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燃料電池電動(dòng)汽車(chē)采用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源,典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。PEMFC作為一種氫燃料電池,排放生成物是水及水蒸氣,因此可以說(shuō)對(duì)環(huán)境零污染。PEMFC能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%~70%,而且運(yùn)行在無(wú)機(jī)械振動(dòng)、低噪聲、低熱輻射。作為氫燃料電池燃料,氫的熱值高,1kg氫和3.8L汽油的熱值相當(dāng)。在我國(guó),國(guó)家科技部將研發(fā)燃料電池客車(chē)和燃料電池轎車(chē)列為“十五”、“十一五”計(jì)劃和“863”重大科技項(xiàng)目,并已取得一系列重大科技成果。
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但是,目前的PEMFC還存在許多問(wèn)題有待解決。
首先,燃料電池的耐久性壽命短,目前我國(guó)研制的PEMFC使用壽命一般僅1000~1200h(國(guó)外2200h);燃料電池汽車(chē)行駛4~5萬(wàn)km后驅(qū)動(dòng)功率會(huì)下降約40%,相比之下,傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)一般可以行駛50萬(wàn)km,差距很大。
其次,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造和運(yùn)行成本居高不下,特別是目前我國(guó)PEMFC技術(shù)相對(duì)落后,所需要的關(guān)鍵材料和關(guān)鍵部件如質(zhì)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(jìn)口,價(jià)格很高。目前我國(guó)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本約3萬(wàn)元/kW(國(guó)外成本為3000美元/kW),與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)僅200~350元/kW的制造成本相比差距巨大。燃料電池汽車(chē)的使用成本也過(guò)于高昂,例如燃用的高純度(99.999%)高壓(超過(guò)20MPa,)氫,目前的售價(jià)約80~100元/kg,按1kg氫可發(fā)10kWh電能計(jì)算,僅燃料費(fèi)即約為10元/kWh。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行動(dòng)力總成本包括折舊費(fèi),燃料電池工作壽命按1000h計(jì)算折舊費(fèi)為30元/kWh,這樣燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力總成本將達(dá)40元/kWh。
再次,PEMFC對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性很差。國(guó)產(chǎn)PEMFC可在0~40℃氣溫下工作,低于0℃有結(jié)冰問(wèn)題,高于40℃過(guò)熱不能正常工作。運(yùn)行中的PEMFC對(duì)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(chǔ)運(yùn)和分配也有許多困難有待解決。
盡管存在如此多的問(wèn)題,但是燃料電池汽車(chē)目前仍然是最清潔的并且最有發(fā)展前景的新能源汽車(chē)之一,只要技術(shù)上有進(jìn)一步突破,成本有大幅度下降,燃料電池汽車(chē)就完全有可能推廣。
2電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)
隨著配電網(wǎng)智能化水平的提高和需求側(cè)管理技術(shù)的進(jìn)步,未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載電池可能作為智能電網(wǎng)中的移動(dòng)儲(chǔ)能單元。車(chē)電互聯(lián)(V2G)就是指電動(dòng)車(chē)輛作為移動(dòng)儲(chǔ)能單元接入電網(wǎng),在受控狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的信息與能量雙向互動(dòng),電動(dòng)汽車(chē)充放電站建設(shè)是智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)的重要內(nèi)容。汽車(chē)平均每天僅行駛1h,95%的時(shí)間處于停駛狀態(tài);接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量足夠多時(shí),作為可移動(dòng)的分布式儲(chǔ)能裝置可以有效地用于削峰填谷、平衡負(fù)荷等。特別是在將來(lái)可能形成的可再生能源發(fā)電比例較高的微電網(wǎng)系統(tǒng)中,通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的合理充放電,可以有效平衡可再生能源波動(dòng)性,幫助電網(wǎng)有效接納可再生能源發(fā)電。
目前電動(dòng)汽車(chē)充放電技術(shù)主要有單向無(wú)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(wú)序電能供給
VOG(VehiclesPlug-inwithoutLogic/Control)是指把電動(dòng)汽車(chē)作為普通用電設(shè)備,采用成熟的單向變流技術(shù),可以隨時(shí)接入電網(wǎng)立即充電的模式。VOG是目前電動(dòng)汽車(chē)最常見(jiàn)的充電方式,例如高爾夫車(chē)、機(jī)場(chǎng)擺渡車(chē)等專(zhuān)用電動(dòng)車(chē),以及國(guó)內(nèi)外新建的一些公共充電設(shè)施,又如北京奧運(yùn)會(huì)電動(dòng)汽車(chē)充電站都采用這種充電方式。目前VOG存在的最大問(wèn)題,是電動(dòng)汽車(chē)充電作為大功率的、用電負(fù)荷無(wú)約束的使用,也就是說(shuō)VOG充電的運(yùn)行增加了電網(wǎng)調(diào)峰的難度。
2.2單向有序電能供給
TC(TimedCharging)模式,即時(shí)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(dòng)汽車(chē)在給定的時(shí)段充電,通過(guò)控制開(kāi)始充電時(shí)間,實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰充電,避免在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段充電,與此同時(shí)用戶(hù)還可以享受到谷電的優(yōu)惠。但是由于種種原因,目前的時(shí)間控制模式還不能完全根據(jù)電網(wǎng)峰谷狀態(tài)靈活地控制充電過(guò)程。這種模式的充電還是采用單向變流技術(shù),不需要與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,目前技術(shù)裝備已經(jīng)成熟,已進(jìn)入示范運(yùn)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(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,充電受電網(wǎng)控制,可在電網(wǎng)允許時(shí)刻進(jìn)行充電,通過(guò)優(yōu)化充電安排提高電網(wǎng)效率。目前美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)發(fā)布了名為“SmartChargerController”的電動(dòng)汽車(chē)用充電控制裝置,配備了近距離無(wú)線(xiàn)通信模塊,可接收來(lái)自電力企業(yè)的電費(fèi)價(jià)格設(shè)定等信息,并與智能電網(wǎng)技術(shù)結(jié)合自動(dòng)避開(kāi)高峰時(shí)間充電。該裝置的ZigBee/IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)己經(jīng)提交IEC,申請(qǐng)作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),目前已經(jīng)作為美國(guó)智能電網(wǎng)1.0首批發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。
2.3雙向有序電能的轉(zhuǎn)換
電動(dòng)汽車(chē)采用單向技術(shù)充電只能從電網(wǎng)中得到電能不能將多余的電能反饋到電網(wǎng)中。采用雙向有序的電能轉(zhuǎn)換的充電模式,電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池可以作為一種移動(dòng)儲(chǔ)能單元與電網(wǎng)進(jìn)行雙向電能轉(zhuǎn)換。家用汽車(chē)大部分時(shí)間處于停止?fàn)顟B(tài),如果接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量足夠多時(shí),就可以作為可移動(dòng)的分布式儲(chǔ)能裝置用于削峰填谷、平衡負(fù)荷等,提高電網(wǎng)運(yùn)行的效率,同時(shí)給電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益。
采用V2G(VehicleToGrid)模式,電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)通信,并受其控制,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換(充、放電)。目前V2G相關(guān)研究及示范主要在美國(guó)進(jìn)行,其中美國(guó)特立華大學(xué)于2007年10月成功將一輛ACPropulsioneBox(ToyotaScion改裝車(chē))接入電網(wǎng),并接受調(diào)度指令,車(chē)輛作為調(diào)頻、備用發(fā)電設(shè)備運(yùn)行。據(jù)示范運(yùn)行測(cè)算,每年每車(chē)可以為電力企業(yè)帶來(lái)約4000美元的效益。
上海市電力公司目前已建成了漕溪電動(dòng)汽車(chē)充放電站與世博國(guó)家電網(wǎng)館充放電站兩座具有V2G功能的電動(dòng)汽車(chē)充放電示范站。兩站各具有一臺(tái)30kW的直流V2G充放電機(jī),既可以作為常規(guī)充電機(jī)實(shí)現(xiàn)即時(shí)充電、預(yù)約充電等,還可以根據(jù)后臺(tái)管理系統(tǒng)接受電網(wǎng)的調(diào)度指令,動(dòng)態(tài)調(diào)整工作狀態(tài)與功率,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的雙向能量互動(dòng)。目前V2G模式還處于試驗(yàn)示范階段,還不具備商業(yè)化運(yùn)行的市場(chǎng)環(huán)境。為此還需要先進(jìn)電網(wǎng)通信、調(diào)度、控制與保護(hù)技術(shù)配合,需要峰谷電價(jià)政策以及電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻調(diào)整、需求響應(yīng)等有償服務(wù)政策的支持。
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