李亞倫 《基于電動汽車充換電的城市車能路云技術(shù)方案》

發(fā)布日期:2024-08-28

核心提示:8月14-16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北京國際充電樁及換電站展覽會、2024中國國際電動汽車充
 8月14-16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北京國際充電樁及換電站展覽會、2024中國國際電動汽車充換電運(yùn)營商大會在北京首鋼會展中心盛大舉辦。
 
集“展覽展示+主論壇+三場分論壇+新品發(fā)布+品牌評選”為一體。大會共邀請到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。

北京論壇
 
8月14日,清華大學(xué) 助理研究員 李亞倫 以《基于電動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,交通電動化包括各個城市都取得了非常好的成就,北京市電動車保有量在2021年超過50萬輛,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),在這個情況下電動汽車充換電基礎(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算,電動汽車達(dá)到200萬輛,慢充需求功率會達(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。
針對這個問題,歐美國家已經(jīng)早于我們一步了,推動車網(wǎng)互動、車能互動的示范項(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方式,隨著電動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,這是英國電網(wǎng)做的預(yù)測,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、車網(wǎng)互動最后能源需求功率不升反降的效果。
這是基于北京市測算的結(jié)果,50萬輛車使用15千瓦雙向充電樁,功率對北京市電網(wǎng)負(fù)荷大概是25%,如果是有兩百萬輛,車載儲能容量超過1億度電,對于電網(wǎng)是巨大的儲能資源。
但是有了資源如何把資源用好,就需要有相應(yīng)車網(wǎng)互動或者車能互動的技術(shù)支撐,首先電動汽車參與電網(wǎng)或者與能源系統(tǒng)互動,憂慮的問題是車輛的衰減問題,車開著電量不夠用,這是對電池衰減的分析,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。
同時我們也分析了電池的衰減行為,合理使用車能互動也能對電池起到延壽的效果,對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
電動汽車的問題以及解決方案
 
電動汽車焦慮的另外一個問題,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)電池冬季低溫下動力性能和續(xù)航里程的提升。此外,對于車輛系統(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、高效率電動汽車低溫電池加熱的效果。
另外一個電動汽車充電過程大家憂慮的問題是安全問題,我們分析表明對于電動汽車充電過程析鋰是導(dǎo)致它起火失火的緣由,對于這個問題,需要測量電池內(nèi)部電位,修正測量誤差,進(jìn)而保證電池充換電不發(fā)生危險的情況,保證它的安全。另一部分車能互動也對電動汽車它的安全檢測帶來了一些新的機(jī)遇,傳統(tǒng)上電動汽車充完電,拔槍就走,在車能互動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。
對于電動汽車來說利用它做儲能,相對于固定式電化學(xué)儲能有成本低、安全風(fēng)險低的效果,但是也會面臨一定的問題,像時間和空間的不確定性,需要相應(yīng)技術(shù)來解決這個問題。
針對這個問題,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景的設(shè)計(jì)工作,首先電動汽車和電網(wǎng)互動是有各種各樣不同的形式,我們可以跟家庭互動、樓宇互動跟微網(wǎng)互動,也可以通過快充站、換充站、中壓配電網(wǎng)互動。
城市中車能互動分類,一個是道路交通;二是郊區(qū)、園區(qū),第三個社區(qū)和商區(qū)。
第一個場景是在道路交通上如何進(jìn)行互動。
道路交通上遇到一個問題,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)致電動汽車充換電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展跟不上電動車數(shù)量的增長,在這樣的情況下,大家普遍采用的方式是充電樁配儲來解決大功率快充對電網(wǎng)帶來的沖擊問題,快充電池跟電網(wǎng)進(jìn)行互動,可以將快充站入網(wǎng)功率降下來,我們的研究也發(fā)現(xiàn),利用電動汽車換電站,如果它們的位置比較重合,儲備的大量電池利用它作為儲能電池進(jìn)行放電,能夠降低快充配儲的成本,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,對于兩個實(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。
另外一個設(shè)備投資的問題,把單向充電變?yōu)殡p向充電,會導(dǎo)致設(shè)備投資上升。但通過能量調(diào)度將整個設(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。
對于這樣一套系統(tǒng),在冬奧會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)村有一個非常重要的問題,光伏上網(wǎng)的問題,目前國家也在大力推廣光伏下鄉(xiāng)的工作,尤其是對遠(yuǎn)郊農(nóng)村光伏資源是非常好的,但是對于末端配電網(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。
這是我們對于北京市市郊光伏分析情況,對于單戶平均功率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,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,電動汽車車家互動,就可以有效把這個問題解決。
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?;诖?,我們與鏈宇科技、清安儲能開發(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)國內(nèi)有一個特點(diǎn)跟國外完全不一樣的,國外人口密度和汽車千人保有量成正比,這跟國外是相反的趨勢,這樣的現(xiàn)象造成我們在中心城區(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%的電動車進(jìn)行雙向互動,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,會成為整個中心城區(qū)的充電樁,對于中心城區(qū)來說發(fā)展車能互動是非常必要的路徑。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)時調(diào)度分析,考慮這些不確定性以后,車能互動仍然讓中心城區(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)時調(diào)度,比如優(yōu)先級的控制算法。
基于此,我們孵化的鏈宇科技,推廣光伏儲能、車網(wǎng)互動、智慧平臺一體化解決方案,目前在全國各地進(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景。
對于不同的場景,當(dāng)它的規(guī)模增大以后,我們需要把這些場景資源聚合起來發(fā)揮它的作用,這其中需要各種平臺來提高相應(yīng)的服務(wù),具體來說我們會分為三個層級,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:充電調(diào)度與資產(chǎn)管理平臺、平臺負(fù)荷聚合與虛擬電廠平臺、安全監(jiān)測和綜合管控平臺、能源交易與市場服務(wù)平臺。
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,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。
第二個平臺負(fù)荷聚合和虛擬電廠平臺,這個平臺需要把場站向城市級進(jìn)行聚合,進(jìn)行日前計(jì)劃和日內(nèi)的實(shí)時調(diào)度,底層是負(fù)荷預(yù)測,把未來充換電預(yù)測出來,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,跟華北網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行接入。
最后是安全監(jiān)測和綜合管控平臺,目前電動汽車接入電網(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)級大數(shù)據(jù)動力電池人工智能平臺,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。
最后是能源交易和市場服務(wù)平臺,這個平臺是能源企業(yè)或者是電網(wǎng)企業(yè)來做的,目前國家大力推廣電改,讓分布式能源在電網(wǎng)進(jìn)行交易,未來這部分市場發(fā)展為我們激勵車能互動、參與市場互動的工作打下非常重要的環(huán)節(jié)。

 
 
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