構建與電網(wǎng)友好的動力電池充電系統(tǒng)

劉紹允 成珂 柴隆謨

摘要：隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，動力電池的充電與電網(wǎng)密切相關，利用電網(wǎng)低谷電充電對促進電動汽車的發(fā)展對電網(wǎng)平穩(wěn)運行和節(jié)約能源有著重大義意。本文名稱縮寫為DHX充電系統(tǒng)。

關鍵詞：電動汽車;動力電池;儲能;充電站;換電站;削峰填谷;平衡負荷

一、關于電網(wǎng)

近年來，世界各國大力發(fā)展清潔能源，開展了大規(guī)模光能、風能等間歇性新能源并網(wǎng)，加之我國電力系統(tǒng)結構的復雜和多樣性，造成電網(wǎng)始終存在時空上分布不平衡問題，和晝夜供需失衡問題。要使電網(wǎng)平穩(wěn)運行就要采取儲能的方式，緩解電力供需失衡。當前，大體量直接儲電還無法實現(xiàn)，主要以間接的方式平衡電網(wǎng)運行。目前，有兩種有效方法即抽水儲能和壓縮空氣儲能。蓄水抽能是成熟的技術已廣泛推廣應用。

位于陜西省鎮(zhèn)安抽水儲能電站裝機容量為140萬千瓦，投資88.5億元人民幣，從2016年5月開始建設，到2023年歷時7年才能運行，據(jù)報導，運行后平均日發(fā)電600萬度。

空氣儲能是利用天然洞穴采取相適應的技術手段，對洞穴裂隙進行密封處理形成大體量的空間，利用壓縮空氣的方式進行能量的轉換電能進行儲存和輸出，國家在貴州畢節(jié)地區(qū)已有示驗工程。這兩種方式均需要相適應的地質(zhì)條件才能實施，其推廣受限。抽水儲能投資大而且工期長，抽水儲能電站轉換效率在75%左石。空氣儲能每度電的成本為0.3元。為了電網(wǎng)的削峰填谷達到電網(wǎng)平穩(wěn)運行的目的，盡管投資大工期長還需要建設儲能電站。

利用各類電池直接儲存電能的投資kw/h為1000-2000-5800元左右，儲能成本kw/h為0.4-0.8元左右。而且，由蓄電池構成大體量儲能工程國際上末見報導。

二、電動車的優(yōu)勢

近些年來電動汽車技術的成熟使得全球范圍內(nèi)的電動車銷量一路攀升，中國、美國電動汽車銷量占汽車銷量的比例已達到3%，日本更是高達22%。電動車的主要優(yōu)勢有：

（一）占有量最大的是轎車為主的乘用車，它的功率在15～30kW.它的終端能源比化石能源低20%左右.相比之下電動汽車節(jié)能，而且運行成本低。

（二）采用電動車對城市大氣污染的降低產(chǎn)生明顯的作用.同時電動汽車無噪聲降低了城市中的噪聲污染。

（三）電動汽車結構簡單傳動部件少，保養(yǎng)維修少而且易駕駛。

綜上所述，電動汽車已成為汽車工業(yè)的發(fā)展方向。國內(nèi)市場電動汽車銷量出現(xiàn)爆發(fā)式增長，2015年中國電動車產(chǎn)量超過40萬輛，2017年電動汽車產(chǎn)量超過95萬輛比上年增長238%。此外，在國家相關政策指導下電網(wǎng)公司已經(jīng)開始在電動汽車的基礎設施（主要是充電樁、充電站等設備）上進行更新。例如，國家電網(wǎng)公司在上海、北京和天津等地建設了充電站，不僅僅對純電動公交車提供快速充電，未來還將支持私人電動汽車充電服務;這些基礎設施的建設與應用對電動汽車參與電網(wǎng)互動新模式的推進與發(fā)展具有重要意義。

參考文件（2）

三、動力電池及充電方式

電動汽車的動力源目前，家庭乘用電動汽車動力電池一般功率在20～30KW，充電時間大約在4小時以上。司機都希望快速充滿，但快速充電嚴重損動力電池，按正常方式電池壽命可延長2倍以上。城市中充電站建設難.一個小規(guī)模的充電站占地約230平方以上，選擇適合的場地十分困難。亱間電價底充電車輛多，能泊車100輛的場地起碼占場地1000平米。解決場地問題更加困難。充電難的問題嚴重制約電動汽車的發(fā)展.

四、轉變思維方式変充電為換電

DHX動力電池充電系統(tǒng)，首先要構建動力電池統(tǒng)一的標準，使動力電池外形裝配尺寸達到統(tǒng)一。電動車的設計只留出裝配空間和方便更換的統(tǒng)一裝配機構。目前，這些在技術上不存在障礙，但需要國家協(xié)調(diào)同工信部、國家電網(wǎng)、汽車制造行業(yè)協(xié)會、動力電池制造行業(yè)協(xié)會共同制訂統(tǒng)一的國家標準才能推動這一設想的有序?qū)嵤?/p>

五、充電站和電網(wǎng)的配合協(xié)同

DHX充電系統(tǒng)完全利用電網(wǎng)夜間低谷電完成動力電池的充電，這樣做對區(qū)域電網(wǎng)的削峰填谷平衡負荷將產(chǎn)生很重大的積極作用。動力電池亱間充電達到一定規(guī)模時，這樣大體量穩(wěn)定的消納低谷電對于大區(qū)域的電網(wǎng)的供需平衡發(fā)揮重要作用，如果能大量推廣就完全沒有必要耗費巨資建抽水儲能電站。

以西安市為例，出租車約為12000輛，私家車約2500000輛，公交車7000輛。公交車功率約75KW私家車功率約20-35KW。如果把城市的汽車全部更新為電動車，12000出租車每天耗電60度，合計耗電量為72萬度。公交車7000輛，每輛車運行一天需耗電220度，合計耗電154萬度。2500000私家車每天平均耗電按5度計算合計耗電1250萬度，總計1476萬度。根據(jù)資料估算，西安平均日耗電約1億度，DHX充電系統(tǒng)的廣泛應用后，基本達到晝亱用電平衡，這種效果是電網(wǎng)系統(tǒng)追求的目標。

六、建設分布式規(guī)模化動力電池充電站

按照以上思路動力電池應該按統(tǒng)一的規(guī)格進行設計，實現(xiàn)標準化，具體方案是：

（一）電動車廠家不生產(chǎn)電池，電動車生產(chǎn)廠生產(chǎn)車輛預留標準的便于更換時動力電池空位。

（二）由專業(yè)生產(chǎn)廠商完成動力電池研發(fā)、生產(chǎn)、維護和廢舊電池的后處理包括在內(nèi)的全過程，形成完整的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈。

（三）建議由國家電網(wǎng)根據(jù)城市汽車的擁有量和公路線路的里程等情況合理布局，建設規(guī)模化的充電站和換電站。每個分布式的充電站為母系統(tǒng)，一個母系統(tǒng)關連數(shù)個換電站，完成對動力電池充電和電動車的換電服務。（圖1）

充電站實際上是一個大的立體化的車間，可充分利用空間多層布局。充電車間可為分充電庫和存儲庫，存儲庫充滿電的動力電池用專用電池車分發(fā)到所輻射區(qū)域的換電站，換電站具有一定的存儲量，可在3-5分鐘為汽車卸載殘余電池并裝上滿負電池。（圖2）

七、DHX充電系統(tǒng)的商業(yè)模式

動力電池廠商研發(fā)生產(chǎn)高性能的標準化規(guī)格化的車載動力電池和大規(guī)模集成化的充電設備。汽車廠商不用研發(fā)生產(chǎn)動力電池，只生產(chǎn)電動輪轂和整車。國家電網(wǎng)根據(jù)城市電動汽車的擁有量協(xié)同市政合理布局充電站和換電站。

先實施城市汽車和電網(wǎng)融合的電動汽車充換電網(wǎng)絡系統(tǒng)，遂步發(fā)展到公路線路的存儲換電系統(tǒng)，實現(xiàn)貨運車的電動化。

遂步實施工程機械的電動化。專業(yè)的充電公司也要配備應急電源動力電池工程車。模塊化的備用電源能適用于各企業(yè)事業(yè)商業(yè)單位短時間停電的需求。

八、DHX充電系統(tǒng)的優(yōu)勢

（一）DHX充電系統(tǒng)對供電系統(tǒng)的削峰填谷，平衡電網(wǎng)負荷和節(jié)能減排將發(fā)揮重大作用，電網(wǎng)就沒有必要建抽水儲能電站，這樣可節(jié)省大量投資。

（二）充電站不刻意要求快速充電，按常規(guī)充電可大大延長電池壽命，降低電池生產(chǎn)成本和運行成本。

（三）從動力電池的研發(fā)、生產(chǎn)、更新和后處理都由專業(yè)廠家承擔，有利于相關資源的整合，有利于動力電池的技術進步，高度專業(yè)化的分工協(xié)作，將使電動汽車的生產(chǎn)成本和運行成本會大幅度的降低勢必促進電動汽車、動力電池和供電事業(yè)高質(zhì)量的健康發(fā)展。

（四）DHX的實施將對電力系統(tǒng)對提高能源利用率節(jié)約能源和改善大氣環(huán)境發(fā)揮重要作用。

九、結束語

此文僅是撰稿人的設想，還需專家進一步研討建立供識。它的實施必須是政府主導，以企業(yè)為主體并和相關企業(yè)銜接，鼓勵企業(yè)和企業(yè)家、工程師不斷進行技術創(chuàng)新才能實現(xiàn)。

參考文獻：

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