5月22-24日，由充電樁網(wǎng)、充換電百人會(huì)、光儲(chǔ)充換產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合主辦的2024第三屆中國(guó)國(guó)際充電樁及換電站展覽會(huì)、2024第十屆中國(guó)國(guó)際電動(dòng)汽車充換電產(chǎn)業(yè)大會(huì)在上海汽車會(huì)展中心盛大舉辦。
 

在分論壇的設(shè)置上，11大專場(chǎng)論壇緊緊圍繞充換電產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)話題展開，涵蓋車樁可信認(rèn)證、新品發(fā)布、超充技術(shù)、區(qū)域運(yùn)營(yíng)、車網(wǎng)互動(dòng)、社區(qū)充電、市場(chǎng)趨勢(shì)等多個(gè)方面，從技術(shù)創(chuàng)新到市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行全方位探討，引領(lǐng)政府部門、專家學(xué)者及充換電上下游企業(yè)高層等2000+參會(huì)代表，一同探討充換電產(chǎn)業(yè)的無限機(jī)遇。

 

5月23日，「車網(wǎng)互動(dòng)」專場(chǎng)論壇聚焦“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”作為車網(wǎng)互動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化的理念，深入探討如何通過技術(shù)創(chuàng)新、市場(chǎng)管理，推動(dòng)車網(wǎng)互動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化，助力打造互利協(xié)同的充換電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展生態(tài)。清華大學(xué)助理研究員 李亞倫以《電動(dòng)汽車車能互動(dòng)的充電機(jī)理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能調(diào)控》為主題進(jìn)行演講。

 

演講整理

 

 

01

 

電動(dòng)汽車的互動(dòng)需求分析

 

隨著新能源汽車市場(chǎng)的迅速增長(zhǎng)，今年4月上旬新能源汽車銷量占出口總銷量的50%，成為出口主力“新三樣”之一，市場(chǎng)地位不容小覷。

 

李亞倫表示，未來如何進(jìn)一步發(fā)展成為重中之重。2022年，歐美推出了“貿(mào)易北約”標(biāo)準(zhǔn)化信息機(jī)制，重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施，而中國(guó)則在去年提出了“構(gòu)建車能路云協(xié)同產(chǎn)業(yè)生態(tài)”，并于12月發(fā)布了新能源汽車與電網(wǎng)融合的實(shí)施意見。

 

在該情況下，分析車能互動(dòng)主要有兩個(gè)角度：首先是能源角度。當(dāng)前，中心城市小區(qū)充電樁的安裝面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，迫使他們從無序充電轉(zhuǎn)向有序充電和車網(wǎng)互動(dòng)的發(fā)展。其次是車輛角度。近年來，電池技術(shù)發(fā)展迅猛，三元電池的循環(huán)壽命可達(dá)1000次，對(duì)應(yīng)600公里的續(xù)航，全生命周期使用壽命可達(dá)60萬公里，但用戶仍感受到電動(dòng)汽車衰退快，續(xù)駛里程不足的問題。

 

他指出，事實(shí)上其內(nèi)部原因在于，電池內(nèi)部存在兩種衰減：循環(huán)衰減和日歷衰減。日歷衰減現(xiàn)狀不容樂觀，而循環(huán)衰減和日歷衰減耦合到一起，會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的耦合反應(yīng)。車輛的使用過程正好是這種相互作用的過程，例如在家充滿電后可能要等到第二天才開車，中間會(huì)產(chǎn)生充電擱置的階段，這會(huì)將日歷壽命對(duì)電池的衰減影響耦合到循環(huán)壽命上。

 

鑒于此，可以預(yù)見未來電動(dòng)汽車充電將朝兩個(gè)方向發(fā)展：一方面，居民小區(qū)從無序充電過渡到雙向充電，以解決電網(wǎng)容量不足的問題，同時(shí)降低電池使用過程中的衰減。另一方面，道路充電將朝著大功率充電方向發(fā)展，以應(yīng)對(duì)臨時(shí)出行的緊急補(bǔ)充需求。只有這兩方面的協(xié)同支持，才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電生態(tài)的長(zhǎng)期發(fā)展。他強(qiáng)調(diào)，要解決這些問題，需要從技術(shù)創(chuàng)新的機(jī)理到系統(tǒng)層面進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

 

02

電動(dòng)汽車充電機(jī)理

 

他指出，充電機(jī)理可以分為三個(gè)方面：

 

1. 雙向充電的延壽機(jī)理

 

根據(jù)電池內(nèi)部材料的負(fù)反應(yīng)過程，如負(fù)極SEI的增長(zhǎng)和正極高鎳三元材料的相變異性，結(jié)合文獻(xiàn)中的SEI生長(zhǎng)和電位的關(guān)聯(lián)公式以及正極晶格應(yīng)力和SEI的公式，得出了電池在SOC和電壓范圍內(nèi)的衰減定性曲線。發(fā)現(xiàn)這曲線實(shí)際上是一個(gè)明顯的上凸函數(shù)特性。

 

利用上凸函數(shù)的特性，可以進(jìn)行相應(yīng)的工作。這種函數(shù)的特征是中值比兩側(cè)的平均值更高，因此可以通過雙向脈沖電流將單點(diǎn)電壓的擱置過程延伸到兩側(cè)，從而降低平均衰減速率比初始衰減速率更低。

 

通過設(shè)置正負(fù)脈沖電流，可以實(shí)現(xiàn)這種功能。對(duì)電池而言，充電內(nèi)阻低于放電內(nèi)阻，進(jìn)一步降低衰減速率。

 

基于以上原因，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)內(nèi)容。比較了家庭充電后直接擱置的過程和充電過程中采用脈沖電流調(diào)節(jié)對(duì)電池壽命的影響分析。研究發(fā)現(xiàn)，采用合理的脈沖電流提高電池的總體壽命，但是要避免電池內(nèi)部存在的其他副反應(yīng)。

 

2.超快充電的安全機(jī)理

 

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約四分之一的電動(dòng)汽車火災(zāi)事故與充電有關(guān)，而充電時(shí)間僅占不到總時(shí)間的10%。這表明充電過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)更為突出。

 

他們觀察到，在高倍率充電過程中，通過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)了負(fù)極表面出現(xiàn)鋰枝晶生長(zhǎng)的現(xiàn)象。此外，在電池充電后的擱置和放電過程中，金屬鋰可以重新嵌入到負(fù)極，但重新嵌入材料反應(yīng)的特性分析經(jīng)常被忽視。

 

為了解決這一問題，設(shè)計(jì)了卡片電池的測(cè)試方法。在電池充電完成后，立即進(jìn)行不同反應(yīng)體系的分解，快速確定每個(gè)反應(yīng)體系內(nèi)的反應(yīng)，以便在鋰重新嵌入之前捕捉到安全特征。

 

通過這種反應(yīng)分析，揭示了電池快速充電時(shí)著火的機(jī)理。其核心是鋰在重新嵌入負(fù)極之前與電解液快速產(chǎn)生熱反應(yīng)，同時(shí)還可能產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致電池迅速膨脹、破裂，內(nèi)部壓力升高并最終打開閥門。

 

3. 電位測(cè)量傳感器技術(shù)

 

無論雙向充電還是超快充電，其機(jī)理都與電池內(nèi)部單個(gè)電極的電位密切相關(guān)，包括正負(fù)極的SCI衰減、顆粒破碎，以及析鋰等過程，這些都由內(nèi)部的電極位置決定。因此，需要開發(fā)一種傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的電極位置。這種傳感器稱為參比電極，比如將銅絲鍍鋰嵌入電池內(nèi)部以進(jìn)行測(cè)量。然而，早在2018年，就有研究發(fā)現(xiàn)參比電極在測(cè)量過程中存在反常極化現(xiàn)象，這表明誤差來源于非均勻的局部電化學(xué)反應(yīng)過程，難以精確量化。

 

為了應(yīng)對(duì)這一情況，他們進(jìn)行了局部液相電位偏差機(jī)制的建模研究，并通過局部放大獲取了參比電極誤差的電化學(xué)模型。進(jìn)一步分析了影響誤差的因素，包括傳感器尺寸、液相擴(kuò)散和充電倍率等，無法直接通過Map圖進(jìn)行精確標(biāo)定誤差。由于發(fā)現(xiàn)這些因素同時(shí)影響去極化電壓，于是采用間接估計(jì)方法，通過去極化電壓來估計(jì)誤差的大小。

 

有了精確的內(nèi)部定位測(cè)量，可以將電池內(nèi)部的正負(fù)極反應(yīng)分析拓展到更大范圍和整個(gè)電池生命周期的充電過程中。這種技術(shù)還結(jié)合了模型預(yù)測(cè)算法，開發(fā)電池充電電流的控制方法。

 

在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，他們孵化的企業(yè)昇科能源基于這些技術(shù)開發(fā)了超充電樁，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)快速能源補(bǔ)給、低溫脈沖加熱和超強(qiáng)冷卻，保障了充電過程的安全性。

 

03

 

能源設(shè)施構(gòu)型設(shè)計(jì)

 

為了實(shí)現(xiàn)前述的充電機(jī)制，必須將配置與能源系統(tǒng)進(jìn)行整合。他介紹了團(tuán)隊(duì)在能源系統(tǒng)方向所做的工作。

 

1、車載方面

 

通過對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)雙向電流以延長(zhǎng)電池壽命和加熱分析發(fā)現(xiàn)，在車輛上激勵(lì)電池的雙向電流研究一直存在，典型的研究是利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生正負(fù)電流以激勵(lì)電池。然而，由于電流幅值低、電機(jī)噪聲大以及加熱效果不佳，這項(xiàng)技術(shù)一直未能實(shí)際應(yīng)用。

 

認(rèn)識(shí)到電機(jī)和電池長(zhǎng)期解耦分析存在的問題，他們開發(fā)了包括電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)耦合仿真分析的平臺(tái)。在電機(jī)系統(tǒng)上分析電機(jī)的噪聲，在電池系統(tǒng)上分析電池的衰減和電池的溫升，控制系統(tǒng)分析變流器構(gòu)型及控制對(duì)電機(jī)和電池兩個(gè)之間的耦合關(guān)系。

 

基于這一分析平臺(tái)，最終發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法未能實(shí)現(xiàn)有效的雙向電流激勵(lì)的原因在于電機(jī)控制中的零電壓向量。具體來說，在高頻條件下，較少的零電壓向量能夠?qū)崿F(xiàn)電流的高頻變化，這能產(chǎn)生相對(duì)較大的電池電流。然而，由于零電壓向量不足，電機(jī)頻繁的電流換向?qū)е码姍C(jī)噪音。降低頻率增加零電壓向量的比例，會(huì)降低電池側(cè)的電流，這是一直未能解決的問題。

 

相應(yīng)地，他們開發(fā)了一種新的構(gòu)型——“雙模組架構(gòu)”，將電池包內(nèi)的電池分成兩組，分別與逆變器連接。這種設(shè)置使得在零電壓向量下能夠產(chǎn)生雙向電流，在低頻下維持雙向電流，并在其他電壓向量下增加雙向電流的賦值。

 

通過整車動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該方法能夠?qū)崿F(xiàn)80%以上的雙向電流能量利用效率。通過零電壓矢量的優(yōu)化能提升加熱電流，比傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)加熱電流的均方根值提高2-3倍的水平。電流形態(tài)的優(yōu)化降低了電機(jī)噪音，測(cè)試結(jié)果顯示大約能降低14分貝。

 

2、車下方面

 

光儲(chǔ)充換系統(tǒng)主要用于滿足高功率超快充電的需求，具體稱為光儲(chǔ)充換耦合系統(tǒng)，利用換電電池包作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，支持乘用車的快充功率，參與電網(wǎng)調(diào)度并消納光伏發(fā)電。由于長(zhǎng)途行駛，如高速公路或省道，高速重型卡車換電站和乘用車超充電站的交匯處，這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施具有重要意義。相應(yīng)研究成果發(fā)表在能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Joule》上，重點(diǎn)建立了服務(wù)模型，考慮電池規(guī)律進(jìn)行綜合系統(tǒng)配置，并獲得了一系列優(yōu)化結(jié)果。

 

他重點(diǎn)介紹了其中兩個(gè)優(yōu)化結(jié)果：首先是降低電網(wǎng)的配容，通過分析實(shí)際乘用車快充站的功率需求和換電站的車流分析，最終實(shí)現(xiàn)了2.5MW的快充站，并降低了0.7MW的入網(wǎng)功率效果。其次考慮到電池衰減，通過集中調(diào)度提高設(shè)備利用率，分析系統(tǒng)運(yùn)行全壽命周期的現(xiàn)金流。由于雙向設(shè)備帶來的成本增加，能夠在兩年內(nèi)完全回收，從而實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效果。

 

2022年，團(tuán)隊(duì)與殼牌及三家孵化的企業(yè)鏈宇、昇科、智鋰物聯(lián)在張家口示范了集合超充換電、光伏發(fā)電智能微網(wǎng)為一體的能源系統(tǒng)。為此，鏈宇科技推出了一系列硬件和軟件平臺(tái)，包括零碳園、AC/DC和DC/DC模塊，以及支持結(jié)算和增值的各種服務(wù)。

 

04

 

車能互動(dòng)智能控制

 

針對(duì)車能互動(dòng)的智能調(diào)節(jié)，他表示，在硬件基礎(chǔ)建立的同時(shí)，仍需要軟件將整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來。

 

在車能互動(dòng)方面，長(zhǎng)期以來的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何選擇示范場(chǎng)景。通過一系列探索，發(fā)現(xiàn)與農(nóng)村光伏耦合是實(shí)現(xiàn)具體車能互動(dòng)的有效途徑。建筑內(nèi)配備熱泵，建筑外有電動(dòng)汽車，建筑屋頂安裝光伏板，工業(yè)園區(qū)也采用這種場(chǎng)景推動(dòng)車能互動(dòng)的實(shí)際落地，是一種較好的突破點(diǎn)。

 

因此，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括屋頂光伏、電動(dòng)汽車儲(chǔ)能和柔性電力分配。目前，電網(wǎng)也在大力推廣區(qū)域儲(chǔ)能，特別是工業(yè)園區(qū)和農(nóng)村區(qū)域。利用電動(dòng)汽車儲(chǔ)能作為能量單位和臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能作為功率單位，形成混合動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛和建筑負(fù)荷之間的靈活互動(dòng)，提高能效。

 

在農(nóng)村場(chǎng)景分析中，通過冬季熱泵的柔性能源利用，可以實(shí)現(xiàn)約17度的等效儲(chǔ)能容量，并擴(kuò)展到電動(dòng)汽車上考慮電動(dòng)汽車的衰減，也有較好的SOC范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

 

具體來說，考慮到不同車輛和建筑的調(diào)度，團(tuán)隊(duì)提出了基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度算法，能夠在考慮到車輛行駛和充電行為的隨機(jī)性后實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度，大約減少了17%的用電峰值。

 

李亞倫總結(jié)道，目前團(tuán)隊(duì)的孵化企業(yè)鏈宇科技已在天津、青島、義烏和上海等多地開始打造光儲(chǔ)充換和光儲(chǔ)直流園區(qū)系統(tǒng)，并進(jìn)行了具體示范工作。