電動汽車儲能及充放電相關(guān)技術(shù)

　　燃料電池電動汽車采用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為發(fā)動機(jī)驅(qū)動電源,典型結(jié)構(gòu)見圖3。PEMFC作為一種氫燃料電池,排放生成物是水及水蒸氣,因此可以說對環(huán)境零污染。PEMFC能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%~70%,而且運行在無機(jī)械振動、低噪聲、低熱輻射。作為氫燃料電池燃料,氫的熱值高,1kg氫和3.8L汽油的熱值相當(dāng)。在我國,國家科技部將研發(fā)燃料電池客車和燃料電池轎車列為“十五”、“十一五”計劃和“863”重大科技項目,并已取得一系列重大科技成果。

　　但是,目前的PEMFC還存在許多問題有待解決。

　　首先,燃料電池的耐久性壽命短,目前我國研制的PEMFC使用壽命一般僅1000~1200h(國外2200h);燃料電池汽車行駛4~5萬km后驅(qū)動功率會下降約40%,相比之下,傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車一般可以行駛50萬km,差距很大。

　　其次,燃料電池發(fā)動機(jī)的制造和運行成本居高不下,特別是目前我國PEMFC技術(shù)相對落后,所需要的關(guān)鍵材料和關(guān)鍵部件如質(zhì)子交換膜、炭紙、鉑金屬催化劑、高純度石墨粉、氫回收泵、增壓空氣泵等還只能依靠進(jìn)口,價格很高。目前我國的燃料電池發(fā)動機(jī)制造成本約3萬元/kW(國外成本為3000美元/kW),與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)僅200~350元/kW的制造成本相比差距巨大。燃料電池汽車的使用成本也過于高昂,例如燃用的高純度(99.999%)高壓(超過20MPa,)氫,目前的售價約80~100元/kg,按1kg氫可發(fā)10kWh電能計算,僅燃料費即約為10元/kWh。燃料電池發(fā)動機(jī)的運行動力總成本包括折舊費,燃料電池工作壽命按1000h計算折舊費為30元/kWh,這樣燃料電池汽車的動力總成本將達(dá)40元/kWh。

　　再次,PEMFC對工作環(huán)境的適應(yīng)性很差。國產(chǎn)PEMFC可在0~40℃氣溫下工作,低于0℃有結(jié)冰問題,高于40℃過熱不能正常工作。運行中的PEMFC對空氣中的粉塵、一氧化碳、硫化物等都十分敏感,鉑催化劑極易污染中毒失效。另外,氫氣作為一種氣體,它的儲運和分配也有許多困難有待解決。

　　盡管存在如此多的問題,但是燃料電池汽車目前仍然是最清潔的并且最有發(fā)展前景的新能源汽車之一,只要技術(shù)上有進(jìn)一步突破,成本有大幅度下降,燃料電池汽車就完全有可能推廣。

　　2電動汽車充放電技術(shù)

　　隨著配電網(wǎng)智能化水平的提高和需求側(cè)管理技術(shù)的進(jìn)步,未來電動汽車的車載電池可能作為智能電網(wǎng)中的移動儲能單元。車電互聯(lián)(V2G)就是指電動車輛作為移動儲能單元接入電網(wǎng),在受控狀態(tài)下實現(xiàn)與電網(wǎng)之間的信息與能量雙向互動,電動汽車充放電站建設(shè)是智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容。汽車平均每天僅行駛1h,95%的時間處于停駛狀態(tài);接入電網(wǎng)的電動汽車數(shù)量足夠多時,作為可移動的分布式儲能裝置可以有效地用于削峰填谷、平衡負(fù)荷等。特別是在將來可能形成的可再生能源發(fā)電比例較高的微電網(wǎng)系統(tǒng)中,通過電動汽車的合理充放電,可以有效平衡可再生能源波動性,幫助電網(wǎng)有效接納可再生能源發(fā)電。

　　目前電動汽車充放電技術(shù)主要有單向無序的VOG模式,單向有序的TC和V1G模式,雙向有序的V2G模式。

　　2.1單向無序電能供給

　　VOG(VehiclesPlug-inwithoutLogic/Control)是指把電動汽車作為普通用電設(shè)備,采用成熟的單向變流技術(shù),可以隨時接入電網(wǎng)立即充電的模式。VOG是目前電動汽車最常見的充電方式,例如高爾夫車、機(jī)場擺渡車等專用電動車,以及國內(nèi)外新建的一些公共充電設(shè)施,又如北京奧運會電動汽車充電站都采用這種充電方式。目前VOG存在的最大問題,是電動汽車充電作為大功率的、用電負(fù)荷無約束的使用,也就是說VOG充電的運行增加了電網(wǎng)調(diào)峰的難度。

　　2.2單向有序電能供給

　　TC(TimedCharging)模式,即時間控制模式,是一種單相有序電能供給的充電模式。采用這種模式電動汽車在給定的時段充電,通過控制開始充電時間,實現(xiàn)錯峰充電,避免在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時段充電,與此同時用戶還可以享受到谷電的優(yōu)惠。但是由于種種原因,目前的時間控制模式還不能完全根據(jù)電網(wǎng)峰谷狀態(tài)靈活地控制充電過程。這種模式的充電還是采用單向變流技術(shù),不需要與電網(wǎng)進(jìn)行實時通信,目前技術(shù)裝備已經(jīng)成熟,已進(jìn)入示范運行階段。

　　V1G(VehiclesPlug-inwithLogic/ControlRegulatedCharge)也是一種單相有序電能供給的充電模式。采用這種模式,電動汽車與電網(wǎng)進(jìn)行實時通信,充電受電網(wǎng)控制,可在電網(wǎng)允許時刻進(jìn)行充電,通過優(yōu)化充電安排提高電網(wǎng)效率。目前美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)發(fā)布了名為“SmartChargerController”的電動汽車用充電控制裝置,配備了近距離無線通信模塊,可接收來自電力企業(yè)的電費價格設(shè)定等信息,并與智能電網(wǎng)技術(shù)結(jié)合自動避開高峰時間充電。該裝置的ZigBee/IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)提交IEC,申請作為國際標(biāo)準(zhǔn),目前已經(jīng)作為美國智能電網(wǎng)1.0首批發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.3雙向有序電能的轉(zhuǎn)換

　　電動汽車采用單向技術(shù)充電只能從電網(wǎng)中得到電能不能將多余的電能反饋到電網(wǎng)中。采用雙向有序的電能轉(zhuǎn)換的充電模式,電動汽車車載電池可以作為一種移動儲能單元與電網(wǎng)進(jìn)行雙向電能轉(zhuǎn)換。家用汽車大部分時間處于停止?fàn)顟B(tài),如果接入電網(wǎng)的電動汽車數(shù)量足夠多時,就可以作為可移動的分布式儲能裝置用于削峰填谷、平衡負(fù)荷等,提高電網(wǎng)運行的效率,同時給電動汽車用戶帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益。

　　采用V2G(VehicleToGrid)模式,電動汽車與電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)通信,并受其控制,實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換(充、放電)。目前V2G相關(guān)研究及示范主要在美國進(jìn)行,其中美國特立華大學(xué)于2007年10月成功將一輛ACPropulsioneBox(ToyotaScion改裝車)接入電網(wǎng),并接受調(diào)度指令,車輛作為調(diào)頻、備用發(fā)電設(shè)備運行。據(jù)示范運行測算,每年每車可以為電力企業(yè)帶來約4000美元的效益。

　　上海市電力公司目前已建成了漕溪電動汽車充放電站與世博國家電網(wǎng)館充放電站兩座具有V2G功能的電動汽車充放電示范站。兩站各具有一臺30kW的直流V2G充放電機(jī),既可以作為常規(guī)充電機(jī)實現(xiàn)即時充電、預(yù)約充電等,還可以根據(jù)后臺管理系統(tǒng)接受電網(wǎng)的調(diào)度指令,動態(tài)調(diào)整工作狀態(tài)與功率,實現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)的雙向能量互動。目前V2G模式還處于試驗示范階段,還不具備商業(yè)化運行的市場環(huán)境。為此還需要先進(jìn)電網(wǎng)通信、調(diào)度、控制與保護(hù)技術(shù)配合,需要峰谷電價政策以及電動汽車接入電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻調(diào)整、需求響應(yīng)等有償服務(wù)政策的支持。