李亞倫 《基于電動(dòng)汽車充換電的城市車能路云技術(shù)方案》

 

集“展覽展示+主論壇+三場(chǎng)分論壇+新品發(fā)布+品牌評(píng)選”為一體。大會(huì)共邀請(qǐng)到200+演講嘉賓，匯聚了2000+來自政府部門、專家學(xué)者和充換電產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)高層，一同見證充換電產(chǎn)業(yè)的無限機(jī)遇，共話充換電產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展之路。

 

8月14日，清華大學(xué) 助理研究員 李亞倫 以《基于電動(dòng)汽車充換電的城市車能路云技術(shù)方案》為主題進(jìn)行演講。

 

演講整理

 

 

 

清華大學(xué)

 

助理研究員 李亞倫

 

01

 

電動(dòng)汽車的問題以及解決方案

 

今天跟大家?guī)淼膱?bào)告是基于電動(dòng)汽車充換電的城市車能路云技術(shù)方案。

 

車能路云的整體需求，今天我們會(huì)議在北京，今天主要拿北京的數(shù)據(jù)來做相應(yīng)的分析，交通電動(dòng)化包括各個(gè)城市都取得了非常好的成就，北京市電動(dòng)車保有量在2021年超過50萬(wàn)輛，但要滿足碳中和目標(biāo)，2050年這是北京交研院的數(shù)據(jù)，達(dá)到850萬(wàn)輛規(guī)模。

北京電力系統(tǒng)現(xiàn)狀，北京的電力系統(tǒng)主要是靠外部電力調(diào)入，72%電力是從外部調(diào)入，同時(shí)峰谷負(fù)荷非常大，工作日最低負(fù)荷僅為工作日的56%，華北網(wǎng)給北京的電網(wǎng)新增容量很小。在這樣的背景下，由于交通電動(dòng)化牽引作用，未來我們將從以油氣為主要的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)向我們以電氫為主的能源系統(tǒng)，在這個(gè)情況下電動(dòng)汽車充換電基礎(chǔ)設(shè)施將成為其中重要的組成部分，這是我們做的具體測(cè)算，電動(dòng)汽車達(dá)到200萬(wàn)輛，慢充需求功率會(huì)達(dá)到北京市電網(wǎng)的17%。大量快充基礎(chǔ)設(shè)施的接入，預(yù)計(jì)達(dá)到36%電網(wǎng)最負(fù)荷的情況。

針對(duì)這個(gè)問題，歐美國(guó)家已經(jīng)早于我們一步了，推動(dòng)車網(wǎng)互動(dòng)、車能互動(dòng)的示范項(xiàng)目進(jìn)行示范驗(yàn)證、示范推廣、商業(yè)化運(yùn)行等模式來解決這樣的問題。

為什么他們要通過這個(gè)方式，隨著電動(dòng)汽車增加能夠跟能源終端進(jìn)行有效耦合，包括有序充電，車和房子、車和建筑、車和微網(wǎng)各種互動(dòng)，這是英國(guó)電網(wǎng)做的預(yù)測(cè)，如果我們發(fā)展無序充電，功率需求是有序充電需求的兩倍，轉(zhuǎn)向車能互動(dòng)、車網(wǎng)互動(dòng)最后能源需求功率不升反降的效果。

這是基于北京市測(cè)算的結(jié)果，50萬(wàn)輛車使用15千瓦雙向充電樁，功率對(duì)北京市電網(wǎng)負(fù)荷大概是25%，如果是有兩百萬(wàn)輛，車載儲(chǔ)能容量超過1億度電，對(duì)于電網(wǎng)是巨大的儲(chǔ)能資源。

但是有了資源如何把資源用好，就需要有相應(yīng)車網(wǎng)互動(dòng)或者車能互動(dòng)的技術(shù)支撐，首先電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)或者與能源系統(tǒng)互動(dòng)，憂慮的問題是車輛的衰減問題，車開著電量不夠用，這是對(duì)電池衰減的分析，分為日歷老化和循環(huán)老化，通過合理的車網(wǎng)互動(dòng)或者是通過有序充電將擱置階段的SOC降下來，降低日歷衰減，通過車能互動(dòng)向電網(wǎng)放電進(jìn)一步獲得一定的收益，將循環(huán)衰減所付出的成本抵消掉。

同時(shí)我們也分析了電池的衰減行為，合理使用車能互動(dòng)也能對(duì)電池起到延壽的效果，對(duì)電池衰減是隨著電壓呈現(xiàn)上凸函數(shù)關(guān)系，如果我們采用雙向電壓，將單點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)換為雙向電壓，能夠延長(zhǎng)電池的壽命，目前在不同類型的電池包括磷酸鐵鋰、三元上都得到比較良好的效果。

 

02

電動(dòng)汽車的問題以及解決方案

 

電動(dòng)汽車焦慮的另外一個(gè)問題，冬季續(xù)航的下降，調(diào)頻等脈沖工況可以促進(jìn)電池內(nèi)部產(chǎn)熱，這是我們做的分析，能夠?qū)崿F(xiàn)電池冬季低溫下動(dòng)力性能和續(xù)航里程的提升。此外，對(duì)于車輛系統(tǒng)，我們提出了雙模組高壓拓?fù)浼軜?gòu)，實(shí)現(xiàn)電池電流倍增和低頻的運(yùn)行，像這樣的方式，通過控制的方法可以實(shí)現(xiàn)高功率、低噪音、高效率電動(dòng)汽車低溫電池加熱的效果。

另外一個(gè)電動(dòng)汽車充電過程大家憂慮的問題是安全問題，我們分析表明對(duì)于電動(dòng)汽車充電過程析鋰是導(dǎo)致它起火失火的緣由，對(duì)于這個(gè)問題，需要測(cè)量電池內(nèi)部電位，修正測(cè)量誤差，進(jìn)而保證電池充換電不發(fā)生危險(xiǎn)的情況，保證它的安全。另一部分車能互動(dòng)也對(duì)電動(dòng)汽車它的安全檢測(cè)帶來了一些新的機(jī)遇，傳統(tǒng)上電動(dòng)汽車充完電，拔槍就走，在車能互動(dòng)可以將無序工況變成可控工況，提高析鋰的反應(yīng)精度，提高它的安全保障能力。

對(duì)于電動(dòng)汽車來說利用它做儲(chǔ)能，相對(duì)于固定式電化學(xué)儲(chǔ)能有成本低、安全風(fēng)險(xiǎn)低的效果，但是也會(huì)面臨一定的問題，像時(shí)間和空間的不確定性，需要相應(yīng)技術(shù)來解決這個(gè)問題。

針對(duì)這個(gè)問題，我們團(tuán)隊(duì)跟創(chuàng)業(yè)企業(yè)合作，開展了車能路三者融合場(chǎng)景的設(shè)計(jì)工作，首先電動(dòng)汽車和電網(wǎng)互動(dòng)是有各種各樣不同的形式，我們可以跟家庭互動(dòng)、樓宇互動(dòng)跟微網(wǎng)互動(dòng)，也可以通過快充站、換充站、中壓配電網(wǎng)互動(dòng)。

城市中車能互動(dòng)分類，一個(gè)是道路交通；二是郊區(qū)、園區(qū)，第三個(gè)社區(qū)和商區(qū)。

第一個(gè)場(chǎng)景是在道路交通上如何進(jìn)行互動(dòng)。

道路交通上遇到一個(gè)問題，充換電基礎(chǔ)設(shè)施投資沒有問題，受到電力容量的問題，目前它的選址非常困難，比如說電網(wǎng)不給批地、批容量，導(dǎo)致電動(dòng)汽車充換電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展跟不上電動(dòng)車數(shù)量的增長(zhǎng)，在這樣的情況下，大家普遍采用的方式是充電樁配儲(chǔ)來解決大功率快充對(duì)電網(wǎng)帶來的沖擊問題，快充電池跟電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)，可以將快充站入網(wǎng)功率降下來，我們的研究也發(fā)現(xiàn)，利用電動(dòng)汽車換電站，如果它們的位置比較重合，儲(chǔ)備的大量電池利用它作為儲(chǔ)能電池進(jìn)行放電，能夠降低快充配儲(chǔ)的成本，這部分文章發(fā)表權(quán)威期刊Joule上。

具體怎么做，利用換電站站內(nèi)電池作為儲(chǔ)能電池為周邊的快充樁進(jìn)行放電。分析充換電負(fù)荷的互補(bǔ)度，對(duì)于兩個(gè)實(shí)際的充電站和換電站進(jìn)行分析，目前他們的互補(bǔ)度是11%，將二者耦合起來，將2.5瓦的換電站降低0.7MW的功率，得到比較好的收益。

另外一個(gè)設(shè)備投資的問題，把單向充電變?yōu)殡p向充電，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備投資上升。但通過能量調(diào)度將整個(gè)設(shè)備的利用率提高，比如充電樁利用率提高12%，備用電池利用率提高9%，通過高利用率得到資本的高回報(bào)，將充換電分別獨(dú)立的站改為充電站耦合站，增加的設(shè)備投資僅需要兩年就可以回本。

對(duì)于這樣一套系統(tǒng)，在冬奧會(huì)期間跟殼牌合作在張家口建立了快充快換智能微網(wǎng)并且進(jìn)行相應(yīng)的示范工作，得到了非常好的效果。

第二個(gè)遠(yuǎn)郊農(nóng)村包括遠(yuǎn)郊郊區(qū)怎么辦，遠(yuǎn)郊農(nóng)村有一個(gè)非常重要的問題，光伏上網(wǎng)的問題，目前國(guó)家也在大力推廣光伏下鄉(xiāng)的工作，尤其是對(duì)遠(yuǎn)郊農(nóng)村光伏資源是非常好的，但是對(duì)于末端配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能力是比較差的，如何消納這些光伏成為重點(diǎn)要解決的問題。

這是我們對(duì)于北京市市郊光伏分析情況，對(duì)于單戶平均功率12.7千瓦，戶均日發(fā)電量42kwh，北京市每戶日用電為13kwh，每戶每天約有30kwh電量需求網(wǎng)消納，解決電力容量不足的問題。具體來說屋頂通過光伏改造，農(nóng)村每戶家庭安裝小功率慢充樁，并且在慢充樁普及有序充電和車+互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二者能量調(diào)度。

最后也跟建筑內(nèi)負(fù)荷，像熱泵提升清潔能源的消納能力，這是實(shí)際分析場(chǎng)景，100戶農(nóng)村，分析不同架構(gòu)模式下得到的收益，像北京前些年通過電采暖、煤改電的政策，把整個(gè)取暖進(jìn)行清潔化，造成政府補(bǔ)貼和用戶電費(fèi)的問題。如果我們把這樣一個(gè)系統(tǒng)增加光伏以后，可以把用戶電費(fèi)進(jìn)行快速下降，沒有辦法降低配電擴(kuò)容的問題，電動(dòng)汽車車家互動(dòng)，就可以有效把這個(gè)問題解決。

這是我們實(shí)際分析的結(jié)果，用電器的極端工礦進(jìn)行系統(tǒng)配置，利用連續(xù)工況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)收益的分析，通過分析進(jìn)行系統(tǒng)的能量管理，首先我們發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車在這樣的系統(tǒng)中，當(dāng)它電池SOC在0.35-0.7區(qū)間，可以得到正的收益，也是電費(fèi)的節(jié)省，能夠完全把電動(dòng)汽車的衰減抵消掉。

熱泵可以進(jìn)行柔性用電，可以帶來大約16度電等效容量，二者加起來完全可以消納每一戶屋頂光伏的發(fā)電量。基于此，我們與鏈宇科技、清安儲(chǔ)能開發(fā)了充電樁，并且在北京等一些城市進(jìn)行示范。

最后是居民小區(qū)如何做，居民小區(qū)國(guó)內(nèi)有一個(gè)特點(diǎn)跟國(guó)外完全不一樣的，國(guó)外人口密度和汽車千人保有量成正比，這跟國(guó)外是相反的趨勢(shì)，這樣的現(xiàn)象造成我們?cè)谥行某菂^(qū)配電負(fù)荷率非常高，導(dǎo)致我們無法新增充電樁的工作。

通過分析表明，由于無序充電和生活用電負(fù)荷高峰重合率非常高，達(dá)到85%，城六區(qū)峰值負(fù)荷上升25%，只要有40%的電動(dòng)車進(jìn)行雙向互動(dòng)，可以把基礎(chǔ)的用電峰值下降25%，這樣居民小區(qū)用電峰值是不升反降的，會(huì)成為整個(gè)中心城區(qū)的充電樁，對(duì)于中心城區(qū)來說發(fā)展車能互動(dòng)是非常必要的路徑。另外我們討論了全區(qū)優(yōu)化的問題，在實(shí)際過程中還會(huì)有各種不確定性，比如出行不確定性、充電行為不確定性，我們進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度分析，考慮這些不確定性以后，車能互動(dòng)仍然讓中心城區(qū)峰值負(fù)荷下降17%，達(dá)到非常好的效果，其中需要我們實(shí)時(shí)調(diào)度，比如優(yōu)先級(jí)的控制算法。

基于此，我們孵化的鏈宇科技，推廣光伏儲(chǔ)能、車網(wǎng)互動(dòng)、智慧平臺(tái)一體化解決方案，目前在全國(guó)各地進(jìn)行20多項(xiàng)的示范項(xiàng)目，都能取得比較好的經(jīng)濟(jì)收益。

 

03

 

車能路云集成發(fā)展

 

最后想介紹一下車能路云集成發(fā)展，剛才是分了各種不同的場(chǎng)景。

對(duì)于不同的場(chǎng)景，當(dāng)它的規(guī)模增大以后，我們需要把這些場(chǎng)景資源聚合起來發(fā)揮它的作用，這其中需要各種平臺(tái)來提高相應(yīng)的服務(wù)，具體來說我們會(huì)分為三個(gè)層級(jí)，底層是功率、能量設(shè)備層；中間是通訊和網(wǎng)關(guān)，上層基于這些信息提供信息服務(wù)，包括四個(gè)：充電調(diào)度與資產(chǎn)管理平臺(tái)、平臺(tái)負(fù)荷聚合與虛擬電廠平臺(tái)、安全監(jiān)測(cè)和綜合管控平臺(tái)、能源交易與市場(chǎng)服務(wù)平臺(tái)。

現(xiàn)在有大數(shù)據(jù)技術(shù)、車站數(shù)字孿生技術(shù)，車上運(yùn)維實(shí)現(xiàn)無人化服務(wù)，資產(chǎn)管理，保證資產(chǎn)的保值。右邊是創(chuàng)業(yè)企業(yè)智聯(lián)物聯(lián)開發(fā)的平臺(tái)，在充電站換電是來把現(xiàn)在持有的換電站資產(chǎn)進(jìn)行有效的管理。

第二個(gè)平臺(tái)負(fù)荷聚合和虛擬電廠平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)需要把場(chǎng)站向城市級(jí)進(jìn)行聚合，進(jìn)行日前計(jì)劃和日內(nèi)的實(shí)時(shí)調(diào)度，底層是負(fù)荷預(yù)測(cè)，把未來充換電預(yù)測(cè)出來，分析聚合潛力，參與電網(wǎng)的報(bào)量工作，最后是集成虛擬電廠進(jìn)行交易，日內(nèi)通過實(shí)時(shí)向下調(diào)度進(jìn)行充換電管理，實(shí)現(xiàn)需求。右邊也是創(chuàng)業(yè)企業(yè)像鏈宇科技開發(fā)的平臺(tái)，跟華北網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行接入。

最后是安全監(jiān)測(cè)和綜合管控平臺(tái)，目前電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)進(jìn)行充換電，最重要保障其中的安全，像創(chuàng)業(yè)企業(yè)像昇科能源他們開發(fā)了具有十億參數(shù)級(jí)大數(shù)據(jù)動(dòng)力電池人工智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)理和模型融合，將多元數(shù)據(jù)耦合在一起進(jìn)行分析，目前實(shí)現(xiàn)的效果是安全預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上以及SOH估算準(zhǔn)確率達(dá)到97%以上，目前接入超過一百萬(wàn)。

最后是能源交易和市場(chǎng)服務(wù)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)是能源企業(yè)或者是電網(wǎng)企業(yè)來做的，目前國(guó)家大力推廣電改，讓分布式能源在電網(wǎng)進(jìn)行交易，未來這部分市場(chǎng)發(fā)展為我們激勵(lì)車能互動(dòng)、參與市場(chǎng)互動(dòng)的工作打下非常重要的環(huán)節(jié)。