電動(dòng)汽車(chē)儲能及充放電相關(guān)技術(shù)介紹

我國的能源資源分布特點(diǎn)是煤多氣少油貧,石油資源嚴重依賴(lài)進(jìn)口, 如果不加控制到2030年中國需進(jìn)口石油可能達到8. 5 億t , 相當于目前全球出口總量的50%, 將給我國的能源安全埋下嚴重的隱患。交通是耗油大戶(hù), 根據預測2030年交通工具的用油將占總耗油量的55%以上, 因此車(chē)輛用能結構的變革勢在必行。隨著(zhù)化石能源的日益枯竭以及二氧化碳等溫室氣體排放帶來(lái)的氣候變暖的加劇,節能減排已經(jīng)成為全球的共識,我國“十二五” 規劃要求單位GDP的能耗要降低20% , 污染排放要降低10%。隨著(zhù)我國社會(huì )和經(jīng)濟的發(fā)展, 家用汽車(chē)將不斷普及,汽車(chē)的能耗和排放將不斷增加, 因此研制和推廣清潔高效的汽車(chē)動(dòng)力同樣勢在必行。電動(dòng)汽車(chē)可以不依賴(lài)石油資源,能源效率是傳統燃油汽車(chē)的1.5~ 2.0倍,與燃油汽車(chē)相比在全壽命周期可以減排20%的二氧化碳, 因此被認為是目前最有發(fā)展潛力的交通工具。我國已經(jīng)把發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)列入“十二五”規劃, 準備在今后的幾年內大規模發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)。

1 電動(dòng)汽車(chē)種類(lèi)

通常, 電動(dòng)汽車(chē)有純電動(dòng)汽車(chē)( Pure Electric Vehicle,PEV) 、混合動(dòng)力汽車(chē)(Hybrid Electric
Vehicle, HEV) 、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)( Fuel Cell Electric Vehicles, FCEV) 三種類(lèi)型, 近幾年混合動(dòng)力汽車(chē)中的外接充電式( Plug-In) 混合動(dòng)力汽車(chē)( Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV) 特別受到關(guān)注, 國內外專(zhuān)家認為, PHEV 有望在幾年后得到廣泛的推廣使用。

1. 1 純電動(dòng)汽車(chē)

純電動(dòng)汽車(chē)是指完全由動(dòng)力蓄電池提供電力驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē), 見(jiàn)圖1, 目前主要采用鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池作為驅動(dòng)力。

鉛酸電池是非常成熟的蓄電池,價(jià)格比較便宜, 雖然鉛酸電池的制造和廢棄存在著(zhù)重金屬污染的嚴重缺點(diǎn), 但是在近階段還是電動(dòng)汽車(chē)的重要驅動(dòng)電力。

鎳氫電池的比能量高、使用壽命長(cháng),但是鎳氫電池需要采用高價(jià)的鎳金屬(占成本的60%) ,因此制造成本較高, 大量推廣遇到很大困難。

鋰離子電池技術(shù)發(fā)展很快, 近10年來(lái)比能量已經(jīng)從100 Wh/ kg 增加到了180 Wh/ kg, 比功率可達2 kW/ kg, 循環(huán)壽命達1000次以上, 工作溫度范圍達- 40~ 55 ℃。近年由于磷酸鐵鋰離子電池的研發(fā)有重大突破, 又大大提高了電池的安全性, 因此目前已有許多發(fā)達國家將鋰離子電池作為電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池的主攻方向。我國擁有鋰資源優(yōu)勢, 2004 年鋰電池產(chǎn)量已占全球市場(chǎng)的37.1%, 預計到2015 年以后, 鋰離子電池的性?xún)r(jià)比有望達到可以和鉛酸電池競爭的水平, 而成為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的主要動(dòng)力電池。

根據能量轉換效率, 可以對純電動(dòng)汽車(chē)和燃油汽車(chē)的經(jīng)濟性進(jìn)行粗略的比較。假設電池最高可充電荷電狀態(tài)( State Of Charge, SOC)為0.9,放電SOC 為0.2, 即實(shí)際可用的電池容量?jì)H占總容量的70% ; 由電網(wǎng)供電價(jià)為0. 5元/ kWh, 電池的平均充放電效率為0. 75。粗略計算, 鉛酸電池每提供1 kWh 電能, 價(jià)格為3. 05元左右(其中2.38元為電池折舊費, 0.67 元為電網(wǎng)供電費) ,鎳氫電池每提供1 kWh 電能, 費用為9.6元, 鋰離子電池為10.2元。

1. 2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)具備兩個(gè)以上動(dòng)力源, 其中有一個(gè)可以釋放電能, 見(jiàn)圖2。

混合動(dòng)力汽車(chē)按混合方式不同,可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種; 按混合度( 電機功率與內燃機功率之比) 的不同, 又可分為微混合、輕度混合和全混合三種。其中外掛式皮帶驅動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電( BSG) 式是微混合動(dòng)力汽車(chē)的典型結構, 所用的電機功率一般僅2~ 3 kW, 具有發(fā)動(dòng)機的停車(chē)斷油功能, 可節燃油5% ~ 7% 。輕度混合動(dòng)力汽車(chē)的典型結構, 在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機曲軸后端加裝一個(gè)電動(dòng)/發(fā)電型盤(pán)式電機( ISG) 。全混合或混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)采用純電力驅動(dòng)功能,豐田公司的Prius轎車(chē)即屬于這類(lèi)全混合汽車(chē)。目前我國研制的混合動(dòng)力汽車(chē), 大多采用ISG輕度混合或BSG微混合方案, 主要是考慮這兩種方案的技術(shù)難度較小, 生產(chǎn)成本也較低。但是根據研究表明,混合動(dòng)力汽車(chē)的節油率幾乎與汽車(chē)功率的混合度成正比, 因此從長(cháng)遠來(lái)看和推廣發(fā)展全混合電動(dòng)汽車(chē)是一種必然趨勢。日本豐田公司在1997年率先向市場(chǎng)推出先驅者(Prius) 混合動(dòng)力汽車(chē),并在日本、美國和歐洲各國市場(chǎng)上均獲得較大成功, 累計產(chǎn)銷(xiāo)量已超過(guò)60萬(wàn)輛。隨后日本本田、美國福特、通用和歐洲一些大公司, 也紛紛向市場(chǎng)推出各種類(lèi)型的混合動(dòng)力汽車(chē)。

外接充電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV) 作為最新一代的混合動(dòng)力汽車(chē)類(lèi)型, 近年來(lái)受到各國政府、汽車(chē)企業(yè)和研究機構的普遍關(guān)注。PHEV在混合動(dòng)力汽車(chē)中采用大容量的動(dòng)力電池, 電池容量一般為5~ 10 kWh, 約是純電動(dòng)汽車(chē)電池容量的30% ~ 50%, 是一般混合動(dòng)力汽車(chē)電池容量的3~ 5倍, 因此可以說(shuō)是一種介于混合動(dòng)力汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)之間的過(guò)渡性產(chǎn)品。與傳統的內燃機汽車(chē)和一般混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV) 相比, PHEV更多依賴(lài)動(dòng)力電池驅動(dòng)汽車(chē), 通?？梢员ＷC車(chē)輛采用純電動(dòng)驅動(dòng)行駛50~ 90km, 只有當汽車(chē)超過(guò)這一里程后才需要啟動(dòng)內燃機。因此它的燃油經(jīng)濟性進(jìn)一步提高, 二氧化碳和氮氧化物排放更少。

據統計: 法國城鎮居民的用車(chē), 80% 的日均駕車(chē)里程少于50 km; 在美國, 汽車(chē)駕駛者的用車(chē)也有60%以上日均行駛里程少于50km, 80%以上日均行駛里程少于90 km。因此PHEV 有很好的適用性, 特別適合于一周5天駕車(chē)上下班, 行駛里程50~ 90 km 之間的工薪族使用。

1. 3 燃料電池電動(dòng)汽車(chē)

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)采用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 作為發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)電源, 典型結構見(jiàn)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(shuō)對環(huán)境零污染。PEMFC能量轉換效率高達60%~70%, 而且運行在無(wú)機械振動(dòng)、低噪聲、低熱輻射。作為氫燃料電池燃料, 氫的熱值高, 1 kg氫和3. 8 L汽油的熱值相當。在我國, 國家科技部將研發(fā)燃料電池客車(chē)和燃料電池轎車(chē)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(wèn)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1000~1200 h(國外2200h) ; 燃料電池汽車(chē)行駛4~5萬(wàn)km后驅動(dòng)功率會(huì )下降約40%, 相比之下, 傳統的內燃機汽車(chē)一般可以行駛50萬(wàn)km, 差距很大。

其次, 燃料電池發(fā)動(dòng)機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(jià)格很高。目前我國的燃料電池發(fā)動(dòng)機制造成本約3萬(wàn)元/ kW(國外成本為3000美元/kW) , 與傳統內燃機僅200~350元/ kW 的制造成本相比差距巨大。燃料電池汽車(chē)的使用成本也過(guò)于高昂,例如燃用的高純度( 99. 999% ) 高壓( 超過(guò)20MPa, )氫, 目前的售價(jià)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(dòng)機的運行動(dòng)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(chē)的動(dòng)力總成本將達40元/kWh。

再次, PEMFC 對工作環(huán)境的適應性很差。國產(chǎn)PEMFC可在0~ 40℃氣溫下工作, 低于0℃有結冰問(wèn)題, 高于40℃過(guò)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(wèn)題, 但是燃料電池汽車(chē)目前仍然是最清潔的并且最有發(fā)展前景的新能源汽車(chē)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(chē)就完全有可能推廣。

2 電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)

隨著(zhù)配電網(wǎng)智能化水平的提高和需求側管理技術(shù)的進(jìn)步, 未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載電池可能作為智能電網(wǎng)中的移動(dòng)儲能單元。車(chē)電互聯(lián)(V2G) 就是指電動(dòng)車(chē)輛作為移動(dòng)儲能單元接入電網(wǎng), 在受控狀態(tài)下實(shí)現與電網(wǎng)之間的信息與能量雙向互動(dòng), 電動(dòng)汽車(chē)充放電站建設是智能電網(wǎng)用電環(huán)節的重要內容。汽車(chē)平均每天僅行駛1 h, 95%的時(shí)間處于停駛狀態(tài); 接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)數量足夠多時(shí), 作為可移動(dòng)的分布式儲能裝置可以有效地用于削峰填谷、平衡負荷等。特別是在將來(lái)可能形成的可再生能源發(fā)電比例較高的微電網(wǎng)系統中, 通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的合理充放電, 可以有效平衡可再生能源波動(dòng)性, 幫助電網(wǎng)有效接納可再生能源發(fā)電。

目前電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)主要有單向無(wú)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(wú)序電能供給

VOG(Vehicles Plug-in without Logic/ Control) 是指把電動(dòng)汽車(chē)作為普通用電設備, 采用成熟的單向變流技術(shù), 可以隨時(shí)接入電網(wǎng)立即充電的模式。VOG 是目前電動(dòng)汽車(chē)最常見(jiàn)的充電方式, 例如高爾夫車(chē)、機場(chǎng)擺渡車(chē)等專(zhuān)用電動(dòng)車(chē), 以及國內外新建的一些公共充電設施, 又如北京奧運會(huì )電動(dòng)汽車(chē)充電站都采用這種充電方式。目前VOG 存在的最大問(wèn)題, 是電動(dòng)汽車(chē)充電作為大功率的、用電負荷無(wú)約束的使用, 也就是說(shuō)VOG充電的運行增加了電網(wǎng)調峰的難度。

2. 2 單向有序電能供給

TC(Timed Charging ) 模式, 即時(shí)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(dòng)汽車(chē)在給定的時(shí)段充電, 通過(guò)控制開(kāi)始充電時(shí)間, 實(shí)現錯峰充電, 避免在電網(wǎng)負荷高峰時(shí)段充電, 與此同時(shí)用戶(hù)還可以享受到谷電的優(yōu)惠。但是由于種種原因, 目前的時(shí)間控制模式還不能完全根據電網(wǎng)峰谷狀態(tài)靈活地控制充電過(guò)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(shí)時(shí)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 ( Vehicles Plug-in with Logic/ Control Regulated Charge) 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(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信, 充電受電網(wǎng)控制, 可在電網(wǎng)允許時(shí)刻進(jìn)行充電, 通過(guò)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(shí)驗室( PNNL) 發(fā)布了名為“Smart Charger Controller”的電動(dòng)汽車(chē)用充電控制裝置, 配備了近距離無(wú)線(xiàn)通信模塊, 可接收來(lái)自電力企業(yè)的電費價(jià)格設定等信息, 并與智能電網(wǎng)技術(shù)結合自動(dòng)避開(kāi)高峰時(shí)間充電。該裝置的ZigBee/IEEE 802. 15標準己經(jīng)提交IEC,申請作為國際標準, 目前已經(jīng)作為美國智能電網(wǎng)1. 0 首批發(fā)布的標準。

2. 3 雙向有序電能的轉換

電動(dòng)汽車(chē)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換的充電模式, 電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池可以作為一種移動(dòng)儲能單元與電網(wǎng)進(jìn)行雙向電能轉換。家用汽車(chē)大部分時(shí)間處于停止狀態(tài), 如果接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)數量足夠多時(shí), 就可以作為可移動(dòng)的分布式儲能裝置用于削峰填谷、平衡負荷等, 提高電網(wǎng)運行的效率, 同時(shí)給電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)帶來(lái)直接的經(jīng)濟效益。

采用V2G(Vehicle To Grid)模式, 電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的能量管理系統通信, 并受其控制, 實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的能量轉換(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AC Propulsion eBox ( Toyota Scion改裝車(chē)) 接入電網(wǎng), 并接受調度指令, 車(chē)輛作為調頻、備用發(fā)電設備運行。據示范運行測算, 每年每車(chē)可以為電力企業(yè)帶來(lái)約4000美元的效益。

上海市電力公司目前已建成了漕溪電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)充放電示范站。兩站各具有一臺30 kW 的直流V2G 充放電機, 既可以作為常規充電機實(shí)現即時(shí)充電、預約充電等, 還可以根據后臺管理系統接受電網(wǎng)的調度指令,動(dòng)態(tài)調整工作狀態(tài)與功率, 實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的雙向能量互動(dòng)。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(chǎng)環(huán)境。為此還需要先進(jìn)電網(wǎng)通信、調度、控制與保護技術(shù)配合, 需要峰谷電價(jià)政策以及電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)提供調峰調頻調整、需求響應等有償服務(wù)政策的支持。