電動(dòng)汽車儲(chǔ)電站儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化設(shè)計(jì)

山東市萊蕪市第一中學(xué) 陶春昊

電動(dòng)汽車儲(chǔ)電站儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化設(shè)計(jì)

山東市萊蕪市第一中學(xué) 陶春昊

21世紀(jì)以來，燃油汽車數(shù)量急劇增長，能源消耗加劇，石油消耗量中汽車燃料消耗所占比重越來越大，目前已居于首位，嚴(yán)重的環(huán)境污染隨之產(chǎn)生。因此，電動(dòng)汽車開始被人們關(guān)注，一些公司開始批量生產(chǎn)電動(dòng)汽車，其自上市伊始便受到廣泛歡迎，電動(dòng)汽車有朝一日將取代燃油汽車。但是，電動(dòng)汽車也存在弊端。為了分析和研究如何使充電站更加經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，論文對(duì)電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化進(jìn)行研究，研究結(jié)果對(duì)電動(dòng)汽車充電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

電動(dòng)汽車；容量優(yōu)化

1.研究背景及意義

由于近年來汽車數(shù)量的急劇增加，能源消耗和對(duì)環(huán)境污染的問題也成為不可忽視的重要問題。在全球汽車燃油消耗占石油消耗量的比重日益增長，在2015年這一比重達(dá)到了70.5%，然而全球的石油資源按目前趨勢將在100年內(nèi)消耗殆盡。所以傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)必須進(jìn)行改型尋求可替代石油資源的新型能源以支持產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。以電能作為能源的電動(dòng)汽車，因?yàn)榫哂袩o污染、高效節(jié)能、無噪聲等特點(diǎn)，快速地得到了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和各個(gè)國家的青睞與認(rèn)同。

為使電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)電站的運(yùn)行成本降低，對(duì)資源更好地利用，我們有必要對(duì)電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)電站電池容量優(yōu)化進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.電動(dòng)汽車儲(chǔ)電站儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化方案

（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化原理

容量優(yōu)化的目的是使電動(dòng)汽車儲(chǔ)電站能更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，所以我們將電動(dòng)汽車儲(chǔ)電站成本作為優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的指標(biāo)。通過查閱資料，我們了解到儲(chǔ)能元件的壽命是電動(dòng)汽車儲(chǔ)電站的成本的影響因素，而儲(chǔ)能元件的使用壽命是受儲(chǔ)能元件的日充放電次數(shù)決定的。

所以我們由此來構(gòu)建電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)電站的數(shù)學(xué)模型如式所示：

由于儲(chǔ)能元件的壽命是由儲(chǔ)能元件的充放電次數(shù)和充放電深度決定，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電深度的定義是放電容量比上儲(chǔ)能元件的總?cè)萘俊１疚膮⒖济绹鳷ROJAN公司IND29-4V/7.64kWh深循環(huán)電池參數(shù)計(jì)算儲(chǔ)能電池的壽命，該電池的充放電深度與在該充放電深度下可允許的循環(huán)次數(shù)如圖1所示：

圖1 儲(chǔ)能電池循環(huán)次數(shù)與放電深度關(guān)系圖

由圖1可知儲(chǔ)能電池的可允許循環(huán)次數(shù)隨充放電深度的增加而減少，而且具有雙曲線的特性。本文根據(jù)《鉛蓄電池使用壽命與放電深度和充電條件的關(guān)系》一文中提出的經(jīng)驗(yàn)公式來解該曲線的數(shù)學(xué)模型。該經(jīng)驗(yàn)公式如下式：

式2中x為放電深度取值范圍（0,1），x1為過充電深度，k為過充電損耗常數(shù)，N為儲(chǔ)能元件的充放電循環(huán)常數(shù)。由于本文的研究中并沒有涉及過充電，所以可以設(shè)x1=0。所以可以得到只和放電深度有關(guān)的數(shù)學(xué)模型：

利用上述充放電壽命與放電深度的數(shù)學(xué)模型，我們就可以進(jìn)一步將儲(chǔ)能元件每天的不同放電深度下的放電次數(shù)等效到完全充放電條件下的放電次數(shù)。

（2）實(shí)例分析

本文對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化案例分析，利用的重慶市渝北區(qū)空港電動(dòng)汽車充電站數(shù)據(jù)。由文獻(xiàn)可知額定功率的儲(chǔ)能元件年維護(hù)費(fèi)用為55.78元/kw.h，額定功率的儲(chǔ)能元件價(jià)格為2640元/kw.h，額定容量的儲(chǔ)能元件單位價(jià)格為619.8元／kw·h，儲(chǔ)能電站的運(yùn)行年限為15年。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝置維護(hù)和更換成本并不是單純地隨低通濾波器截止頻率降低而降低的，也不隨儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的增加而單調(diào)減小。這說明對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)存在最佳的容量大小確保儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)電站負(fù)荷功率波動(dòng)的平抑效果，又使得電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)電站的投資成本最小。如當(dāng)?shù)屯V波器截止頻率取1/（6h）時(shí)，儲(chǔ)能容量為72.09Mwh的儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能元件維護(hù)、更換成本為4.4億元每年。小于截止頻率為1/（30min）、1/（1h）、1/（3h）和1/（12h）時(shí)容量分別為7.52Mwh、28.15Mwh、38.68Mwh和132.24Mwh的儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本。導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的原因是當(dāng)容量配置較小如截止頻率為1/（30min）容量配置為7.52Mwh時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件過于頻繁的充放電使儲(chǔ)能元件的壽命大大的降低壽命僅為19.13天，每年為維護(hù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行就必須更換較多的儲(chǔ)能電池。儲(chǔ)能元件的更換成本占去了電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)電站的大部分投資。然而當(dāng)截止頻率為1/（12h）容量配置為132.24Mwh時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件的每天充放電次數(shù)降低使儲(chǔ)能電池壽命延長的同時(shí)，由于儲(chǔ)能電池容量較大，需要為其增大維護(hù)費(fèi)用，而且單次更換儲(chǔ)能電池的成本也提升了。如當(dāng)截止頻率為1/（6h）容量配置為72.09Mwh時(shí)，儲(chǔ)能元件的壽命是152.79天，單次儲(chǔ)能電池更換成本1.75億元，每年維護(hù)成本275.56萬元，而當(dāng)截止頻率為1/（12h）容量配置為132.24Mwh時(shí)，儲(chǔ)能元件的壽命是193.18天，單次儲(chǔ)能元件更換成本為2.61億元，維護(hù)成本378.43萬元。當(dāng)壽命增加為1.26倍時(shí)，儲(chǔ)能元件單次更換成本增加為1.49倍，每年維護(hù)增加為1.37倍。明顯的如此增加儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能電池容量的性價(jià)比降低了。

對(duì)濾波周期從1h到12h每隔0.5h間隔取值得出儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置更新、維護(hù)成本，對(duì)于空港電動(dòng)汽車充電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)低通濾波器截止頻率取1/（6.5h），儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為77.2MW·h時(shí)。電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置更新、維護(hù)投資成本最低為2.68億。

3.總結(jié)與展望

隨著石油資源的日益枯竭和環(huán)境的逐漸惡化，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型成為必然的趨勢，而具有零排放、高效節(jié)能、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)的電動(dòng)汽車就具有了廣闊的前景。本文對(duì)電動(dòng)汽車儲(chǔ)能容量優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，并基本完成了預(yù)期的目標(biāo)，得到了電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化方案。

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，世界日新月異。電動(dòng)汽車替代了燃油汽車之后，人們或許會(huì)對(duì)汽車提出更高的要求，以求更加節(jié)能與環(huán)保。試想，能否做到汽車自身發(fā)電從而跳過容量優(yōu)化？能否利用車外殼收集風(fēng)能再轉(zhuǎn)化為電能？能否找尋一種新型能源，在無污染的同時(shí)給予汽車更充足的動(dòng)力？盡管現(xiàn)在這些都還只是設(shè)想，但不久的將來，新型汽車走進(jìn)千家萬戶，或許真的會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

[1]辛華．低碳經(jīng)濟(jì)與電動(dòng)汽車發(fā)展:趨勢與對(duì)策[J]．開放導(dǎo)報(bào),2009,10:12-16．

[2]來小康．智能電網(wǎng):電動(dòng)汽車發(fā)展的支撐[J]．國家電網(wǎng)報(bào),2010,7:34-36．

[3]唐現(xiàn)剛,劉俊勇,劉友波等．基于計(jì)算幾何方法的電動(dòng)汽車充電站規(guī)劃[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(8):24-30．

[4]羅卓偉,胡澤春,宋永華等．大規(guī)模電動(dòng)汽車充放電優(yōu)化控制及容量效益分析[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(10):19-26．