储能系统助力电动汽车快速充电基础设施建设

摘要

电动汽车（EV）将获得越来越多的市场份额，最终取代内燃机汽车。直流快速充电站将取代或整合加油站。太阳能、风能等可再生能源将为它们提供动力。人们将希望能在不到15分钟的时间内为电动汽车充满电，他们不愿排队等候唯一的充电桩。

考虑到有多个充电桩，电网需要提供的局部充电峰值功率超过1MW。电网可能在多个点上崩溃，或者需要投入巨额资金，改善输电线路和集中式发电厂，大幅提高基本负荷。但是，这种负荷是脉冲性的，必须与太阳能、风能等可再生能源产生的间歇性能量整合起来。

储能系统可以简单而优雅地解决这个问题。我们使用汽油、天然气等燃料来存储能量，并在需要时（如在为汽车加油时）再次利用。同理，我们可以利用电子和化学方法将电能存储在电池中。然后，可以利用此能量增加电动汽车充电量，通过调节功率峰值，保持电网稳定，或是在停电的情况下提供电源。

汽车市场已开始发生转变。2020年将售出近300万辆电动汽车，汽车总销量超过8000万辆。尽管300万辆看起来属于小众市场，但预测显示，电动汽车的销量将迅猛增长，2025年达到1000万 辆，2040年将超过5000万辆，届时的汽车总销量为1亿辆。这意味着，到2040年，售出的车辆中有50％是全电动汽车。对所有这些汽车来说，在家里时，要使用简单的壁挂式充电桩，如果是装有太阳能发电系统和储能电池的家庭，则使用几千瓦的直流充电器，通宵慢速充电；上街时，则通过充电桩快速充电，或者在未来的加油站超快地充电。

我们看到，在电动汽车市场快速崛起的同时，可再生能源发电市场（最近经历了太阳能光伏（PV）系统蓬勃发展的几年）仍保持着良好的增长势头，这与过去10年太阳能系统价格下降约80％和 强有力的脱碳举措是分不开的。今天，太阳能仅占全球发电量的5％以下，到2050年预计将占全球发电量的三分之一（33％）以上。

在未来用电负荷呈现间歇性特点的背景下，要充电的电动汽车 以及太阳能、风能等间歇性能源将面临一些挑战，比如如何以电网为中心，将能源生态系统里的这些新兴参与者整合起来。电动汽车等间歇性负荷需求要求提高输电线路规格，满足更高功率峰值需求。

太阳能发电将改变集中式发电厂的运作方式，确保电网不过载；人们将会要求更便捷的供电方式，他们家里的自用电将越来越多地由住宅太阳能发电系统提供。

为了使所有实体顺利合作并从可再生能源和零排放电动汽车受益，储能系统必须参与其中，确保我们可以存储和重用需求低时产生的电能（例如，晚上使用中午产生的太阳能），利用多余的能量来平衡电网负荷。

储能系统（ESS）相当于电能领域的油罐或煤炭仓库，可以用于住宅和工业规模的多种应用当中。在住宅应用中，很容易将光伏逆变器接入蓄电池，在家存储和使用能量，或者用太阳白天产 生的能量在晚上为汽车充电。在工业或公用事业规模的应用（如并网服务）中，储能系统可用于不同目的：从调节光伏和风能到能源套利，从后备支持到黑启动（消除柴油发电机），最重要的是从总成本角度考虑，可以延缓投资。在后一种情况下，可以利用储能系统满足电网节点峰值负荷需求，确保无需付出高昂成本、升级现有输电线路。另一个相关应用案例是离网设施，此时，储能系统使微电网或岛屿电能能自给自足。

图1． 可再生能源、储能系统和电动汽车充电基础设施的整合

考虑到所有可能应用，储能系统市场2045年之前将突破1000 GW发电量／2000 GWh产能的阈值，相比今天的10 GW发电量／20 GWh产能，可谓迅猛增长。

本文将重点讨论面向电动汽车充电基础设施的储能系统。

私人和公用交流充电基础设施虽然简单，但功率有限。1级交流充电器的工作电压为120 V，最大输出功率为2 kW。2级交流充电器的工作电压和最大输出功率分别可达240 V和20 kW。在两种情况下，车载充电器都要求将交流电转换为直流电。壁挂式交流充电桩与其说是充电器，不如说是计量和保护装置。由于成本、尺寸和重量的限制，汽车车载充电器的额定功率始终低于20 kW。

另一方面，直流充电允许以更高的功率对电动汽车充电：3级充电器的最高额定直流电压和额定功率分别为450 V和150 kW，最新的超级充电器（相当于4级）则可超过800 V和350 kW。出于安全原因，在输出接头插入车辆时，电压上限设为1000V直流。使用直流充电器时，能量转换是在充电桩中进行的，直流功率输出将充电桩与汽车电池直接连接起来。这就消除了车载充电器的必要性，同时还有减少占用空间、减轻重量的诸多好处。然而，在此过渡阶段，电动汽车充电基础设施仍然高度分散，且因国家／地区而异，电动汽车大都会使用一台11kW的小型车载充电器，使用户能在需要时通过交流电源插座充电。

提升充电功率需要增加工作电压，确保电流保持在电缆尺寸和成本的合理范围内，这意味着必须正确设计安装充电站的微电网或子电网并确定其规格。

我们不妨设想一款未来（2030年）的充电站，其中的燃料由电子组成，用称为输电线路的管道提供燃料，并通过变压器接入中压（MV）电网。目前，燃料存储在地下的巨大油罐中，定期通过 油罐车运到加油站。虽然始终通过电网提供新燃料（电子）似乎是一种简单的解决方案，没什么问题，但我们可以看到，如果我们想让驾驶员能够在不到15分钟的时间里为电动汽车充满电，那么这种简单的方法是无法持续的。

充电站有五个直流充电桩，每个充电桩最大可以输出500 kW的峰值功率。在最糟糕的情况下，五个充电桩同时为完全耗尽的电池充电，充电站必须考虑这一点。为了简化计算，我们现在假 设功率变换级和电池充威廉希尔官方网站 径中的损耗为零。在本文的后面，我们将看到即使整个电源链中的功率损耗很小，正常的设计也会被影响。

我们假设有五台电动汽车，每台均配备75 kWh的电池（当今上市的全电动汽车配备的电池容量为30 kWh至120 kWh），需要从10％的电量（SOC）充电至80％：

这意味着需要在15分钟内将262．5 kWh的电能从电网转移到电动汽车上：

电网必须连续15分钟向这些电动汽车提供略多于1 MW的电能。锂电池的充电过程要求恒定电流、恒定电压充电曲线，使电池充满80％所需功率大于充满最后20％所需功率。在我们的示例中， 假设以最大功率充至80％即停止充电。

充电站所在的电网（最好为子电网）必须间歇性地维持大于1MW的峰值。必须实施非常高效、高度复杂的有功功率因数校正（PFC）级，确保电网保持高效，不影响频率，也不造成不稳定。这也意味着必须安装非常昂贵的变压器，将低压充电站接入中压电网，确保将电能从电厂输送到充电站的输电线路在规格上能满足峰值功率需求。如果在充电站充电既有汽车，也有卡车和公交车，则所需功率会更高。

最简单、最经济的解决方案是使用太阳能、风能等可再生能源在当地生产的电能，而不是安装新的输电线路和大型变压器。这样用户就可以直连有多余电能的充电站，而不是完全依靠电网。实际上，可以在充电站或连接充电站的子电网附近安装100 kW至500 kW的太阳能光伏（PV）电站。

虽然光伏电源可以提供500 kW的电能，将对电网的功率需求降至500kW，但光伏电源具有间歇性的特点，并非总是存在。这就给电网带来了不稳定问题，使电动汽车驾驶员只能在阳光明媚时以最快的速度为车充电。这并非用户所需，也是不可持续的。