于德翔:17项关键技术撑起电动汽车"充电网"

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新能源汽车凭借其环保等优势,受到不少市民的青睐。在国家大力支持新能源汽车发展,以及环保理念越来越深入人心的当下,新能源汽车的发展前景似乎一片光明,但其充电问题则是长期以来广大用户最关心的问题之一。

于德翔:17项关键技术撑起电动汽车"充电网"

据有关数据统计,到2030年,我国电动汽车规模有望达到1亿辆,届时电动汽车充电负荷将占到城市居民负荷的30%以上,仅仅依靠小区和企事业单位电网的能力完全无法承受如此大规模充电桩的无序充电!建立满足规模化电动汽车每天充电的“充电网”成为破解这一难题的关键。

与充电桩单一的充放电功能不同,充电网其实是一个小型复杂的微电网:对上连接着配电网,和电网间通过微调度形成智能互动;对下和电动汽车间形成安全智能充电和汽车大数据应用;对客户通过互联网链接需求和个性体验,在能源端实现低谷充电、高峰卖电,实现新能源车充新能源电。

目前,全球业界尚未建立对充电网完整技术体系的认识,其原因是充电网涉及技术的多学科、控制的多系统、问题的多维度、应用的多场景,形成了高度复杂的汽车、能源、人之间的技术和应用的新链接、新融合。

只有真正掌握了支撑电动汽车充电网的17项关键技术,即新型高效电力电子器件应用技术;充放电双向灵活变换和控制技术;充电网和汽车间的主动安全防护及故障隔离技术;大功率柔性充电及电池寿命提升技术;基于大数据的群管群控有序充电及车主、电网智能互动技术;车、充、网、平台的高可靠通信及控制技术;充电网和新能源微电网的直流柔性融合和能量路由技术;充电网的故障分析、隔离与快速恢复技术;面向无人驾驶的人工智能充电弓和无线充电技术;规模化电动汽车充电的电网互动协同技术;跨平台的互联互通及信息安全防护技术;超大规模云平台高并发与高可用技术;基于充电网的汽车工业大数据分析诊断技术;基于海量传感器和人工智能的透明充电网在线诊断与智能运维技术;基于大数据云平台的能源系统和充电体系的深度融合技术;基于区块链的计量、计费和分布式交易结算技术;变电、配电、充电、放电、光伏、储能一体化集成技术,才有望切实解决“充电难”这一世界级难题。

新型高效电力电子器件应用技术。电力电子器件是汽车充电网中实现电能变换和控制的核心,是影响充电网的效率、可靠性、安全性及性价比的关键基础,规模化充电网的建设需要不断探索和充分应用电力电子器件的发展成果。以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带新型电力电子器件的设计及应用技术,带来了充电网功率模块在更高电压等级(1000V+)、更高功率密度(60W/in3)和更高效率(98%)等诸多方面的突破,需要以新型高效电力电子器件为基础持续改进充电用电力电子模块的基本拓扑、结构封装以及综合集成技术。

充放电双向灵活变换和控制技术。未来的规模化电动汽车除了作为便捷的交通工具外,还将成为支撑电网运行的分布式移动储能资源,低谷充电、高峰买电,车和电网之间的双向能量交互式是必然趋势,充电模块必须支持能量的双向变换及智能控制。相比于传统的单向变换技术,双向充放电技术在系统拓扑结构和控制技术上变得更加复杂,设计中的边界约束条件更多。双向LLC,CLLC及DAB等双向拓扑及四象限控制技术逐步取代现有的单向拓扑控制技术。双向变换的充电模块需要提供更宽的功率变换范围,能够支持对端口电压、电流及其变化速率等进行更灵活的调整,能够适应并改善电池侧的不均衡性,适应并改善电网侧的电能质量。

充电网和汽车间的主动安全防护及故障隔离技术。电动汽车的充电安全是一个复杂的系统工程,这个系统中包含了车辆、电池、用户、电网、环境等因素。但遗憾是传统的电动汽车充电安全仅仅通过电池BMS实现,所以导致了很多的电动汽车充电事故的发生。主动防护安全技术从系统的角度出发,构建了互为备份,协同互动的安全保护策略,同时实现了电池安全、车辆安全、人身安全、充电设施安全及电网的安全,使得系统安全性大幅提高。同时,故障隔离技术实现了单一故障的及时检测、保护和分离,防止故障的蔓延。故障隔离技术包含了车与车之间、车与桩之间,桩与人之间及桩与电网之间的故障隔离。

大功率柔性充电及电池寿命提升技术。充电安全和电池寿命在任何时候都是充电网首先要考虑的两个最重要因素,特别是对于大功率充电,最核心的技术之一就是如何保证充电安全和电池寿命的延长,并避免对电网的冲击,包括智能检测技术、电池管理核心算法,大数据应用技术及自学习人工智能技术等。主要的难点在于,针对各种不同车型、不同电池类型和不同的工况,计算出不同的充电策略和保护策略;快速的电压电流调节;历史充电信息提取,电池类型的自识别,不同类型电池专家系统的建立等。除此之外,需要解决的问题就是大电流、高电压带来的系统发热及拉弧等自身安全问题。

基于大数据的群管群控有序充电及车主、电网智能互动技术。规模化发展的电动汽车对电网既是宝贵的资源,更是巨大的挑战。电动汽车充电服务需要利用充电负荷可调节的特性,通过有序充电错开电网中其他负荷的高峰;在更大的范围来看,电动汽车需要为电网的调峰、调频提供支撑,特别随着波动性强的风、光新能源发电比例不断提高,分布式电动汽车储能需要通过和新能源发电虚拟组网参与调峰调频。另外实现移动储能资源的利用,还涉及到人和社会的因素,需要以市场机制为基础,基于大数据分析,在确保车辆的基本出行需求的基础上把电网对辅助服务的需求和电动汽车移动储能的供给有效的连接起来,充分激励电动汽车的拥有者释放出移动储能资源。

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