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电动汽车车网互动发展前景与模式对比

作者:刘坚 来源:能源研究俱乐部 发布时间:2020-10-23 浏览:
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刘  坚

(国家发展改革委能源研究所)

01、车网互动趋势

电动汽车已逐渐成为我国规模增速最快、发展潜力最大的电力系统负荷侧灵活性资源。近年来锂离子电池能量密度、循环寿命等关键参数呈现快速进步趋势,成本仍有较大下降空间,大量电动汽车作为分布式储能为电力系统提供规模可观的灵活性资源,可大幅提升电力系统运行的安全稳定性和对波动性可再生能源的消纳能力。到2020年6月,我国新能源汽车累计推广量超过450万辆,按照每辆车动力电池容量50千瓦时估算,全国电动汽车车载储电容量超过2亿千瓦时,远超电化学储能累计装机规模。展望2030年,全国电动汽车保有量将接近1亿辆,若能有效挖掘电动汽车灵活调节潜力,将对我国高比例可再生能源的发展提供关键支撑。

02、车网互动模式对比

电动汽车可通过有序充电、双向互动(V2G)、换电等方式实现与电网的互动,而每种方式的互动潜力和经济性也有较大差异。其中,有序充电投资成本最低,目前7千瓦智能充电桩相比同功率普通交流充电桩成本增加约1000元,若电动乘用车全生命周期充电量80%参与有序充电,则电动汽车通过有序充电每转移1千瓦时电量的成本不到5分钱,远低于目前国内电化学储能调峰辅助服务补偿水平(0.5元/千瓦时以上)。

V2G成本主要取决于车载电池额外充放电导致的电池折旧成本。由于动力电池容量和循环寿命快速提升,新售电动汽车动力电池充放电能力已高于车辆实际出行用电需求,其提供V2G的边际成本快速下降。考虑到车辆通过V2G模式所实现的时移电量潜力远高于有序充电,长远来看其单位电量转移成本甚至可低于有序充电模式。V2G也存在一定的充放电基础设施投资成本,其参与电力市场的空间也受具体车辆充电地点的约束。例如乘用车更多选择住宅小区或公共停车场充电,其实现电价峰谷差套利和参与辅助服务的能力受地方目录电价、转供电、计量计费等因素影响。

与之相比,换电模式由于实现了车电分离,充电时间选择的裕度更高(相比快充模式)。此外,换电站选址可根据电价水平、电网条件集中布置,有助于实现电池储能的多重应用价值。但也需看到,换电站成本高,土地、基建、设备、电池等投资大、资产重。此外,当前换电站选址的首要因素仍是换电需求,用更短的时间和更少的投入满足更多用户的换电需求是目前换电站运营的核心逻辑,因此实际提供储能服务的灵活度有限。若未来换电模式成为一般乘用车用户的主流选择,电动汽车并网时间势必下降,影响车网互动应用空间。

电池技术的进步也将不断扩大车网互动的应用潜力。2020年以来主流电池企业纷纷发布百万公里续航长寿命电池技术,部分企业甚至表示即将生产全生命周期续航里程超过200万公里的动力电池。对于一般乘用车而言,假设每天充电接口接入时间为10小时,其中2小时满足车辆出行用电需求,剩余8小时用于与电网充放互动,充放电功率7千瓦,则每天电网交换电量约28千瓦时。即使不考虑电网是否存在调度需求等实际因素,车辆也需连续充放电8000天(超过20年)才能充分发挥电池储能能力。因此,制约电动汽车储能的因素将由原先电池寿命问题转变为车辆并网时间及充放电功率问题,实现更大规模的车网互动需要确保车辆有足够的并网时间。在一定的车用充电电量需求和充放电功率下,尽可能延长电池与电网连接的时间窗口将拓展车网互动的可能性。

03、问题与建议

尽管电动汽车储电对于电力系统具有巨大应用价值,车网互动成本也随着电池技术快速进步而直线下降,但当前车网互动还存在一系列技术、成本、行为方面的挑战。

首先,电动汽车储电有赖于充放电通讯及控制技术的升级。电动汽车与电网互动需要额外通讯及控制技术支持。虽然许多研究显示上述问题在技术上并非不可克服,但技术标准的缺失对推广电动汽车储电造成了现实障碍。此外,车网互动对低压配电网(变电箱容量、线路容量)的影响仍具不确定性,配电网技术升级对有效释放电动汽车储电潜力也至关重要。

其次,一般认为电动汽车储电将不可不免地加速动力电池容量衰减。理论上,特定电池技术路线、充放电工况、工作温度/湿度都会影响参与电网储电的能力1,也导致相关的经济性研究结论呈现较大差异2,3。根据本田公司的测试结果,电动车辆质保期内持续参与电网服务所导致的电池老化大约是车辆行驶的四分之一。尽管绝大多数研究显示电网储电会加速电池老化,但考虑到电池老化的复杂成因(日历寿命、容量、温度、荷电状态、放电深度等),对于部分电动汽车(长期闲置)实施V2G或将优化电池健康度,从而实现延长电池使用寿命的目的。华威大学研究发现,若引导闲置电动汽车参与V2G,则V2G非但不会加速电池老化,反而有助于延长电池使用寿命。由此可见合理的车网互动策略将有助于电池健康度的保持。

第三,额外的初始投资可能对推广车网互动带来障碍。电动汽车储电收益在于运营收益,但消费者往往更着眼于充放电设备升级等导致的额外投资成本。这与电动汽车购车决策类似,尽管电动汽车可通过油电差价弥补额外购置成本,但大多数消费者在购车决策中往往忽略该因素。根据国际能源署的估算,一般乘用车车主对燃油效率投资回收期的期望一般是3年或更短,也有调研显示美国消费者对V2G收益率的期望高达53%。

第四,电动汽车储电存在用户接受度的问题。车网互动将不可避免地影响电动车主的便利性,具体反映在日常出行/充电时间、续航里程等指标方面。以续航里程为例,研究显示若电动汽车续航从125英里提升至175英里,消费者的支付意愿约500美元;而从75英里提升至175英里,消费者的支付意愿高达4000美元。可见当车辆续航较短时,用户对车网互动的接受度相当有限;随着续航能力提升,用户接受度将明显提升。

第五,电动汽车储电存在电池质保问题。目前电动汽车企业往往提供基于年限或里程的电池/芯质保(如80%以上容量保持率)。动力电池与储电电池的充放电工况不尽相同,虽然动力电池理论上能够向电网提供充放电服务,但频繁的储电应用势必影响动力电池的健康状态,原先的电池质保方式势必难以适应车辆、电网双重应用的需求。

此外,我们也应充分认识到电动汽车储能在未来能源系统中与固定式储能有着截然不同的功能定位。相比固定式储能电站,电动汽车储能具有显著的规模优势,基于动力电池剩余充放电能力的电动汽车储能的经济性也高于固定储能电站。但电动汽车储能存在地理分布、车辆属性等方面的局限性。电动汽车一般位于低压用户侧,在缓解电网输配电阻塞、提升可再生能源并网等方面价值相对有限。因此电动汽车储能更适应用户侧分时电价管理、降低容量/需量电费、以及参与电能量现货市场和调频市场等提升电力系统运行效率、降低系统供电成本的经济性应用场景。在一定条件下,电动汽车也可起到一定的日间调峰和缓解部分输配电线路阻塞的作用。但在黑启动、备用电源、无功支撑等保障电力系统安全以及季节性调峰方面,电动汽车储能的局限性相对较大。相比V2G,电动汽车有序充电虽能通过改变充电时间实现负荷转移的“虚拟储能”效果,但认定有序充电原始负荷基线具有一定难度,其对聚合服务商的组织能力有更高要求。

因此,我们建议首先应明确电动汽车参与电力市场的身份与地位,加快电动汽车放电价格制定。第二,加快推进车网互动能力建设,加大配电网端双向电表和双向潮流控制等智能化改造投入,在配电网升级资金中给予车网互动、用户侧储能、分布式光伏等技术、新业态专门保障性支持。第三,完善电动汽车充放电计量计费工作,解决因转供电导致的峰谷分时电价信号传导不畅的问题。第四,适度降低电动汽车参与市场的功率及充放电时长门槛。第五,允许电动汽车通过平台聚合集成等方式参与电力市场交易,制定电动汽车聚合商作为电力零售商参与电力市场交易的规则,明确电动汽车聚合商参与市场交易的责任和义务,为大规模电动汽车平台化接入营造政策环境。第六,改变基于出行里程或使用年限的电池质保方式,以累计放电量作为电池质保参考标准。

参考文献:

[1]Marongiu A, RoscherM, Sauer DU. 2015. Influence of the vehicle-to-grid strategy on the aging behaviorof lithium battery electric vehicles. Appl. Energy 137:899–912

[2]Peterson SB, Apt J, Whitacre JF. 2010. Lithium-ion battery cell degradation resulting from realisticvehicle and vehicle-to-grid utilization. J. Power Sources 195:2385–92

[3]Bishop JDK, Axon CJ, Bonilla D, Tran M, Banister D, et al. 2013. Evaluating the impact of V2G serviceson the degradation of batteries in PHEV and EV. Appl. Energy 111:206–18

关键字:电动汽车

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