5月22-24日，由充電樁網(wǎng)、充換電百人會、光儲充換產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合主辦的2024第三屆中國國際充電樁及換電站展覽會、2024第十屆中國國際電動汽車充換電產(chǎn)業(yè)大會在上海汽車會展中心盛大舉辦。
在分論壇的設(shè)置上，11大專場論壇緊緊圍繞充換電產(chǎn)業(yè)的熱點話題展開，涵蓋車樁可信認證、新品發(fā)布、超充技術(shù)、區(qū)域運營、車網(wǎng)互動、社區(qū)充電、市場趨勢等多個方面，從技術(shù)創(chuàng)新到市場應(yīng)用進行全方位探討，引領(lǐng)政府部門、專家學者及充換電上下游企業(yè)高層等2000+參會代表，一同探討充換電產(chǎn)業(yè)的無限機遇。
5月23日，「車網(wǎng)互動」專場論壇聚焦“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”作為車網(wǎng)互動標準化的理念，深入探討如何通過技術(shù)創(chuàng)新、市場管理，推動車網(wǎng)互動標準化，助力打造互利協(xié)同的充換電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展生態(tài)。清華大學助理研究員 李亞倫以《電動汽車車能互動的充電機理、系統(tǒng)設(shè)計與智能調(diào)控》為主題進行演講。
演講整理
01
電動汽車的互動需求分析
隨著新能源汽車市場的迅速增長，今年4月上旬新能源汽車銷量占出口總銷量的50%，成為出口主力“新三樣”之一，市場地位不容小覷。
李亞倫表示，未來如何進一步發(fā)展成為重中之重。2022年，歐美推出了“貿(mào)易北約”標準化信息機制，重點關(guān)注電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施，而中國則在去年提出了“構(gòu)建車能路云協(xié)同產(chǎn)業(yè)生態(tài)”，并于12月發(fā)布了新能源汽車與電網(wǎng)融合的實施意見。
在該情況下，分析車能互動主要有兩個角度：首先是能源角度。當前，中心城市小區(qū)充電樁的安裝面臨嚴峻挑戰(zhàn)，迫使他們從無序充電轉(zhuǎn)向有序充電和車網(wǎng)互動的發(fā)展。其次是車輛角度。近年來，電池技術(shù)發(fā)展迅猛，三元電池的循環(huán)壽命可達1000次，對應(yīng)600公里的續(xù)航，全生命周期使用壽命可達60萬公里，但用戶仍感受到電動汽車衰退快，續(xù)駛里程不足的問題。
他指出，事實上其內(nèi)部原因在于，電池內(nèi)部存在兩種衰減：循環(huán)衰減和日歷衰減。日歷衰減現(xiàn)狀不容樂觀，而循環(huán)衰減和日歷衰減耦合到一起，會產(chǎn)生進一步的耦合反應(yīng)。車輛的使用過程正好是這種相互作用的過程，例如在家充滿電后可能要等到第二天才開車，中間會產(chǎn)生充電擱置的階段，這會將日歷壽命對電池的衰減影響耦合到循環(huán)壽命上。
鑒于此，可以預見未來電動汽車充電將朝兩個方向發(fā)展：一方面，居民小區(qū)從無序充電過渡到雙向充電，以解決電網(wǎng)容量不足的問題，同時降低電池使用過程中的衰減。另一方面，道路充電將朝著大功率充電方向發(fā)展，以應(yīng)對臨時出行的緊急補充需求。只有這兩方面的協(xié)同支持，才能實現(xiàn)電動汽車充電生態(tài)的長期發(fā)展。他強調(diào)，要解決這些問題，需要從技術(shù)創(chuàng)新的機理到系統(tǒng)層面進行相應(yīng)的改進。
02
電動汽車充電機理
他指出，充電機理可以分為三個方面：
1. 雙向充電的延壽機理
根據(jù)電池內(nèi)部材料的負反應(yīng)過程，如負極SEI的增長和正極高鎳三元材料的相變異性，結(jié)合文獻中的SEI生長和電位的關(guān)聯(lián)公式以及正極晶格應(yīng)力和SEI的公式，得出了電池在SOC和電壓范圍內(nèi)的衰減定性曲線。發(fā)現(xiàn)這曲線實際上是一個明顯的上凸函數(shù)特性。
利用上凸函數(shù)的特性，可以進行相應(yīng)的工作。這種函數(shù)的特征是中值比兩側(cè)的平均值更高，因此可以通過雙向脈沖電流將單點電壓的擱置過程延伸到兩側(cè)，從而降低平均衰減速率比初始衰減速率更低。
通過設(shè)置正負脈沖電流，可以實現(xiàn)這種功能。對電池而言，充電內(nèi)阻低于放電內(nèi)阻，進一步降低衰減速率。
基于以上原因，實驗室設(shè)計了相應(yīng)的試驗內(nèi)容。比較了家庭充電后直接擱置的過程和充電過程中采用脈沖電流調(diào)節(jié)對電池壽命的影響分析。研究發(fā)現(xiàn)，采用合理的脈沖電流提高電池的總體壽命，但是要避免電池內(nèi)部存在的其他副反應(yīng)。
2.超快充電的安全機理
根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大約四分之一的電動汽車火災事故與充電有關(guān)，而充電時間僅占不到總時間的10%。這表明充電過程中的安全風險更為突出。
他們觀察到，在高倍率充電過程中，通過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)了負極表面出現(xiàn)鋰枝晶生長的現(xiàn)象。此外，在電池充電后的擱置和放電過程中，金屬鋰可以重新嵌入到負極，但重新嵌入材料反應(yīng)的特性分析經(jīng)常被忽視。
為了解決這一問題，設(shè)計了卡片電池的測試方法。在電池充電完成后，立即進行不同反應(yīng)體系的分解，快速確定每個反應(yīng)體系內(nèi)的反應(yīng)，以便在鋰重新嵌入之前捕捉到安全特征。
通過這種反應(yīng)分析，揭示了電池快速充電時著火的機理。其核心是鋰在重新嵌入負極之前與電解液快速產(chǎn)生熱反應(yīng)，同時還可能產(chǎn)生氣體，導致電池迅速膨脹、破裂，內(nèi)部壓力升高并最終打開閥門。
3. 電位測量傳感器技術(shù)
無論雙向充電還是超快充電，其機理都與電池內(nèi)部單個電極的電位密切相關(guān)，包括正負極的SCI衰減、顆粒破碎，以及析鋰等過程，這些都由內(nèi)部的電極位置決定。因此，需要開發(fā)一種傳感器來實時監(jiān)測電池內(nèi)部的電極位置。這種傳感器稱為參比電極，比如將銅絲鍍鋰嵌入電池內(nèi)部以進行測量。然而，早在2018年，就有研究發(fā)現(xiàn)參比電極在測量過程中存在反常極化現(xiàn)象，這表明誤差來源于非均勻的局部電化學反應(yīng)過程，難以精確量化。
為了應(yīng)對這一情況，他們進行了局部液相電位偏差機制的建模研究，并通過局部放大獲取了參比電極誤差的電化學模型。進一步分析了影響誤差的因素，包括傳感器尺寸、液相擴散和充電倍率等，無法直接通過Map圖進行精確標定誤差。由于發(fā)現(xiàn)這些因素同時影響去極化電壓，于是采用間接估計方法，通過去極化電壓來估計誤差的大小。
有了精確的內(nèi)部定位測量，可以將電池內(nèi)部的正負極反應(yīng)分析拓展到更大范圍和整個電池生命周期的充電過程中。這種技術(shù)還結(jié)合了模型預測算法，開發(fā)電池充電電流的控制方法。
在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，他們孵化的企業(yè)昇科能源基于這些技術(shù)開發(fā)了超充電樁，實現(xiàn)了超級快速能源補給、低溫脈沖加熱和超強冷卻，保障了充電過程的安全性。
03
能源設(shè)施構(gòu)型設(shè)計
為了實現(xiàn)前述的充電機制，必須將配置與能源系統(tǒng)進行整合。他介紹了團隊在能源系統(tǒng)方向所做的工作。
1、車載方面
通過對于如何實現(xiàn)雙向電流以延長電池壽命和加熱分析發(fā)現(xiàn)，在車輛上激勵電池的雙向電流研究一直存在，典型的研究是利用驅(qū)動電機產(chǎn)生正負電流以激勵電池。然而，由于電流幅值低、電機噪聲大以及加熱效果不佳，這項技術(shù)一直未能實際應(yīng)用。
認識到電機和電池長期解耦分析存在的問題，他們開發(fā)了包括電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)耦合仿真分析的平臺。在電機系統(tǒng)上分析電機的噪聲，在電池系統(tǒng)上分析電池的衰減和電池的溫升，控制系統(tǒng)分析變流器構(gòu)型及控制對電機和電池兩個之間的耦合關(guān)系。
基于這一分析平臺，最終發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法未能實現(xiàn)有效的雙向電流激勵的原因在于電機控制中的零電壓向量。具體來說，在高頻條件下，較少的零電壓向量能夠?qū)崿F(xiàn)電流的高頻變化，這能產(chǎn)生相對較大的電池電流。然而，由于零電壓向量不足，電機頻繁的電流換向?qū)е码姍C噪音。降低頻率增加零電壓向量的比例，會降低電池側(cè)的電流，這是一直未能解決的問題。
相應(yīng)地，他們開發(fā)了一種新的構(gòu)型——“雙模組架構(gòu)”，將電池包內(nèi)的電池分成兩組，分別與逆變器連接。這種設(shè)置使得在零電壓向量下能夠產(chǎn)生雙向電流，在低頻下維持雙向電流，并在其他電壓向量下增加雙向電流的賦值。
通過整車動力系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)該方法能夠?qū)崿F(xiàn)80%以上的雙向電流能量利用效率。通過零電壓矢量的優(yōu)化能提升加熱電流，比傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)加熱電流的均方根值提高2-3倍的水平。電流形態(tài)的優(yōu)化降低了電機噪音，測試結(jié)果顯示大約能降低14分貝。
2、車下方面
光儲充換系統(tǒng)主要用于滿足高功率超快充電的需求，具體稱為光儲充換耦合系統(tǒng)，利用換電電池包作為儲能系統(tǒng)，支持乘用車的快充功率，參與電網(wǎng)調(diào)度并消納光伏發(fā)電。由于長途行駛，如高速公路或省道，高速重型卡車換電站和乘用車超充電站的交匯處，這項技術(shù)的實施具有重要意義。相應(yīng)研究成果發(fā)表在能源領(lǐng)域頂級期刊《Joule》上，重點建立了服務(wù)模型，考慮電池規(guī)律進行綜合系統(tǒng)配置，并獲得了一系列優(yōu)化結(jié)果。
他重點介紹了其中兩個優(yōu)化結(jié)果：首先是降低電網(wǎng)的配容，通過分析實際乘用車快充站的功率需求和換電站的車流分析，最終實現(xiàn)了2.5MW的快充站，并降低了0.7MW的入網(wǎng)功率效果。其次考慮到電池衰減，通過集中調(diào)度提高設(shè)備利用率，分析系統(tǒng)運行全壽命周期的現(xiàn)金流。由于雙向設(shè)備帶來的成本增加，能夠在兩年內(nèi)完全回收，從而實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效果。
2022年，團隊與殼牌及三家孵化的企業(yè)鏈宇、昇科、智鋰物聯(lián)在張家口示范了集合超充換電、光伏發(fā)電智能微網(wǎng)為一體的能源系統(tǒng)。為此，鏈宇科技推出了一系列硬件和軟件平臺，包括零碳園、AC/DC和DC/DC模塊，以及支持結(jié)算和增值的各種服務(wù)。
04
車能互動智能控制
針對車能互動的智能調(diào)節(jié)，他表示，在硬件基礎(chǔ)建立的同時，仍需要軟件將整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來。
在車能互動方面，長期以來的一個挑戰(zhàn)是如何選擇示范場景。通過一系列探索，發(fā)現(xiàn)與農(nóng)村光伏耦合是實現(xiàn)具體車能互動的有效途徑。建筑內(nèi)配備熱泵，建筑外有電動汽車，建筑屋頂安裝光伏板，工業(yè)園區(qū)也采用這種場景推動車能互動的實際落地，是一種較好的突破點。
因此，整個系統(tǒng)的設(shè)計包括屋頂光伏、電動汽車儲能和柔性電力分配。目前，電網(wǎng)也在大力推廣區(qū)域儲能，特別是工業(yè)園區(qū)和農(nóng)村區(qū)域。利用電動汽車儲能作為能量單位和臺區(qū)儲能作為功率單位，形成混合動力系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛和建筑負荷之間的靈活互動，提高能效。
在農(nóng)村場景分析中，通過冬季熱泵的柔性能源利用，可以實現(xiàn)約17度的等效儲能容量，并擴展到電動汽車上考慮電動汽車的衰減，也有較好的SOC范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。
具體來說，考慮到不同車輛和建筑的調(diào)度，團隊提出了基于優(yōu)先級的調(diào)度算法，能夠在考慮到車輛行駛和充電行為的隨機性后實現(xiàn)實時調(diào)度，大約減少了17%的用電峰值。
李亞倫總結(jié)道，目前團隊的孵化企業(yè)鏈宇科技已在天津、青島、義烏和上海等多地開始打造光儲充換和光儲直流園區(qū)系統(tǒng)，并進行了具體示范工作。
