電動汽車儲能及充放電相關技術

　　燃料電池電動汽車采用質子交換膜燃料電池(PEMFC)作為發動機驅動電源,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,1kg氫和3.8L汽油的熱值相當。在我國,國家科技部將研發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后驅動功率會下降約40%,相比之下,傳統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動機制造成本約3萬元/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10kWh電能計算,僅燃料費即約為10元/kWh。燃料電池發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對工作環境的適應性很差。國產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中的移動儲能單元。車電互聯(V2G)就是指電動車輛作為移動儲能單元接入電網,在受控狀態下實現與電網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用電環節的重要內容。汽車平均每天僅行駛1h,95%的時間處于停駛狀態;接入電網的電動汽車數量足夠多時,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電比例較高的微電網系統中,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,幫助電網有效接納可再生能源發電。

　　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(VehiclesPlug-inwithoutLogic/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調峰的難度。

　　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,實現錯峰充電,避免在電網負荷高峰時段充電,與此同時用戶還可以享受到谷電的優惠。但是由于種種原因,目前的時間控制模式還不能完全根據電網峰谷狀態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,不需要與電網進行實時通信,目前技術裝備已經成熟,已進入示范運行階段。

　　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,電動汽車與電網進行實時通信,充電受電網控制,可在電網允許時刻進行充電,通過優化充電安排提高電網效率。目前美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)發布了名為“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的電費價格設定等信息,并與智能電網技術結合自動避開高峰時間充電。該裝置的ZigBee/IEEE802.15標準己經提交IEC,申請作為國際標準,目前已經作為美國智能電網1.0首批發布的標準。

　　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中得到電能不能將多余的電能反饋到電網中。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進行雙向電能轉換。家用汽車大部分時間處于停止狀態,如果接入電網的電動汽車數量足夠多時,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,提高電網運行的效率,同時給電動汽車用戶帶來直接的經濟效益。

　　采用V2G(VehicleToGrid)模式,電動汽車與電網的能量管理系統通信,并受其控制,實現電動汽車與電網的能量轉換(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ACPropulsioneBox(ToyotaScion改裝車)接入電網,并接受調度指令,車輛作為調頻、備用發電設備運行。據示范運行測算,每年每車可以為電力企業帶來約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,既可以作為常規充電機實現即時充電、預約充電等,還可以根據后臺管理系統接受電網的調度指令,動態調整工作狀態與功率,實現電動汽車與電網的雙向能量互動。目前V2G模式還處于試驗示范階段,還不具備商業化運行的市場環境。為此還需要先進電網通信、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提供調峰調頻調整、需求響應等有償服務政策的支持。