燃料电池电动汽车 - 电动汽车储能及充放电相关技术

　　燃料电池电动汽车采用质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为发动机驱动电源,典型结构见图3。PEMFC作为一种氢燃料电池,排放生成物是水及水蒸气,因此可以说对环境零污染。PEMFC能量转换效率高达60%~70%,而且运行在无机械振动、低噪声、低热辐射。作为氢燃料电池燃料,氢的热值高,1kg氢和3.8L汽油的热值相当。在我国,国家科技部将研发燃料电池客车和燃料电池轿车列为“十五”、“十一五”计划和“863”重大科技项目,并已取得一系列重大科技成果。

　　但是,目前的PEMFC还存在许多问题有待解决。

　　首先,燃料电池的耐久性寿命短,目前我国研制的PEMFC使用寿命一般仅1000~1200h(国外2200h);燃料电池汽车行驶4~5万km后驱动功率会下降约40%,相比之下,传统的内燃机汽车一般可以行驶50万km,差距很大。

　　其次,燃料电池发动机的制造和运行成本居高不下,特别是目前我国PEMFC技术相对落后,所需要的关键材料和关键部件如质子交换膜、炭纸、铂金属催化剂、高纯度石墨粉、氢回收泵、增压空气泵等还只能依靠进口,价格很高。目前我国的燃料电池发动机制造成本约3万元/kW(国外成本为3000美元/kW),与传统内燃机仅200~350元/kW的制造成本相比差距巨大。燃料电池汽车的使用成本也过于高昂,例如燃用的高纯度(99.999%)高压(超过20MPa,)氢,目前的售价约80~100元/kg,按1kg氢可发10kWh电能计算,仅燃料费即约为10元/kWh。燃料电池发动机的运行动力总成本包括折旧费,燃料电池工作寿命按1000h计算折旧费为30元/kWh,这样燃料电池汽车的动力总成本将达40元/kWh。

　　再次,PEMFC对工作环境的适应性很差。国产PEMFC可在0~40℃气温下工作,低于0℃有结冰问题,高于40℃过热不能正常工作。运行中的PEMFC对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物等都十分敏感,铂催化剂极易污染中毒失效。另外,氢气作为一种气体,它的储运和分配也有许多困难有待解决。

　　尽管存在如此多的问题,但是燃料电池汽车目前仍然是最清洁的并且最有发展前景的新能源汽车之一,只要技术上有进一步突破,成本有大幅度下降,燃料电池汽车就完全有可能推广。

　　2电动汽车充放电技术

　　随着配电网智能化水平的提高和需求侧管理技术的进步,未来电动汽车的车载电池可能作为智能电网中的移动储能单元。车电互联(V2G)就是指电动车辆作为移动储能单元接入电网,在受控状态下实现与电网之间的信息与能量双向互动,电动汽车充放电站建设是智能电网用电环节的重要内容。汽车平均每天仅行驶1h,95%的时间处于停驶状态;接入电网的电动汽车数量足够多时,作为可移动的分布式储能装置可以有效地用于削峰填谷、平衡负荷等。特别是在将来可能形成的可再生能源发电比例较高的微电网系统中,通过电动汽车的合理充放电,可以有效平衡可再生能源波动性,帮助电网有效接纳可再生能源发电。

　　目前电动汽车充放电技术主要有单向无序的VOG模式,单向有序的TC和V1G模式,双向有序的V2G模式。

　　2.1单向无序电能供给

　　VOG(VehiclesPlug-inwithoutLogic/Control)是指把电动汽车作为普通用电设备,采用成熟的单向变流技术,可以随时接入电网立即充电的模式。VOG是目前电动汽车最常见的充电方式,例如高尔夫车、机场摆渡车等专用电动车,以及国内外新建的一些公共充电设施,又如北京奥运会电动汽车充电站都采用这种充电方式。目前VOG存在的最大问题,是电动汽车充电作为大功率的、用电负荷无约束的使用,也就是说VOG充电的运行增加了电网调峰的难度。

　　2.2单向有序电能供给

　　TC(TimedCharging)模式,即时间控制模式,是一种单相有序电能供给的充电模式。采用这种模式电动汽车在给定的时段充电,通过控制开始充电时间,实现错峰充电,避免在电网负荷高峰时段充电,与此同时用户还可以享受到谷电的优惠。但是由于种种原因,目前的时间控制模式还不能完全根据电网峰谷状态灵活地控制充电过程。这种模式的充电还是采用单向变流技术,不需要与电网进行实时通信,目前技术装备已经成熟,已进入示范运行阶段。

　　V1G(VehiclesPlug-inwithLogic/ControlRegulatedCharge)也是一种单相有序电能供给的充电模式。采用这种模式,电动汽车与电网进行实时通信,充电受电网控制,可在电网允许时刻进行充电,通过优化充电安排提高电网效率。目前美国西北太平洋国家实验室(PNNL)发布了名为“SmartChargerController”的电动汽车用充电控制装置,配备了近距离无线通信模块,可接收来自电力企业的电费价格设定等信息,并与智能电网技术结合自动避开高峰时间充电。该装置的ZigBee/IEEE802.15标准己经提交IEC,申请作为国际标准,目前已经作为美国智能电网1.0首批发布的标准。

　　2.3双向有序电能的转换

　　电动汽车采用单向技术充电只能从电网中得到电能不能将多余的电能反馈到电网中。采用双向有序的电能转换的充电模式,电动汽车车载电池可以作为一种移动储能单元与电网进行双向电能转换。家用汽车大部分时间处于停止状态,如果接入电网的电动汽车数量足够多时,就可以作为可移动的分布式储能装置用于削峰填谷、平衡负荷等,提高电网运行的效率,同时给电动汽车用户带来直接的经济效益。

　　采用V2G(VehicleToGrid)模式,电动汽车与电网的能量管理系统通信,并受其控制,实现电动汽车与电网的能量转换(充、放电)。目前V2G相关研究及示范主要在美国进行,其中美国特立华大学于2007年10月成功将一辆ACPropulsioneBox(ToyotaScion改装车)接入电网,并接受调度指令,车辆作为调频、备用发电设备运行。据示范运行测算,每年每车可以为电力企业带来约4000美元的效益。

　　上海市电力公司目前已建成了漕溪电动汽车充放电站与世博国家电网馆充放电站两座具有V2G功能的电动汽车充放电示范站。两站各具有一台30kW的直流V2G充放电机,既可以作为常规充电机实现即时充电、预约充电等,还可以根据后台管理系统接受电网的调度指令,动态调整工作状态与功率,实现电动汽车与电网的双向能量互动。目前V2G模式还处于试验示范阶段,还不具备商业化运行的市场环境。为此还需要先进电网通信、调度、控制与保护技术配合,需要峰谷电价政策以及电动汽车接入电网提供调峰调频调整、需求响应等有偿服务政策的支持。