电动汽车储能及充放电相关技术介绍

我国的能源资源分布特点是煤多气少油贫,石油资源严重依赖进口, 如果不加控制到2030年中国需进口石油可能达到8. 5 亿t , 相当于目前全球出口总量的50%, 将给我国的能源安全埋下严重的隐患。交通是耗油大户, 根据预测2030年交通工具的用油将占总耗油量的55%以上, 因此车辆用能结构的变革势在必行。随着化石能源的日益枯竭以及二氧化碳等温室气体排放带来的气候变暖的加剧,节能减排已经成为全球的共识,我国“十二五” 规划要求单位GDP的能耗要降低20% , 污染排放要降低10%。随着我国社会和经济的发展, 家用汽车将不断普及,汽车的能耗和排放将不断增加, 因此研制和推广清洁高效的汽车动力同样势在必行。电动汽车可以不依赖石油资源,能源效率是传统燃油汽车的1.5~ 2.0倍,与燃油汽车相比在全寿命周期可以减排20%的二氧化碳, 因此被认为是目前最有发展潜力的交通工具。我国已经把发展电动汽车列入“十二五”规划, 准备在今后的几年内大规模发展电动汽车。

1 电动汽车种类

通常, 电动汽车有纯电动汽车( Pure EleCTRIC Vehicle,PEV) 、混合动力汽车(Hybrid Electric
Vehicle, HEV) 、燃料电池电动汽车( Fuel Cell Electric Vehicles, FCEV) 三种类型, 近几年混合动力汽车中的外接充电式( Plug-In) 混合动力汽车( Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV) 特别受到关注, 国内外专家认为, PHEV 有望在几年后得到广泛的推广使用。

1. 1 纯电动汽车

纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动汽车, 见图1, 目前主要采用铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池作为驱动力。

铅酸电池是非常成熟的蓄电池,价格比较便宜, 虽然铅酸电池的制造和废弃存在着重金属污染的严重缺点, 但是在近阶段还是电动汽车的重要驱动电力。

镍氢电池的比能量高、使用寿命长,但是镍氢电池需要采用高价的镍金属(占成本的60%) ,因此制造成本较高, 大量推广遇到很大困难。

锂离子电池技术发展很快, 近10年来比能量已经从100 Wh/ kg 增加到了180 Wh/ kg, 比功率可达2 kW/ kg, 循环寿命达1000次以上, 工作温度范围达- 40~ 55 ℃。近年由于磷酸铁锂离子电池的研发有重大突破, 又大大提高了电池的安全性, 因此目前已有许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。我国拥有锂资源优势, 2004 年锂电池产量已占全球市场的37.1%, 预计到2015 年以后, 锂离子电池的性价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平, 而成为未来电动汽车的主要动力电池。

根据能量转换效率, 可以对纯电动汽车和燃油汽车的经济性进行粗略的比较。假设电池最高可充电荷电状态( State Of Charge, SOC)为0.9,放电SOC 为0.2, 即实际可用的电池容量仅占总容量的70% ; 由电网供电价为0. 5元/ kWh, 电池的平均充放电效率为0. 75。粗略计算, 铅酸电池每提供1 kWh 电能, 价格为3. 05元左右(其中2.38元为电池折旧费, 0.67 元为电网供电费) ,镍氢电池每提供1 kWh 电能, 费用为9.6元, 锂离子电池为10.2元。

1. 2 混合动力电动汽车

混合动力电动汽车具备两个以上动力源, 其中有一个可以释放电能, 见图2。

混合动力汽车按混合方式不同,可分为串联式、并联式和混联式三种; 按混合度( 电机功率与内燃机功率之比) 的不同, 又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。其中外挂式皮带驱动启动/发电( BSG) 式是微混合动力汽车的典型结构, 所用的电机功率一般仅2~ 3 kW, 具有发动机的停车断油功能, 可节燃油5% ~ 7% 。轻度混合动力汽车的典型结构, 在汽车发动机曲轴后端加装一个电动/发电型盘式电机( ISG) 。全混合或混联式混合动力汽车采用纯电力驱动功能,丰田公司的Prius轿车即属于这类全混合汽车。目前我国研制的混合动力汽车, 大多采用ISG轻度混合或BSG微混合方案, 主要是考虑这两种方案的技术难度较小, 生产成本也较低。但是根据研究表明,混合动力汽车的节油率几乎与汽车功率的混合度成正比, 因此从长远来看和推广发展全混合电动汽车是一种必然趋势。日本丰田公司在1997年率先向市场推出先驱者(Prius) 混合动力汽车,并在日本、美国和欧洲各国市场上均获得较大成功, 累计产销量已超过60万辆。随后日本本田、美国福特、通用和欧洲一些大公司, 也纷纷向市场推出各种类型的混合动力汽车。

外接充电式混合动力汽车(PHEV) 作为最新一代的混合动力汽车类型, 近年来受到各国政府、汽车企业和研究机构的普遍关注。PHEV在混合动力汽车中采用大容量的动力电池, 电池容量一般为5~ 10 kWh, 约是纯电动汽车电池容量的30% ~ 50%, 是一般混合动力汽车电池容量的3~ 5倍, 因此可以说是一种介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的过渡性产品。与传统的内燃机汽车和一般混合动力汽车(HEV) 相比, PHEV更多依赖动力电池驱动汽车, 通常可以保证车辆采用纯电动驱动行驶50~ 90km, 只有当汽车超过这一里程后才需要启动内燃机。因此它的燃油经济性进一步提高, 二氧化碳和氮氧化物排放更少。

据统计: 法国城镇居民的用车, 80% 的日均驾车里程少于50 km; 在美国, 汽车驾驶者的用车也有60%以上日均行驶里程少于50km, 80%以上日均行驶里程少于90 km。因此PHEV 有很好的适用性, 特别适合于一周5天驾车上下班, 行驶里程50~ 90 km 之间的工薪族使用。

1. 3 燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车采用质子交换膜燃料电池(PEMFC) 作为发动机驱动电源, 典型结构见图3。PEMFC作为一种氢燃料电池, 排放生成物是水及水蒸气, 因此可以说对环境零污染。PEMFC能量转换效率高达60%~70%, 而且运行在无机械振动、低噪声、低热辐射。作为氢燃料电池燃料, 氢的热值高, 1 kg氢和3. 8 L汽油的热值相当。在我国, 国家科技部将研发燃料电池客车和燃料电池轿车列为“十五”、“十一五”计划和“863”重大科技项目, 并已取得一系列重大科技成果。

但是, 目前的PEMFC 还存在许多问题有待解决。

首先, 燃料电池的耐久性寿命短, 目前我国研制的PEMFC 使用寿命一般仅1000~1200 h(国外2200h) ; 燃料电池汽车行驶4~5万km后驱动功率会下降约40%, 相比之下, 传统的内燃机汽车一般可以行驶50万km, 差距很大。

其次, 燃料电池发动机的制造和运行成本居高不下, 特别是目前我国PEMFC技术相对落后,所需要的关键材料和关键部件如质子交换膜、炭纸、铂金属催化剂、高纯度石墨粉、氢回收泵、增压空气泵等还只能依靠进口,价格很高。目前我国的燃料电池发动机制造成本约3万元/ kW(国外成本为3000美元/kW) , 与传统内燃机仅200~350元/ kW 的制造成本相比差距巨大。燃料电池汽车的使用成本也过于高昂,例如燃用的高纯度( 99. 999% ) 高压( 超过20MPa, )氢, 目前的售价约80~100元/kg, 按1kg氢可发10kWh电能计算, 仅燃料费即约为10元/ kWh。燃料电池发动机的运行动力总成本包括折旧费,燃料电池工作寿命按1000h计算折旧费为30元/ kWh, 这样燃料电池汽车的动力总成本将达40元/kWh。

再次, PEMFC 对工作环境的适应性很差。国产PEMFC可在0~ 40℃气温下工作, 低于0℃有结冰问题, 高于40℃过热不能正常工作。运行中的PEMFC 对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物等都十分敏感, 铂催化剂极易污染中毒失效。另外, 氢气作为一种气体, 它的储运和分配也有许多困难有待解决。

尽管存在如此多的问题, 但是燃料电池汽车目前仍然是最清洁的并且最有发展前景的新能源汽车之一, 只要技术上有进一步突破, 成本有大幅度下降, 燃料电池汽车就完全有可能推广。

2 电动汽车充放电技术

随着配电网智能化水平的提高和需求侧管理技术的进步, 未来电动汽车的车载电池可能作为智能电网中的移动储能单元。车电互联(V2G) 就是指电动车辆作为移动储能单元接入电网, 在受控状态下实现与电网之间的信息与能量双向互动, 电动汽车充放电站建设是智能电网用电环节的重要内容。汽车平均每天仅行驶1 h, 95%的时间处于停驶状态; 接入电网的电动汽车数量足够多时, 作为可移动的分布式储能装置可以有效地用于削峰填谷、平衡负荷等。特别是在将来可能形成的可再生能源发电比例较高的微电网系统中, 通过电动汽车的合理充放电, 可以有效平衡可再生能源波动性, 帮助电网有效接纳可再生能源发电。

目前电动汽车充放电技术主要有单向无序的VOG 模式, 单向有序的TC 和V1G 模式, 双向有序的V2G 模式。

2. 1 单向无序电能供给

VOG(Vehicles Plug-in without Logic/ Control) 是指把电动汽车作为普通用电设备, 采用成熟的单向变流技术, 可以随时接入电网立即充电的模式。VOG 是目前电动汽车最常见的充电方式, 例如高尔夫车、机场摆渡车等专用电动车, 以及国内外新建的一些公共充电设施, 又如北京奥运会电动汽车充电站都采用这种充电方式。目前VOG 存在的最大问题, 是电动汽车充电作为大功率的、用电负荷无约束的使用, 也就是说VOG充电的运行增加了电网调峰的难度。

2. 2 单向有序电能供给

TC(Timed Charging ) 模式, 即时间控制模式, 是一种单相有序电能供给的充电模式。采用这种模式电动汽车在给定的时段充电, 通过控制开始充电时间, 实现错峰充电, 避免在电网负荷高峰时段充电, 与此同时用户还可以享受到谷电的优惠。但是由于种种原因, 目前的时间控制模式还不能完全根据电网峰谷状态灵活地控制充电过程。这种模式的充电还是采用单向变流技术, 不需要与电网进行实时通信, 目前技术装备已经成熟, 已进入示范运行阶段。

V1G ( Vehicles Plug-in with Logic/ Control Regulated Charge) 也是一种单相有序电能供给的充电模式。采用这种模式, 电动汽车与电网进行实时通信, 充电受电网控制, 可在电网允许时刻进行充电, 通过优化充电安排提高电网效率。目前美国西北太平洋国家实验室( PNNL) 发布了名为“Smart Charger Controller”的电动汽车用充电控制装置, 配备了近距离无线通信模块, 可接收来自电力企业的电费价格设定等信息, 并与智能电网技术结合自动避开高峰时间充电。该装置的ZigBee/IEEE 802. 15标准己经提交IEC,申请作为国际标准, 目前已经作为美国智能电网1. 0 首批发布的标准。

2. 3 双向有序电能的转换

电动汽车采用单向技术充电只能从电网中得到电能不能将多余的电能反馈到电网中。采用双向有序的电能转换的充电模式, 电动汽车车载电池可以作为一种移动储能单元与电网进行双向电能转换。家用汽车大部分时间处于停止状态, 如果接入电网的电动汽车数量足够多时, 就可以作为可移动的分布式储能装置用于削峰填谷、平衡负荷等, 提高电网运行的效率, 同时给电动汽车用户带来直接的经济效益。

采用V2G(Vehicle To Grid)模式, 电动汽车与电网的能量管理系统通信, 并受其控制, 实现电动汽车与电网的能量转换(充、放电) 。目前V2G相关研究及示范主要在美国进行, 其中美国特立华大学于2007 年10月成功将一辆AC Propulsion eBox ( Toyota Scion改装车) 接入电网, 并接受调度指令, 车辆作为调频、备用发电设备运行。据示范运行测算, 每年每车可以为电力企业带来约4000美元的效益。

上海市电力公司目前已建成了漕溪电动汽车充放电站与世博国家电网馆充放电站两座具有V2G 功能的电动汽车充放电示范站。两站各具有一台30 kW 的直流V2G 充放电机, 既可以作为常规充电机实现即时充电、预约充电等, 还可以根据后台管理系统接受电网的调度指令,动态调整工作状态与功率, 实现电动汽车与电网的双向能量互动。目前V2G 模式还处于试验示范阶段, 还不具备商业化运行的市场环境。为此还需要先进电网通信、调度、控制与保护技术配合, 需要峰谷电价政策以及电动汽车接入电网提供调峰调频调整、需求响应等有偿服务政策的支持。