儲(chǔ)能系統(tǒng)助力電動(dòng)汽車快速充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

摘要

電動(dòng)汽車（EV）將獲得越來越多的市場(chǎng)份額，最終取代內(nèi)燃機(jī)汽車。直流快速充電站將取代或整合加油站。太陽能、風(fēng)能等可再生能源將為它們提供動(dòng)力。人們將希望能在不到15分鐘的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車充滿電，他們不愿排隊(duì)等候唯一的充電樁。

考慮到有多個(gè)充電樁，電網(wǎng)需要提供的局部充電峰值功率超過1MW。電網(wǎng)可能在多個(gè)點(diǎn)上崩潰，或者需要投入巨額資金，改善輸電線路和集中式發(fā)電廠，大幅提高基本負(fù)荷。但是，這種負(fù)荷是脈沖性的，必須與太陽能、風(fēng)能等可再生能源產(chǎn)生的間歇性能量整合起來。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單而優(yōu)雅地解決這個(gè)問題。我們使用汽油、天然氣等燃料來存儲(chǔ)能量，并在需要時(shí)（如在為汽車加油時(shí)）再次利用。同理，我們可以利用電子和化學(xué)方法將電能存儲(chǔ)在電池中。然后，可以利用此能量增加電動(dòng)汽車充電量，通過調(diào)節(jié)功率峰值，保持電網(wǎng)穩(wěn)定，或是在停電的情況下提供電源。

汽車市場(chǎng)已開始發(fā)生轉(zhuǎn)變。2020年將售出近300萬輛電動(dòng)汽車，汽車總銷量超過8000萬輛。盡管300萬輛看起來屬于小眾市場(chǎng)，但預(yù)測(cè)顯示，電動(dòng)汽車的銷量將迅猛增長(zhǎng)，2025年達(dá)到1000萬 輛，2040年將超過5000萬輛，屆時(shí)的汽車總銷量為1億輛。這意味著，到2040年，售出的車輛中有50％是全電動(dòng)汽車。對(duì)所有這些汽車來說，在家里時(shí)，要使用簡(jiǎn)單的壁掛式充電樁，如果是裝有太陽能發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池的家庭，則使用幾千瓦的直流充電器，通宵慢速充電；上街時(shí)，則通過充電樁快速充電，或者在未來的加油站超快地充電。

我們看到，在電動(dòng)汽車市場(chǎng)快速崛起的同時(shí)，可再生能源發(fā)電市場(chǎng)（最近經(jīng)歷了太陽能光伏（PV）系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的幾年）仍保持著良好的增長(zhǎng)勢(shì)頭，這與過去10年太陽能系統(tǒng)價(jià)格下降約80％和 強(qiáng)有力的脫碳舉措是分不開的。今天，太陽能僅占全球發(fā)電量的5％以下，到2050年預(yù)計(jì)將占全球發(fā)電量的三分之一（33％）以上。

在未來用電負(fù)荷呈現(xiàn)間歇性特點(diǎn)的背景下，要充電的電動(dòng)汽車 以及太陽能、風(fēng)能等間歇性能源將面臨一些挑戰(zhàn)，比如如何以電網(wǎng)為中心，將能源生態(tài)系統(tǒng)里的這些新興參與者整合起來。電動(dòng)汽車等間歇性負(fù)荷需求要求提高輸電線路規(guī)格，滿足更高功率峰值需求。

太陽能發(fā)電將改變集中式發(fā)電廠的運(yùn)作方式，確保電網(wǎng)不過載；人們將會(huì)要求更便捷的供電方式，他們家里的自用電將越來越多地由住宅太陽能發(fā)電系統(tǒng)提供。

為了使所有實(shí)體順利合作并從可再生能源和零排放電動(dòng)汽車受益，儲(chǔ)能系統(tǒng)必須參與其中，確保我們可以存儲(chǔ)和重用需求低時(shí)產(chǎn)生的電能（例如，晚上使用中午產(chǎn)生的太陽能），利用多余的能量來平衡電網(wǎng)負(fù)荷。

儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）相當(dāng)于電能領(lǐng)域的油罐或煤炭倉(cāng)庫(kù)，可以用于住宅和工業(yè)規(guī)模的多種應(yīng)用當(dāng)中。在住宅應(yīng)用中，很容易將光伏逆變器接入蓄電池，在家存儲(chǔ)和使用能量，或者用太陽白天產(chǎn) 生的能量在晚上為汽車充電。在工業(yè)或公用事業(yè)規(guī)模的應(yīng)用（如并網(wǎng)服務(wù)）中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可用于不同目的：從調(diào)節(jié)光伏和風(fēng)能到能源套利，從后備支持到黑啟動(dòng)（消除柴油發(fā)電機(jī)），最重要的是從總成本角度考慮，可以延緩?fù)顿Y。在后一種情況下，可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)峰值負(fù)荷需求，確保無需付出高昂成本、升級(jí)現(xiàn)有輸電線路。另一個(gè)相關(guān)應(yīng)用案例是離網(wǎng)設(shè)施，此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)使微電網(wǎng)或島嶼電能能自給自足。

圖1． 可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的整合

考慮到所有可能應(yīng)用，儲(chǔ)能系統(tǒng)市場(chǎng)2045年之前將突破1000 GW發(fā)電量／2000 GWh產(chǎn)能的閾值，相比今天的10 GW發(fā)電量／20 GWh產(chǎn)能，可謂迅猛增長(zhǎng)。

本文將重點(diǎn)討論面向電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

私人和公用交流充電基礎(chǔ)設(shè)施雖然簡(jiǎn)單，但功率有限。1級(jí)交流充電器的工作電壓為120 V，最大輸出功率為2 kW。2級(jí)交流充電器的工作電壓和最大輸出功率分別可達(dá)240 V和20 kW。在兩種情況下，車載充電器都要求將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。壁掛式交流充電樁與其說是充電器，不如說是計(jì)量和保護(hù)裝置。由于成本、尺寸和重量的限制，汽車車載充電器的額定功率始終低于20 kW。

另一方面，直流充電允許以更高的功率對(duì)電動(dòng)汽車充電：3級(jí)充電器的最高額定直流電壓和額定功率分別為450 V和150 kW，最新的超級(jí)充電器（相當(dāng)于4級(jí)）則可超過800 V和350 kW。出于安全原因，在輸出接頭插入車輛時(shí)，電壓上限設(shè)為1000V直流。使用直流充電器時(shí)，能量轉(zhuǎn)換是在充電樁中進(jìn)行的，直流功率輸出將充電樁與汽車電池直接連接起來。這就消除了車載充電器的必要性，同時(shí)還有減少占用空間、減輕重量的諸多好處。然而，在此過渡階段，電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施仍然高度分散，且因國(guó)家／地區(qū)而異，電動(dòng)汽車大都會(huì)使用一臺(tái)11kW的小型車載充電器，使用戶能在需要時(shí)通過交流電源插座充電。

提升充電功率需要增加工作電壓，確保電流保持在電纜尺寸和成本的合理范圍內(nèi)，這意味著必須正確設(shè)計(jì)安裝充電站的微電網(wǎng)或子電網(wǎng)并確定其規(guī)格。

我們不妨設(shè)想一款未來（2030年）的充電站，其中的燃料由電子組成，用稱為輸電線路的管道提供燃料，并通過變壓器接入中壓（MV）電網(wǎng)。目前，燃料存儲(chǔ)在地下的巨大油罐中，定期通過 油罐車運(yùn)到加油站。雖然始終通過電網(wǎng)提供新燃料（電子）似乎是一種簡(jiǎn)單的解決方案，沒什么問題，但我們可以看到，如果我們想讓駕駛員能夠在不到15分鐘的時(shí)間里為電動(dòng)汽車充滿電，那么這種簡(jiǎn)單的方法是無法持續(xù)的。

充電站有五個(gè)直流充電樁，每個(gè)充電樁最大可以輸出500 kW的峰值功率。在最糟糕的情況下，五個(gè)充電樁同時(shí)為完全耗盡的電池充電，充電站必須考慮這一點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們現(xiàn)在假 設(shè)功率變換級(jí)和電池充電路徑中的損耗為零。在本文的后面，我們將看到即使整個(gè)電源鏈中的功率損耗很小，正常的設(shè)計(jì)也會(huì)被影響。

我們假設(shè)有五臺(tái)電動(dòng)汽車，每臺(tái)均配備75 kWh的電池（當(dāng)今上市的全電動(dòng)汽車配備的電池容量為30 kWh至120 kWh），需要從10％的電量（SOC）充電至80％：

這意味著需要在15分鐘內(nèi)將262．5 kWh的電能從電網(wǎng)轉(zhuǎn)移到電動(dòng)汽車上：

電網(wǎng)必須連續(xù)15分鐘向這些電動(dòng)汽車提供略多于1 MW的電能。鋰電池的充電過程要求恒定電流、恒定電壓充電曲線，使電池充滿80％所需功率大于充滿最后20％所需功率。在我們的示例中， 假設(shè)以最大功率充至80％即停止充電。

充電站所在的電網(wǎng)（最好為子電網(wǎng)）必須間歇性地維持大于1MW的峰值。必須實(shí)施非常高效、高度復(fù)雜的有功功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)，確保電網(wǎng)保持高效，不影響頻率，也不造成不穩(wěn)定。這也意味著必須安裝非常昂貴的變壓器，將低壓充電站接入中壓電網(wǎng)，確保將電能從電廠輸送到充電站的輸電線路在規(guī)格上能滿足峰值功率需求。如果在充電站充電既有汽車，也有卡車和公交車，則所需功率會(huì)更高。

最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的解決方案是使用太陽能、風(fēng)能等可再生能源在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的電能，而不是安裝新的輸電線路和大型變壓器。這樣用戶就可以直連有多余電能的充電站，而不是完全依靠電網(wǎng)。實(shí)際上，可以在充電站或連接充電站的子電網(wǎng)附近安裝100 kW至500 kW的太陽能光伏（PV）電站。

雖然光伏電源可以提供500 kW的電能，將對(duì)電網(wǎng)的功率需求降至500kW，但光伏電源具有間歇性的特點(diǎn)，并非總是存在。這就給電網(wǎng)帶來了不穩(wěn)定問題，使電動(dòng)汽車駕駛員只能在陽光明媚時(shí)以最快的速度為車充電。這并非用戶所需，也是不可持續(xù)的。