的電流及電壓,才能有效提高充電效能,第3類寬能隙(Wide Band Gap)半導體市場,由於電動車市場蓬勃發展而受到矚目。


此外要智慧控制雙向充電器,各設備間包括電動車、供電設備如充電樁、能源供應商如台電等之間須能聯網,將資料提交到智慧平台,以智慧調度電動車的電力,但根據工研院進行731份有效問卷「台灣電動車車主充電行為調查」,發現6成電動車車主僅接受自己控制充電時間,對於智慧充電(smart charging)仍有疑慮。


在商業模式部分,需先有V2G充放電交易市場,2021年台電設置電動車智慧充放電示範場,具放電功能的電動車可將電回輸電網,並在2022年公布社區大樓電動車專用電價及EMS能源管理系統,透過專用電錶提供離峰階段充電優惠,EMS能源管理系統讓管理人員能調控社區內充電樁使用狀況,雖然目前台電尚未將V2G納入電力交易平台,但汽車製造商目前都有特定車款與V2G技術相容,也已有廠商佈局電動車充電解決方案。


要普及V2G應用仍有諸多挑戰待克服,除包括軟體系統介面整合、電網基礎設施之強度、制訂相關的交易規則與監管法規,還有如何提高電動車主參與V2G機制之意願等,隨著電動車市場成長速度加快,如何兼顧環保及民生用電,是在推廣電動車時需滿足之先決條件,實現雙贏。


**刊頭圖(source: pexels.com)


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