鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年07月08日
電動汽車儲能及電池充放電相關技術
隨著我國社會和經濟的發展,家用汽車將不斷普及,汽車的能耗和排放將不斷新增,因此研制和推廣清潔高效的汽車動力同樣勢在必行。電動汽車可以不依賴石油資源,能源效率是傳統燃油汽車的1.5~2.0倍,與燃油汽車相比在全壽命周期可以減排20%的二氧化碳,因此被認為是目前最有發展潛力的交通工具。我國已經把發展電動汽車列入十二五規劃,準備在今后的幾年內大規模發展電動汽車。
1電動汽車種類
通常,電動汽車有純電動汽車(pureElectricVehicle,pEV)、混合動力汽車(HybridElectricVehicle,HEV)、燃料動力電池電動汽車(FuelCellElectricVehicles,FCEV)三種類型,近幾年混合動力汽車中的外接充電式(plug-In)混合動力汽車(parallelHybridElectricVehicle,pHEV)特別受到關注,國內外專家認為,pHEV有望在幾年后得到廣泛的推廣使用。
1.1純電動汽車
純電動汽車是指完全由動力蓄電池供應電力驅動的電動汽車,見圖1,目前重要采用鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池作為驅動力。
鉛酸電池是非常成熟的蓄電池,價格比較便宜,雖然鉛酸電池的制造和廢棄存在著重金屬污染的嚴重缺點,但是在近階段還是電動汽車的重要驅動電力。
鎳氫電池的比能量高、使用壽命長,但是鎳氫電池要采用高價的鎳金屬(占成本的60%),因此制造成本較高,大量推廣遇到很大困難。
鋰離子電池技術發展很快,近10年來比能量已經從100Wh/kg新增到了180Wh/kg,比功率可達2kW/kg,循環壽命達1000次以上,工作溫度范圍達-40~55℃。近年由于磷酸鐵鋰離子電池的研發有重大突破,又大大提高了電池的安全性,因此目前已有許多發達國家將鋰離子電池作為電動汽車用動力鋰電池的主攻方向。我國擁有鋰資源優勢,2004年鋰離子電池產量已占全球市場的37.1%,預計到2015年以后,鋰離子電池的性價比有望達到可以和鉛酸電池競爭的水平,而成為未來電動汽車的重要動力鋰電池。
根據能量轉換效率,可以對純電動汽車和燃油汽車的經濟性進行粗略的比較。假設電池最高可充電荷電狀態(StateOfCharge,SOC)為0.9,放電SOC為0.2,即實際可用的電池容量僅占總容量的70%;由電網供電價為0.5元/kWh,電池的平均充放電效率為0.75。粗略計算,鉛酸電池每供應1kWh電能,價格為3.05元左右(其中2.38元為電池折舊費,0.67元為電網供電費),鎳氫電池每供應1kWh電能,費用為9.6元,鋰離子電池為10.2元。
1.2混合動力電動汽車
混合動力電動汽車具備兩個以上動力源,其中有一個可以釋放電能,見圖2。
混合動力汽車按混合方式不同,可分為串聯式、并聯式和混聯式三種;按混合度(電機功率與內燃機功率之比)的不同,又可分為微混合、輕度混合和全混合三種。其中外掛式皮帶驅動啟動/發電(BSG)式是微混合動力汽車的典型結構,所用的電機功率一般僅2~3kW,具有發動機的停車斷油功能,可節燃油5%~7%。輕度混合動力汽車的典型結構,在汽車發動機曲軸后端加裝一個電動/發電型盤式電機(ISG)。全混合或混聯式混合動力汽車采用純電力驅動功能,豐田公司的prius轎車即屬于這類全混合汽車。目前我國研制的混合動力汽車,大多采用ISG輕度混合或BSG微混合方法,重要是考慮這兩種方法的技術難度較小,生產成本也較低。但是根據研究表明,混合動力汽車的節油率幾乎與汽車功率的混合度成正比,因此從長遠來看和推廣發展全混合電動汽車是一種必然趨勢。日本豐田公司在1997年率先向市場推出先驅者(prius)混合動力汽車,并在日本、美國和歐洲各國市場上均獲得較大成功,累計產銷量已超過60萬輛。隨后日本本田、美國福特、通用和歐洲一些大公司,也紛紛向市場推出各種類型的混合動力汽車。
外接充電式混合動力汽車(pHEV)作為最新一代的混合動力汽車類型,近年來受到各國政府、汽車公司和研究機構的普遍關注。pHEV在混合動力汽車中采用大容量的動力鋰電池,電池容量一般為5~10kWh,約是純電動汽車電池容量的30%~50%,是一般混合動力汽車電池容量的3~5倍,因此可以說是一種介于混合動力汽車與純電動汽車之間的過渡性產品。與傳統的內燃機汽車和一般混合動力汽車(HEV)相比,pHEV更多依賴動力鋰電池驅動汽車,通常可以保證車輛采用純電動驅動行駛50~90km,只有當汽車超過這一里程后才要啟動內燃機。因此它的燃油經濟性進一步提高,二氧化碳和氮氧化物排放更少。
據統計:法國城鎮居民的用車,80%的日均駕車里程少于50km;在美國,汽車駕駛者的用車也有60%以上日均行駛里程少于50km,80%以上日均行駛里程少于90km。因此pHEV有很好的適用性,特別適合于一周5天駕車上下班,行駛里程50~90km之間的工薪族使用。1.3燃料動力電池電動汽車
燃料動力電池電動汽車采用質子交換膜燃料動力電池(pEMFC)作為發動機驅動電源,典型結構見圖3。pEMFC作為一種氫燃料動力電池,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。作為氫燃料動力電池燃料,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動力電池客車和燃料動力電池轎車列為十五、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,燃料動力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);燃料動力電池汽車行駛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,燃料動力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。目前我國的燃料動力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。燃料動力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。燃料動力電池發動機的運行動力總成本包括折舊費,燃料動力電池工作壽命按1000h計算折舊費為30元/kWh,這樣燃料動力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,但是燃料動力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,燃料動力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)就是指電動汽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重要有單向無序的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汽車,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充電的運行新增了電網調峰的難度。
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,防止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)公布了名為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,可接收來自電力公司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首批公布的標準。
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,假如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相關研究及示范重要在美國進行,其中美國特立華大學于2007年十月成功將一輛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公司帶來約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。為此還要先進電網通信、調度、控制與保護技術配合,要峰谷電價政策以及電動汽車接入電網供應調峰調頻調整、需求響應等有償服務政策的支持。
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