光電儲(chǔ)能系統(tǒng)如何幫助電動(dòng)車實(shí)現(xiàn)快充

汽車市場(chǎng)正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革，隨著電動(dòng)汽車(EV)采用率的迅速增加，銷售預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)也在不斷上調(diào)。電動(dòng)汽車雖然只占整個(gè)市場(chǎng)的一小部分，但據(jù)預(yù)測(cè)，2025年售出的電動(dòng)汽車將達(dá)到1000萬輛，到2050年，所有售出的汽車中超過50%是電動(dòng)汽車。大多數(shù)車輛將在車道上停放過夜時(shí)通過連接壁掛式充電盒緩慢充電。有些車輛將在街頭充電點(diǎn)更快地充電，而未來的加油站將有可能實(shí)現(xiàn)超快充電。

多個(gè)充電點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的峰值需求將非常大，如果不對(duì)輸電線路和發(fā)電廠進(jìn)行大規(guī)模投資，以提供解決這需求的能力，當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)崩潰可能會(huì)成為普遍現(xiàn)象。

本文談及電動(dòng)汽車充電的現(xiàn)狀，并考慮了它在不遠(yuǎn)的將來可能產(chǎn)生的電力需求水平。然后，考慮如何以實(shí)用、可持續(xù)和商業(yè)上可行的方式滿足這種需求。

電動(dòng)汽車充電現(xiàn)狀

目前公共和私人設(shè)施中使用的交流充電基礎(chǔ)設(shè)施所提供的功率各不相同。1級(jí)交流充電樁在120伏電壓下運(yùn)行(提供最大2千瓦功率)，而2級(jí)充電樁在240伏電壓下運(yùn)行，提供高達(dá)20千瓦的功率。在這兩種情況下，AC-DC轉(zhuǎn)換是在車載充電機(jī)中進(jìn)行的，而不是在壁掛式充電盒中(主要是執(zhí)行保護(hù)和計(jì)量功能)進(jìn)行。

由于成本、尺寸和重量的限制，車載充電機(jī)的額定功率通常低于20千瓦。另外，如果使用直流充電(而不是交流)，可以在更高的功率水平上進(jìn)行充電。3級(jí)直流充電樁的額定電壓為450 V(提供最大150 kW功率)，而最近的超級(jí)充電器的額定電壓則高達(dá)800 V(提供最大350 kW功率)。

出于安全考慮，當(dāng)充電插頭連接到車輛時(shí)，最高電壓被限制在1000 V以內(nèi)。在直流充電中，電力轉(zhuǎn)換是在充電樁中進(jìn)行，充電樁直接連接到汽車電池，這使車輛省去了車載充電機(jī)，因而更輕，并有更多的可用空間。

未來的需求

隨著更多的電動(dòng)汽車上路，駕駛員期望能在更短的時(shí)間內(nèi)為他們的汽車充電?？紤]以下的充電場(chǎng)景，這很可能在不到10年的時(shí)間里成為現(xiàn)實(shí)。一個(gè)路邊充電站有五個(gè)直流充電樁，當(dāng)五輛汽車同時(shí)停下來，在每個(gè)充電樁上充電。如果每輛汽車配置一個(gè)100千瓦時(shí)的電池已經(jīng)充了25%的電，駕駛員希望在15分鐘內(nèi)充滿到75%的電量，那么需要從電網(wǎng)輸送到充電站的總電量是:

5x(75%-25%)x100 kWh/0.25 h=1 MW

為充電站供電的電網(wǎng)需要有能力管理這些間歇性的1 MW峰值。這對(duì)電力輸送基礎(chǔ)設(shè)施有若干影響。將需要高效和復(fù)雜的有源功率因數(shù)校正(PFC)段，以確保電網(wǎng)的頻率不受影響，并保持穩(wěn)定和高效。還需要昂貴的變壓器，以連接低壓充電站和高壓電網(wǎng)，從發(fā)電廠到充電站輸送電力的電纜需要適當(dāng)?shù)某叽?，以處理正在輸送的電流水平。?duì)于配備有較高容量電池的車輛，峰值電力需求將更大。

太陽(yáng)能填補(bǔ)缺口

利用當(dāng)?shù)乜稍偕Y源如太陽(yáng)能或風(fēng)能產(chǎn)生的電力是個(gè)更簡(jiǎn)單和更經(jīng)濟(jì)的解決方案，無需安裝新的輸電線路和大型變壓器。就其性質(zhì)而言，這些能源也是間歇性的，但如果精心管理，可以用來滿足電動(dòng)車充電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的間歇性需求。

在過去十年中，太陽(yáng)能光伏技術(shù)的價(jià)格已下降了近80%，這有助于可再生能源系統(tǒng)的持續(xù)增長(zhǎng)，而這又正是由減少碳排放的要求所推動(dòng)的。今天，全球發(fā)電量中，太陽(yáng)能發(fā)電占比不到5%，但預(yù)計(jì)到2050年將增長(zhǎng)到三分之一以上。

太陽(yáng)能發(fā)電的增長(zhǎng)將影響到發(fā)電和用電方式——將需要對(duì)發(fā)電站進(jìn)行管理，確保電網(wǎng)不過度供電，人們將越來越多地消費(fèi)安裝在自己家里的住宅太陽(yáng)能系統(tǒng)所生產(chǎn)的電力。這將要求仔細(xì)平衡集中式主電源的供電和本地可再生能源的發(fā)電，以及客戶多變的需求。對(duì)于我們的充電站例子，將其直接連接到由太陽(yáng)能光伏裝置供電的子電網(wǎng)，其供電能力為500千瓦，電網(wǎng)只需提供500千瓦。

儲(chǔ)能解決方案

使用光伏裝置的電力意味著最快的充電速度只能在白天太陽(yáng)最亮的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)，這是個(gè)不可持續(xù)的提案。

一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的解決方案可以通過使用儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)來實(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)相當(dāng)于天然氣或石油儲(chǔ)罐，可用于多種用途(家庭和工業(yè))。在家庭應(yīng)用中，將光伏逆變器連接到儲(chǔ)能電池，在白天由太陽(yáng)能充電，然后在夜間可以為電動(dòng)車充電，這很容易實(shí)現(xiàn)。

在工業(yè)環(huán)境中，ESS裝置可用于不同的目的——調(diào)節(jié)來自光伏和其他可再生資源的電力，或?yàn)楹趩?dòng)提供后備支持，省去柴油發(fā)電機(jī)。使用ESS也有經(jīng)濟(jì)意義，因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)電動(dòng)車更快充電的需求在增長(zhǎng)，而ESS支持在更長(zhǎng)的時(shí)間范圍對(duì)現(xiàn)有的輸電線路逐步升級(jí)或替換。

這些系統(tǒng)的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從現(xiàn)在的20 GWh快速增長(zhǎng)到2050年超過2000 GWh。對(duì)干我們的充電站，ESS的行為就像一個(gè)大電池，能夠儲(chǔ)存并根據(jù)需要從太陽(yáng)能裝置(或其他可再生資源)向充電樁輸送能量，任何多余的能量將被輸送到電網(wǎng)。應(yīng)選用適當(dāng)尺寸的ESS，以在峰值電力需求和儲(chǔ)能能力之間取得最佳平衡(其比率主要取決于當(dāng)?shù)乜捎玫陌l(fā)電量(太陽(yáng)能、風(fēng)能或其他)、充電樁的數(shù)量以及當(dāng)?shù)剡B接的其他負(fù)載。

隨著電動(dòng)汽車銷量的增加，駕駛員將期望能在更短的時(shí)間內(nèi)為他們的汽車充電，這意味著對(duì)電動(dòng)汽車快速充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求將迅速增長(zhǎng)。一個(gè)快速分析表明，現(xiàn)有電網(wǎng)的設(shè)計(jì)不能應(yīng)對(duì)由此產(chǎn)生的間歇性峰值需求。使用太陽(yáng)能光伏裝置結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可能是現(xiàn)實(shí)的和商業(yè)上可行的替代方案，否則可能需要對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行全面改造。