5月22-24日，由充電樁網、充換電百人會、光儲充換產業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合主辦的2024第三屆中國國際充電樁及換電站展覽會、2024第十屆中國國際電動汽車充換電產業(yè)大會在上海汽車會展中心盛大舉辦。
在分論壇的設置上，11大專場論壇緊緊圍繞充換電產業(yè)的熱點話題展開，涵蓋車樁可信認證、新品發(fā)布、超充技術、區(qū)域運營、車網互動、社區(qū)充電、市場趨勢等多個方面，從技術創(chuàng)新到市場應用進行全方位探討，引領政府部門、專家學者及充換電上下游企業(yè)高層等2000+參會代表，一同探討充換電產業(yè)的無限機遇。
5月23日，「車網互動」專場論壇聚焦“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”作為車網互動標準化的理念，深入探討如何通過技術創(chuàng)新、市場管理，推動車網互動標準化，助力打造互利協(xié)同的充換電產業(yè)高質量發(fā)展生態(tài)。清華大學助理研究員 李亞倫以《電動汽車車能互動的充電機理、系統(tǒng)設計與智能調控》為主題進行演講。
演講整理
01
電動汽車的互動需求分析
隨著新能源汽車市場的迅速增長，今年4月上旬新能源汽車銷量占出口總銷量的50%，成為出口主力“新三樣”之一，市場地位不容小覷。
李亞倫表示，未來如何進一步發(fā)展成為重中之重。2022年，歐美推出了“貿易北約”標準化信息機制，重點關注電動汽車基礎設施，而中國則在去年提出了“構建車能路云協(xié)同產業(yè)生態(tài)”，并于12月發(fā)布了新能源汽車與電網融合的實施意見。
在該情況下，分析車能互動主要有兩個角度：首先是能源角度。當前，中心城市小區(qū)充電樁的安裝面臨嚴峻挑戰(zhàn)，迫使他們從無序充電轉向有序充電和車網互動的發(fā)展。其次是車輛角度。近年來，電池技術發(fā)展迅猛，三元電池的循環(huán)壽命可達1000次，對應600公里的續(xù)航，全生命周期使用壽命可達60萬公里，但用戶仍感受到電動汽車衰退快，續(xù)駛里程不足的問題。
他指出，事實上其內部原因在于，電池內部存在兩種衰減：循環(huán)衰減和日歷衰減。日歷衰減現(xiàn)狀不容樂觀，而循環(huán)衰減和日歷衰減耦合到一起，會產生進一步的耦合反應。車輛的使用過程正好是這種相互作用的過程，例如在家充滿電后可能要等到第二天才開車，中間會產生充電擱置的階段，這會將日歷壽命對電池的衰減影響耦合到循環(huán)壽命上。
鑒于此，可以預見未來電動汽車充電將朝兩個方向發(fā)展：一方面，居民小區(qū)從無序充電過渡到雙向充電，以解決電網容量不足的問題，同時降低電池使用過程中的衰減。另一方面，道路充電將朝著大功率充電方向發(fā)展，以應對臨時出行的緊急補充需求。只有這兩方面的協(xié)同支持，才能實現(xiàn)電動汽車充電生態(tài)的長期發(fā)展。他強調，要解決這些問題，需要從技術創(chuàng)新的機理到系統(tǒng)層面進行相應的改進。
02
電動汽車充電機理
他指出，充電機理可以分為三個方面：
1. 雙向充電的延壽機理
根據電池內部材料的負反應過程，如負極SEI的增長和正極高鎳三元材料的相變異性，結合文獻中的SEI生長和電位的關聯(lián)公式以及正極晶格應力和SEI的公式，得出了電池在SOC和電壓范圍內的衰減定性曲線。發(fā)現(xiàn)這曲線實際上是一個明顯的上凸函數特性。
利用上凸函數的特性，可以進行相應的工作。這種函數的特征是中值比兩側的平均值更高，因此可以通過雙向脈沖電流將單點電壓的擱置過程延伸到兩側，從而降低平均衰減速率比初始衰減速率更低。
通過設置正負脈沖電流，可以實現(xiàn)這種功能。對電池而言，充電內阻低于放電內阻，進一步降低衰減速率。
基于以上原因，實驗室設計了相應的試驗內容。比較了家庭充電后直接擱置的過程和充電過程中采用脈沖電流調節(jié)對電池壽命的影響分析。研究發(fā)現(xiàn)，采用合理的脈沖電流提高電池的總體壽命，但是要避免電池內部存在的其他副反應。
2.超快充電的安全機理
根據實驗室數據統(tǒng)計，大約四分之一的電動汽車火災事故與充電有關，而充電時間僅占不到總時間的10%。這表明充電過程中的安全風險更為突出。
他們觀察到，在高倍率充電過程中，通過顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)了負極表面出現(xiàn)鋰枝晶生長的現(xiàn)象。此外，在電池充電后的擱置和放電過程中，金屬鋰可以重新嵌入到負極，但重新嵌入材料反應的特性分析經常被忽視。
為了解決這一問題，設計了卡片電池的測試方法。在電池充電完成后，立即進行不同反應體系的分解，快速確定每個反應體系內的反應，以便在鋰重新嵌入之前捕捉到安全特征。
通過這種反應分析，揭示了電池快速充電時著火的機理。其核心是鋰在重新嵌入負極之前與電解液快速產生熱反應，同時還可能產生氣體，導致電池迅速膨脹、破裂，內部壓力升高并最終打開閥門。
3. 電位測量傳感器技術
無論雙向充電還是超快充電，其機理都與電池內部單個電極的電位密切相關，包括正負極的SCI衰減、顆粒破碎，以及析鋰等過程，這些都由內部的電極位置決定。因此，需要開發(fā)一種傳感器來實時監(jiān)測電池內部的電極位置。這種傳感器稱為參比電極，比如將銅絲鍍鋰嵌入電池內部以進行測量。然而，早在2018年，就有研究發(fā)現(xiàn)參比電極在測量過程中存在反常極化現(xiàn)象，這表明誤差來源于非均勻的局部電化學反應過程，難以精確量化。
為了應對這一情況，他們進行了局部液相電位偏差機制的建模研究，并通過局部放大獲取了參比電極誤差的電化學模型。進一步分析了影響誤差的因素，包括傳感器尺寸、液相擴散和充電倍率等，無法直接通過Map圖進行精確標定誤差。由于發(fā)現(xiàn)這些因素同時影響去極化電壓，于是采用間接估計方法，通過去極化電壓來估計誤差的大小。
有了精確的內部定位測量，可以將電池內部的正負極反應分析拓展到更大范圍和整個電池生命周期的充電過程中。這種技術還結合了模型預測算法，開發(fā)電池充電電流的控制方法。
在產業(yè)應用方面，他們孵化的企業(yè)昇科能源基于這些技術開發(fā)了超充電樁，實現(xiàn)了超級快速能源補給、低溫脈沖加熱和超強冷卻，保障了充電過程的安全性。
03
能源設施構型設計
為了實現(xiàn)前述的充電機制，必須將配置與能源系統(tǒng)進行整合。他介紹了團隊在能源系統(tǒng)方向所做的工作。
1、車載方面
通過對于如何實現(xiàn)雙向電流以延長電池壽命和加熱分析發(fā)現(xiàn)，在車輛上激勵電池的雙向電流研究一直存在，典型的研究是利用驅動電機產生正負電流以激勵電池。然而，由于電流幅值低、電機噪聲大以及加熱效果不佳，這項技術一直未能實際應用。
認識到電機和電池長期解耦分析存在的問題，他們開發(fā)了包括電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)耦合仿真分析的平臺。在電機系統(tǒng)上分析電機的噪聲，在電池系統(tǒng)上分析電池的衰減和電池的溫升，控制系統(tǒng)分析變流器構型及控制對電機和電池兩個之間的耦合關系。
基于這一分析平臺，最終發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法未能實現(xiàn)有效的雙向電流激勵的原因在于電機控制中的零電壓向量。具體來說，在高頻條件下，較少的零電壓向量能夠實現(xiàn)電流的高頻變化，這能產生相對較大的電池電流。然而，由于零電壓向量不足，電機頻繁的電流換向導致電機噪音。降低頻率增加零電壓向量的比例，會降低電池側的電流，這是一直未能解決的問題。
相應地，他們開發(fā)了一種新的構型——“雙模組架構”，將電池包內的電池分成兩組，分別與逆變器連接。這種設置使得在零電壓向量下能夠產生雙向電流，在低頻下維持雙向電流，并在其他電壓向量下增加雙向電流的賦值。
通過整車動力系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)該方法能夠實現(xiàn)80%以上的雙向電流能量利用效率。通過零電壓矢量的優(yōu)化能提升加熱電流，比傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)加熱電流的均方根值提高2-3倍的水平。電流形態(tài)的優(yōu)化降低了電機噪音，測試結果顯示大約能降低14分貝。
2、車下方面
光儲充換系統(tǒng)主要用于滿足高功率超快充電的需求，具體稱為光儲充換耦合系統(tǒng)，利用換電電池包作為儲能系統(tǒng)，支持乘用車的快充功率，參與電網調度并消納光伏發(fā)電。由于長途行駛，如高速公路或省道，高速重型卡車換電站和乘用車超充電站的交匯處，這項技術的實施具有重要意義。相應研究成果發(fā)表在能源領域頂級期刊《Joule》上，重點建立了服務模型，考慮電池規(guī)律進行綜合系統(tǒng)配置，并獲得了一系列優(yōu)化結果。
他重點介紹了其中兩個優(yōu)化結果：首先是降低電網的配容，通過分析實際乘用車快充站的功率需求和換電站的車流分析，最終實現(xiàn)了2.5MW的快充站，并降低了0.7MW的入網功率效果。其次考慮到電池衰減，通過集中調度提高設備利用率，分析系統(tǒng)運行全壽命周期的現(xiàn)金流。由于雙向設備帶來的成本增加，能夠在兩年內完全回收，從而實現(xiàn)良好的經濟效果。
2022年，團隊與殼牌及三家孵化的企業(yè)鏈宇、昇科、智鋰物聯(lián)在張家口示范了集合超充換電、光伏發(fā)電智能微網為一體的能源系統(tǒng)。為此，鏈宇科技推出了一系列硬件和軟件平臺，包括零碳園、AC/DC和DC/DC模塊，以及支持結算和增值的各種服務。
04
車能互動智能控制
針對車能互動的智能調節(jié)，他表示，在硬件基礎建立的同時，仍需要軟件將整個系統(tǒng)協(xié)調起來。
在車能互動方面，長期以來的一個挑戰(zhàn)是如何選擇示范場景。通過一系列探索，發(fā)現(xiàn)與農村光伏耦合是實現(xiàn)具體車能互動的有效途徑。建筑內配備熱泵，建筑外有電動汽車，建筑屋頂安裝光伏板，工業(yè)園區(qū)也采用這種場景推動車能互動的實際落地，是一種較好的突破點。
因此，整個系統(tǒng)的設計包括屋頂光伏、電動汽車儲能和柔性電力分配。目前，電網也在大力推廣區(qū)域儲能，特別是工業(yè)園區(qū)和農村區(qū)域。利用電動汽車儲能作為能量單位和臺區(qū)儲能作為功率單位，形成混合動力系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛和建筑負荷之間的靈活互動，提高能效。
在農村場景分析中，通過冬季熱泵的柔性能源利用，可以實現(xiàn)約17度的等效儲能容量，并擴展到電動汽車上考慮電動汽車的衰減，也有較好的SOC范圍，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的經濟運行。
具體來說，考慮到不同車輛和建筑的調度，團隊提出了基于優(yōu)先級的調度算法，能夠在考慮到車輛行駛和充電行為的隨機性后實現(xiàn)實時調度，大約減少了17%的用電峰值。
李亞倫總結道，目前團隊的孵化企業(yè)鏈宇科技已在天津、青島、義烏和上海等多地開始打造光儲充換和光儲直流園區(qū)系統(tǒng)，并進行了具體示范工作。
