電動汽車儲能及充放電相關技術介紹

我國的能源資源分布特點是煤多氣少油貧,石油資源嚴重依賴進口, 如果不加控制到2030年中國需進口石油可能達到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, 根據(jù)預測2030年交通工具的用油將占總耗油量的55%以上, 因此車輛用能結構的變革勢在必行。隨著化石能源的日益枯竭以及二氧化碳等溫室氣體排放帶來的氣候變暖的加劇,節(jié)能減排已經(jīng)成為全球的共識,我國“十二五” 規(guī)劃要求單位GDP的能耗要降低20% , 污染排放要降低10%。隨著我國社會和經(jīng)濟的發(fā)展, 家用汽車將不斷普及,汽車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動力同樣勢在必行。電動汽車可以不依賴石油資源,能源效率是傳統(tǒng)燃油汽車的1.5~ 2.0倍,與燃油汽車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?jié)摿Φ慕煌üぞ?。我國已?jīng)把發(fā)展電動汽車列入“十二五”規(guī)劃, 準備在今后的幾年內大規(guī)模發(fā)展電動汽車。

1 電動汽車種類

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

1. 1 純電動汽車

純電動汽車是指完全由動力蓄電池提供電力驅動的電動汽車, 見圖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力。

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

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

鋰離子電池技術發(fā)展很快, 近10年來比能量已經(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汽車用動力電池的主攻方向。我國擁有鋰資源優(yōu)勢, 2004 年鋰電池產(chǎn)量已占全球市場的37.1%, 預計到2015 年以后, 鋰離子電池的性價比有望達到可以和鉛酸電池競爭的水平, 而成為未來電動汽車的主要動力電池。

根據(jù)能量轉換效率, 可以對純電動汽車和燃油汽車的經(jīng)濟性進行粗略的比較。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, 即實際可用的電池容量僅占總容量的70% ; 由電網(wǎng)供電價為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 混合動力電動汽車

混合動力電動汽車具備兩個以上動力源, 其中有一個可以釋放電能, 見圖2。

混合動力汽車按混合方式不同,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啟動/發(fā)電( BSG) 式是微混合動力汽車的典型結構, 所用的電機功率一般僅2~ 3 kW, 具有發(fā)動機的停車斷油功能, 可節(jié)燃油5% ~ 7% 。輕度混合動力汽車的典型結構, 在汽車發(fā)動機曲軸后端加裝一個電動/發(fā)電型盤式電機( ISG) 。全混合或混聯(lián)式混合動力汽車采用純電力驅動功能,豐田公司的Prius轎車即屬于這類全混合汽車。目前我國研制的混合動力汽車, 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難度較小, 生產(chǎn)成本也較低。但是根據(jù)研究表明,混合動力汽車的節(jié)油率幾乎與汽車功率的混合度成正比, 因此從長遠來看和推廣發(fā)展全混合電動汽車是一種必然趨勢。日本豐田公司在1997年率先向市場推出先驅者(Prius) 混合動力汽車,并在日本、美國和歐洲各國市場上均獲得較大成功, 累計產(chǎn)銷量已超過60萬輛。隨后日本本田、美國福特、通用和歐洲一些大公司, 也紛紛向市場推出各種類型的混合動力汽車。

外接充電式混合動力汽車(PHEV) 作為最新一代的混合動力汽車類型, 近年來受到各國政府、汽車企業(yè)和研究機構的普遍關注。PHEV在混合動力汽車中采用大容量的動力電池, 電池容量一般為5~ 10 kWh, 約是純電動汽車電池容量的30% ~ 50%, 是一般混合動力汽車電池容量的3~ 5倍, 因此可以說是一種介于混合動力汽車與純電動汽車之間的過渡性產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的內燃機汽車和一般混合動力汽車(HEV) 相比, PHEV更多依賴動力電池驅動汽車, 通?？梢员ＷC車輛采用純電動驅動行駛50~ 90km, 只有當汽車超過這一里程后才需要啟動內燃機。因此它的燃油經(jīng)濟性進一步提高, 二氧化碳和氮氧化物排放更少。

據(jù)統(tǒng)計: 法國城鎮(zhèn)居民的用車, 80% 的日均駕車里程少于50 km; 在美國, 汽車駕駛者的用車也有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 燃料電池電動汽車

燃料電池電動汽車采用質子交換膜燃料電池(PEMFC) 作為發(fā)動機驅動電源, 典型結構見圖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能量轉換效率高達60%~70%, 而且運行在無機械振動、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1000~1200 h(國外2200h) ; 燃料電池汽車行駛4~5萬km后驅動功率會下降約40%, 相比之下, 傳統(tǒng)的內燃機汽車一般可以行駛50萬km, 差距很大。

其次, 燃料電池發(fā)動機的制造和運行成本居高不下, 特別是目前我國PEMFC技術相對落后,所需要的關鍵材料和關鍵部件如質子交換膜、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口,價格很高。目前我國的燃料電池發(fā)動機制造成本約3萬元/ kW(國外成本為3000美元/kW) , 與傳統(tǒng)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, 只要技術上有進一步突破, 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

隨著配電網(wǎng)智能化水平的提高和需求側管理技術的進步, 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是智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要內容。汽車平均每天僅行駛1 h, 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(Vehicles Plug-in without Logic/ Control) 是指把電動汽車作為普通用電設備, 采用成熟的單向變流技術, 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、機場擺渡車等專用電動車, 以及國內外新建的一些公共充電設施, 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、用電負荷無約束的使用, 也就是說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, 不需要與電網(wǎng)進行實時通信, 目前技術裝備已經(jīng)成熟, 已進入示范運行階段。

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, 電動汽車與電網(wǎng)進行實時通信, 充電受電網(wǎng)控制, 可在電網(wǎng)允許時刻進行充電, 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“Smart Charger Controller”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)的電費價格設定等信息, 并與智能電網(wǎng)技術結合自動避開高峰時間充電。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

電動汽車采用單向技術充電只能從電網(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, 電動汽車車載電池可以作為一種移動儲能單元與電網(wǎng)進行雙向電能轉換。家用汽車大部分時間處于停止狀態(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)濟效益。

采用V2G(Vehicle To Grid)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)的能量轉換(充、放電) 。目前V2G相關研究及示范主要在美國進行, 其中美國特立華大學于2007 年10月成功將一輛AC Propulsion eBox ( Toyota Scion改裝車) 接入電網(wǎng), 并接受調度指令, 車輛作為調頻、備用發(fā)電設備運行。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30 kW 的直流V2G 充放電機, 既可以作為常規(guī)充電機實現(xiàn)即時充電、預約充電等, 還可以根據(jù)后臺管理系統(tǒng)接受電網(wǎng)的調度指令,動態(tài)調整工作狀態(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。為此還需要先進電網(wǎng)通信、調度、控制與保護技術配合, 需要峰谷電價政策以及電動汽車接入電網(wǎng)提供調峰調頻調整、需求響應等有償服務政策的支持。