《Energy Conversion and Management-X》：Techno-economic comparison and cost-effective design of robust charging infrastructures for large industrial sites
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为满足重型车辆大规模电动化对高功率、高可靠性充电设施的迫切需求，研究人员开展了一项关于大型工业场地充电基础设施架构的技术经济比较研究。通过量化比较六种集中式/分散式、交流/直流配电架构，发现采用分布式变压器的分散式交流架构成本最低，相比传统集中式交流方案降低48%。该研究为未来大规模、低成本、高鲁棒的充电站设计与投资决策提供了关键数据支撑。
随着全球对可持续交通的迫切追求，电动汽车（EV）的普及正以前所未有的速度增长。预计到2040年，全球电动汽车保有量将达到约7亿辆。这一激增趋势正在驱动对大规模充电基础设施的迫切需求。然而，与乘用车的电动化加速不同，重型运输车辆（涵盖建筑工地、矿山、货运枢纽和港口的大型车辆和机械）的电动化面临着一系列更为严峻的挑战。这些工业场地能耗巨大，车辆种类繁多，运营上需要高功率快速充电以最小化停机时间并维持生产效率。单个大型场地的总功率需求很容易达到兆瓦级别，如果没有前瞻性和稳健的工程设计，这将对当地配电网造成巨大且可能不稳定的负载冲击。
为了探究在大型工业场地（例如一个拥有50个充电桩、总功率约15 MW的场地）部署充电基础设施的最优方案，来自瑞典隆德大学的Abdullah Al-Hysam、Bobbie Frank、Reinier Overmaat和Mats Alaküla在《Energy Conversion and Management-X》上发表了一项研究，题为“Techno-economic comparison and cost-effective design of robust charging infrastructures for large industrial sites”。该研究旨在填补现有文献的空白，对六种不同的充电基础设施架构进行了系统、定量的“苹果对苹果”式比较，为高功率、多充电器工业应用在性能、成本和弹性之间找到平衡提供了数据驱动的见解。
为了开展研究，研究人员首先定义了六种候选架构：(a)集中式交流（传统方案）、(b)分散式交流、(c)带工频变压器（LFT）的集中式直流、(d)带固态变压器（SST）的集中式直流、(e)中央整流+分布式直流/直流变换的分散式直流、(f)分布式SST的分散式直流。随后，他们建立了一套详细的方法论，核心包括：1) 网络布局优化，通过结合最小生成树（MST）和贪心分支启发式算法，为每个架构优化电缆网络以最小化长度；2) 资本成本建模，涵盖了电缆、变压器、换流器等所有关键组件的成本，成本数据参考了北欧公用事业标准和全球商业基准；3) 灵敏度分析，评估了充电桩空间布局变化、车队规模扩大（至100个充电桩）以及未来电力电子成本下降对结果的影响。
研究结果
4.1. 基准案例比较 (50个充电桩)
在基准的50充电桩场景中，六种架构的总资本成本差异显著。分散式交流架构（b）成本最低，为177万欧元，比传统的集中式交流架构（a，339万欧元）低了48%。带LFT的集中式直流架构（c，287万欧元）也比集中式交流架构（a）便宜15.3%。然而，严重依赖电力电子的直流架构（d, e, f，成本在292万至392万欧元之间）比分散式交流架构（b）贵65%到121%。这些结果清晰地表明，在当前的技术成本下，利用多个分布式变压器缩短低压（LV）电缆长度的分散式交流方案是最具成本效益的选择。
4.2. 布局敏感性分析
研究测试了三种不同的充电桩空间分布（随机、线性和集群式）对总成本的影响。结果显示，分散式交流架构（b）的成本对布局变化最不敏感，其成本变化范围仅为6%。而集中式交流架构（a）则对布局高度敏感，在分散的线性布局下成本最高，因为需要很长的低压电缆。这凸显了分散式架构在应对不同场地地理条件时的鲁棒性优势。
4.3. 规模扩展至100个充电桩
当充电桩数量从50个增加到100个时，成本趋势基本保持不变。分散式交流架构（b）和带LFT的集中式直流架构（c）仍然是成本最低的两个选项。所有架构都显示出规模经济性，但分散式交流（b）的优势依然明显。
4.4. 电力电子成本敏感性分析
这是研究的关键部分。假设未来电力电子（特别是换流器）成本下降50%，成本格局发生了有趣的变化。虽然分散式交流方案（成本降至136万欧元）仍然是最便宜的，但两种分散式直流变体（e和f，成本分别为174万和184万欧元）成为紧随其后的第二和第三便宜选项，其成本显著低于传统的集中式交流设计（295万欧元）。这表明，如果换流器（如SST、MMC）的价格如预期般下降，未来大型场地的经济性天平可能会向以直流为中心或混合基础设施倾斜，特别是对于那些计划集成现场可再生能源（如光伏PV）和储能系统（BESS）的场地，因为直流架构在这方面的集成效率更高。
结论与讨论
本研究通过系统性的技术经济比较，为大型工业场地重型车辆充电基础设施的设计提供了清晰的路线图。主要结论是：在当前（2025年基准）的技术成本和市场条件下，采用多个分布式12/0.4 kV变压器的分散式交流（AC）架构是实现最低资本支出的最优选择。其成本优势主要源于大幅缩短了昂贵且低效的低压交流电缆。然而，研究也敏锐地指出，这一结论并非一成不变。
研究的核心贡献在于其前瞻性的灵敏度分析。结果表明，电力电子成本的演变是未来基础设施选择的关键决定因素。如果固态变压器（SST）、模块化多电平换流器（MMC）等先进换流器的成本能够大幅下降（例如降低50%），那么分散式直流（DC）架构的经济竞争力将显著增强，甚至可能超越传统交流方案。这对于计划部署现场光伏和储能的场地尤其重要，因为直流微电网能实现更高效、更直接的能源整合，减少转换环节，提升整体系统效率。
此外，研究还强调了架构选择对系统鲁棒性的影响。分散式架构（无论是交流还是直流）通过消除单点故障，提高了整个充电站点的运行可靠性，这对于保障工业场地的连续运营至关重要。
总而言之，这项研究不仅为当今的充电站规划者提供了即用、低成本的设计方案（分散式AC），更重要的是描绘了未来技术发展可能带来的范式转变。它鼓励投资者和工程师在规划大型充电枢纽时，不仅要考虑当前成本，还要评估技术路线图、现场可再生能源整合需求以及长期运营弹性，从而做出既满足当下经济性又具备未来适应性的明智决策。随着电力电子技术的不断进步和碳中和目标的推进，以直流为核心的充电基础设施有望在未来的可持续工业交通能源系统中扮演越来越重要的角色。
