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8月14日，清華大學 助理研究員 李亞倫 以《基于電動汽車充換電的城市車能路云技術方案》為主題進行演講。

 

演講整理

 

 

 

清華大學

 

助理研究員 李亞倫

 

01

 

電動汽車的問題以及解決方案

 

今天跟大家帶來的報告是基于電動汽車充換電的城市車能路云技術方案。

 

車能路云的整體需求，今天我們會議在北京，今天主要拿北京的數據來做相應的分析，交通電動化包括各個城市都取得了非常好的成就，北京市電動車保有量在2021年超過50萬輛，但要滿足碳中和目標，2050年這是北京交研院的數據，達到850萬輛規模。

北京電力系統現狀，北京的電力系統主要是靠外部電力調入，72%電力是從外部調入，同時峰谷負荷非常大，工作日最低負荷僅為工作日的56%，華北網給北京的電網新增容量很小。在這樣的背景下，由于交通電動化牽引作用，未來我們將從以油氣為主要的能源系統轉向我們以電氫為主的能源系統，在這個情況下電動汽車充換電基礎設施將成為其中重要的組成部分，這是我們做的具體測算，電動汽車達到200萬輛，慢充需求功率會達到北京市電網的17%。大量快充基礎設施的接入，預計達到36%電網最負荷的情況。

針對這個問題，歐美國家已經早于我們一步了，推動車網互動、車能互動的示范項目進行示范驗證、示范推廣、商業化運行等模式來解決這樣的問題。

為什么他們要通過這個方式，隨著電動汽車增加能夠跟能源終端進行有效耦合，包括有序充電，車和房子、車和建筑、車和微網各種互動，這是英國電網做的預測，如果我們發展無序充電，功率需求是有序充電需求的兩倍，轉向車能互動、車網互動最后能源需求功率不升反降的效果。

這是基于北京市測算的結果，50萬輛車使用15千瓦雙向充電樁，功率對北京市電網負荷大概是25%，如果是有兩百萬輛，車載儲能容量超過1億度電，對于電網是巨大的儲能資源。

但是有了資源如何把資源用好，就需要有相應車網互動或者車能互動的技術支撐，首先電動汽車參與電網或者與能源系統互動，憂慮的問題是車輛的衰減問題，車開著電量不夠用，這是對電池衰減的分析，分為日歷老化和循環老化，通過合理的車網互動或者是通過有序充電將擱置階段的SOC降下來，降低日歷衰減，通過車能互動向電網放電進一步獲得一定的收益，將循環衰減所付出的成本抵消掉。

同時我們也分析了電池的衰減行為，合理使用車能互動也能對電池起到延壽的效果，對電池衰減是隨著電壓呈現上凸函數關系，如果我們采用雙向電壓，將單點電壓轉換為雙向電壓，能夠延長電池的壽命，目前在不同類型的電池包括磷酸鐵鋰、三元上都得到比較良好的效果。

 

02

電動汽車的問題以及解決方案

 

電動汽車焦慮的另外一個問題，冬季續航的下降，調頻等脈沖工況可以促進電池內部產熱，這是我們做的分析，能夠實現電池冬季低溫下動力性能和續航里程的提升。此外，對于車輛系統，我們提出了雙模組高壓拓撲架構，實現電池電流倍增和低頻的運行，像這樣的方式，通過控制的方法可以實現高功率、低噪音、高效率電動汽車低溫電池加熱的效果。

另外一個電動汽車充電過程大家憂慮的問題是安全問題，我們分析表明對于電動汽車充電過程析鋰是導致它起火失火的緣由，對于這個問題，需要測量電池內部電位，修正測量誤差，進而保證電池充換電不發生危險的情況，保證它的安全。另一部分車能互動也對電動汽車它的安全檢測帶來了一些新的機遇，傳統上電動汽車充完電，拔槍就走，在車能互動可以將無序工況變成可控工況，提高析鋰的反應精度，提高它的安全保障能力。

對于電動汽車來說利用它做儲能，相對于固定式電化學儲能有成本低、安全風險低的效果，但是也會面臨一定的問題，像時間和空間的不確定性，需要相應技術來解決這個問題。

針對這個問題，我們團隊跟創業企業合作，開展了車能路三者融合場景的設計工作，首先電動汽車和電網互動是有各種各樣不同的形式，我們可以跟家庭互動、樓宇互動跟微網互動，也可以通過快充站、換充站、中壓配電網互動。

城市中車能互動分類，一個是道路交通；二是郊區、園區，第三個社區和商區。

第一個場景是在道路交通上如何進行互動。

道路交通上遇到一個問題，充換電基礎設施投資沒有問題，受到電力容量的問題，目前它的選址非常困難，比如說電網不給批地、批容量，導致電動汽車充換電基礎設施發展跟不上電動車數量的增長，在這樣的情況下，大家普遍采用的方式是充電樁配儲來解決大功率快充對電網帶來的沖擊問題，快充電池跟電網進行互動，可以將快充站入網功率降下來，我們的研究也發現，利用電動汽車換電站，如果它們的位置比較重合，儲備的大量電池利用它作為儲能電池進行放電，能夠降低快充配儲的成本，這部分文章發表權威期刊Joule上。

具體怎么做，利用換電站站內電池作為儲能電池為周邊的快充樁進行放電。分析充換電負荷的互補度，對于兩個實際的充電站和換電站進行分析，目前他們的互補度是11%，將二者耦合起來，將2.5瓦的換電站降低0.7MW的功率，得到比較好的收益。

另外一個設備投資的問題，把單向充電變為雙向充電，會導致設備投資上升。但通過能量調度將整個設備的利用率提高，比如充電樁利用率提高12%，備用電池利用率提高9%，通過高利用率得到資本的高回報，將充換電分別獨立的站改為充電站耦合站，增加的設備投資僅需要兩年就可以回本。

對于這樣一套系統，在冬奧會期間跟殼牌合作在張家口建立了快充快換智能微網并且進行相應的示范工作，得到了非常好的效果。

第二個遠郊農村包括遠郊郊區怎么辦，遠郊農村有一個非常重要的問題，光伏上網的問題，目前國家也在大力推廣光伏下鄉的工作，尤其是對遠郊農村光伏資源是非常好的，但是對于末端配電網網絡能力是比較差的，如何消納這些光伏成為重點要解決的問題。

這是我們對于北京市市郊光伏分析情況，對于單戶平均功率12.7千瓦，戶均日發電量42kwh，北京市每戶日用電為13kwh，每戶每天約有30kwh電量需求網消納，解決電力容量不足的問題。具體來說屋頂通過光伏改造，農村每戶家庭安裝小功率慢充樁，并且在慢充樁普及有序充電和車+互動，實現二者能量調度。

最后也跟建筑內負荷，像熱泵提升清潔能源的消納能力，這是實際分析場景，100戶農村，分析不同架構模式下得到的收益，像北京前些年通過電采暖、煤改電的政策，把整個取暖進行清潔化，造成政府補貼和用戶電費的問題。如果我們把這樣一個系統增加光伏以后，可以把用戶電費進行快速下降，沒有辦法降低配電擴容的問題，電動汽車車家互動，就可以有效把這個問題解決。

這是我們實際分析的結果，用電器的極端工礦進行系統配置，利用連續工況進行經濟收益的分析，通過分析進行系統的能量管理，首先我們發現電動汽車在這樣的系統中，當它電池SOC在0.35-0.7區間，可以得到正的收益，也是電費的節省，能夠完全把電動汽車的衰減抵消掉。

熱泵可以進行柔性用電，可以帶來大約16度電等效容量，二者加起來完全可以消納每一戶屋頂光伏的發電量。基于此，我們與鏈宇科技、清安儲能開發了充電樁，并且在北京等一些城市進行示范。

最后是居民小區如何做，居民小區國內有一個特點跟國外完全不一樣的，國外人口密度和汽車千人保有量成正比，這跟國外是相反的趨勢，這樣的現象造成我們在中心城區配電負荷率非常高，導致我們無法新增充電樁的工作。

通過分析表明，由于無序充電和生活用電負荷高峰重合率非常高，達到85%，城六區峰值負荷上升25%，只要有40%的電動車進行雙向互動，可以把基礎的用電峰值下降25%，這樣居民小區用電峰值是不升反降的，會成為整個中心城區的充電樁，對于中心城區來說發展車能互動是非常必要的路徑。另外我們討論了全區優化的問題，在實際過程中還會有各種不確定性，比如出行不確定性、充電行為不確定性，我們進行實時調度分析，考慮這些不確定性以后，車能互動仍然讓中心城區峰值負荷下降17%，達到非常好的效果，其中需要我們實時調度，比如優先級的控制算法。

基于此，我們孵化的鏈宇科技，推廣光伏儲能、車網互動、智慧平臺一體化解決方案，目前在全國各地進行20多項的示范項目，都能取得比較好的經濟收益。

 

03

 

車能路云集成發展

 

最后想介紹一下車能路云集成發展，剛才是分了各種不同的場景。

對于不同的場景，當它的規模增大以后，我們需要把這些場景資源聚合起來發揮它的作用，這其中需要各種平臺來提高相應的服務，具體來說我們會分為三個層級，底層是功率、能量設備層；中間是通訊和網關，上層基于這些信息提供信息服務，包括四個：充電調度與資產管理平臺、平臺負荷聚合與虛擬電廠平臺、安全監測和綜合管控平臺、能源交易與市場服務平臺。

現在有大數據技術、車站數字孿生技術，車上運維實現無人化服務，資產管理，保證資產的保值。右邊是創業企業智聯物聯開發的平臺，在充電站換電是來把現在持有的換電站資產進行有效的管理。

第二個平臺負荷聚合和虛擬電廠平臺，這個平臺需要把場站向城市級進行聚合，進行日前計劃和日內的實時調度，底層是負荷預測，把未來充換電預測出來，分析聚合潛力，參與電網的報量工作，最后是集成虛擬電廠進行交易，日內通過實時向下調度進行充換電管理，實現需求。右邊也是創業企業像鏈宇科技開發的平臺，跟華北網調度進行接入。

最后是安全監測和綜合管控平臺，目前電動汽車接入電網進行充換電，最重要保障其中的安全，像創業企業像昇科能源他們開發了具有十億參數級大數據動力電池人工智能平臺，實現機理和模型融合，將多元數據耦合在一起進行分析，目前實現的效果是安全預警準確率達到95%以上以及SOH估算準確率達到97%以上，目前接入超過一百萬。

最后是能源交易和市場服務平臺，這個平臺是能源企業或者是電網企業來做的，目前國家大力推廣電改，讓分布式能源在電網進行交易，未來這部分市場發展為我們激勵車能互動、參與市場互動的工作打下非常重要的環節。