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将电动汽车集成到未来电池储能系统中

来源:国际汽车设计及制造 发布时间:2022-05-23 982
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对可再生能源的需求也就不断增长,这导致公共电力服务部门对电池储能系统需求提高。

因为电网现代化进程的不断推进、锂离子电池在可再生能源领域的日益普及、低碳和低化石燃料经济的兴起以及可再生能源革命的不断进行,推动了电网储能系统的需求不断增加。近日,MarketsandMarkets发布的最新研究报告《2022至2027年全球预测——新冠疫情对电池储能系统市场的影响》显示,全球电池储能系统市场规模预计将从2022年的44亿美元增长到2027年的151亿美元,复合年增长率为27.9%。
该报告还发布了以下几大分析预测:


◆2021年锂离子电池在电池储能系统市场占据最大份额
由于锂离子电池具有能量和功率密度高、待机损耗低、寿命长(5~15年)、效率高达98%等优点,再加上锂离子硫电池储能系统支持频率调节、需求充电降低、电网缓冲和可再生集成,很适合接入电网,锂离子电池的使用率出现了相当快的增长。


◆2021年联网型电池储能系统在市场上占据主导地位
与离网系统相比,联网系统的前期成本更低,因为多余的能源被输送到电网后,可在以后的时间按照计量陆续使用。依靠公用电网供电的客户能源账单减少,有望推动该领域的增长。可再生能源供应商对电网现代化的需求和能源部门的新监管政策,也推动了公共服务联网电池储能系统市场的增长。


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Taycan 能够有效地充当“发电厂”,帮助提供用于平衡电网峰谷波动的电力


◆ 从2022年到2027年,公共电力服务应用将以最高复合年增长率增长

2021年,公共电力服务应用主导了电池储能系统市场,也有望在2022~2027这个预测期间保持最大的复合年增长率。满足高峰用电需求是促进公共电力服务市场增长的主要因素。电池储能系统(BESS)是在电力供应出现突然波动时,提供电能质量、频率和电压控制服务的公共服务系统。电池储能系统帮助电网运营商在可再生能源过剩时节约电能。大多数地区对可靠和高效电力供应的需求都在不断增加,对可再生能源的需求也就不断增长,这导致公共电力服务部门对电池储能系统需求提高。


◆ 亚太地区电池储能系统市场预计将在2022~2027年保持最高复合年增长率
在此预测期内,亚太地区有望成为全球电池储能系统市场增长速度最快的地区。亚太地区是电池储能系统产业的枢纽,有望见证某些离网的偏远地区实现电气化——使用住宅能源储存技术能够增加这些偏远地区和岛屿社区的电力供应。 亚太地区的储能投资预计将大幅增加,因为那些发展中经济体的政府部门正在制定新政策,以提高居民配电设施的可靠性和质量。亚太地区各国政府正在致力于尽量减少能源部门对环境的不利影响。这些因素都将增加电池储能系统在住宅和公共设施应用中的部署。

当汽车成为电池储能系统的一环


就目前的电动出行而言,电力主要朝一个方向流动,即从充电点流入车辆。借助于车辆到电网(vehicle-to-grid,简称V2G)的应用,这种情况或许很快就会改变。V2G技术的理念是使用双向充电设备,能够在任何特定时间进行充电或向外传输电动汽车的电量。本质上,它不仅将大容量电池视为电动汽车的动力工具,还将其视为电网的备用蓄电池。将来电动汽车在停泊时,可以将能量回馈至公用电网。现在的能源系统是电厂-电网-用户,这是从顶层设计的体系。问题在于用电有高峰期与低谷期,而电厂生产是没有峰谷的。作为更广泛的车辆蓄电池聚合系统的一部分,电动汽车能够有效地充当“发电厂”,帮助提供用于平衡电网峰谷波动的电力。

 
保时捷、电网运营公司Transnet BW和智能能源系统服务咨询公司(IE2S)对Taycan进行的V2G实际试点测试表明,可以在电动汽车智能群的高压电池中存储电力平衡电能,在本质上起到了缓冲作用,以减少波动的影响。Taycan是保时捷推出的首款纯电动量产车,标志着一代经典超跑品牌正式开启电动车时代。


专家们在家庭环境和实验室条件下,通过保时捷家庭能源管理器(HEM),将5辆量产版Taycan连接到电网,展示了这款电动汽车将自身车辆的电力输出到家用电网的能力。他们使用IE2S开发的基于云的池化系统,该系统将电网运营商的平衡功率设定点转换为特定于车辆的信号,然后该系统会根据电网的需要控制充电过程。在现场测试前,保时捷工程公司的专家们已对这些控制中心的软件进行了调整。


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当电动汽车不被驱动时可以将电能回馈到公共电网


在实际试点测试中,数据沟通的关键要素在于由IE2S开发的云基聚合系统。该系统通过将电网运营商的平衡功率设定值转换为具体的车辆信号,实时协调和控制电动汽车的充电过程,另外还控制着高频和同步双向数据传输。研究人员将云基聚合系统连接到设在斯图加特附近温德林根的Transnet BW主控中心,该中心通过传输网络,确保该地区、德国和欧洲的电力供应,管理和控制巴登-符腾堡州运营输电网中的能量流动和稳定性,同时还在研究以未来为导向的技术和开发新工艺。IE2S是Transnet BW和MHP的合资公司,MHP是保时捷的管理和IT咨询子公司。IE2S的使命是利用综合专业知识,为那些正在因能源和出行转型而改变商业模式的公司提供建议。


从安全角度考虑,德国在平衡功率方面有着严格的规定。保时捷三家公司试点测试获取的具体测量结果令人鼓舞:Taycan作为缓冲器,能使电网控制系统的目标值能够得到满足,适用于一级(频率控制备转容量,FCR)和二级(自动频率回复备转容量,aFRR)平衡功率。迅速稳定电网必须依赖FCR,而aFRR需要5分钟时间才能完全稳定可用。相关测量是在控制系统、资产(如Taycan车款、家用充电器及居家能源管理系统)及共享系统中进行。针对FCR,居家能源管理系统功能则延伸至包含本地频率测量。


Transnet BW首席财务官Dr. Rainer Pflaum表示:“这是一个真正可衡量的里程碑项目。专家团队成功地在控制系统和几辆Taycan电动汽车之间创建了复杂的通信基础设施,同时满足平衡电源存储和供电的严格要求,使我们能够将电动汽车集成到未来的智能电网中。”


多家车企投资V2G


当然,保时捷并不是唯一一家投资 V2G 的制造商。


日产汽车推出“日产能源计划”新试点项目,可用新一代的电动汽车聆风为家庭、企业和电网供电,该车有一个内置双向充电的功能。该计划的一个重要作用就是通过电动汽车的电池,平衡现行电网的峰谷问题。与此同时确保车辆对外供电的时候,不会对电池组产生负面的影响,确保车辆和能源系统的正常对接和运营。


“日产能源计划”首先瞄准的是车队,包括长时间停放在停车场的运营车队和市政车队等。如果车队车辆都换为日产聆风,通过软件系统与建筑设备链接起来,就可以对车队的充电和放电进行管理,削减高峰需求,节约大量资金,几年内就可以降低设备的费用和聆风的成本,并且减少碳排放。


目前,日产使用聆风车队进行了三个试点项目:一,在美国田纳西州弗兰克林,使用聆风车辆协助在电力需求高峰时期为期总部设施供电,预计可显著节省成本;二,在德国哈根,日产公司与技术公司The Mobility House以及能源供应商ENERVIE合作,实施用聆风车辆作为德国电网体系的储能部分的创新试点项目;三,在日本,日产正在和电力、电信公司合作,测试车辆与电网,以及虚拟电车系统,以确认和促进使用电动汽车协助管理能源系统。


福特汽车近日宣布和太平洋燃气电力公司(PG&E)达成合作关系,评估福特电动皮卡F-150 Lightning的双向充电能力。这种能力可实现车辆反向回馈电网:当电动汽车不使用的时候,车载电池的电能可以补给电网,相当于给车辆充电的“反向”操作。在实际运用上,电动汽车可以在夜间电费较低、电网较宽松的时候充电;而在电费较高、电网较紧张的高峰时段向电网提供能量。此举既可以让车主节省电费,又能减轻电网的压力。


PG&E称,将通过“早期采用者计划”探索福特的技术如何将汽车与电网和车主的家庭互联,以确定在停电期间如何使用电动汽车为人们的家庭供电,甚至在电力需求高峰期将电能反馈电网。


通用汽车也和PG&E围绕V2G技术进行合作,在加利福尼亚州北部的PG&E实验室测试双向充电技术以及“软件定义的通信协议”。根据该协议,在停电的情况下,充电后的电动汽车能够自动将电力输送到的家中。下一步通用汽车将在加利福尼亚州选定一批客户,在他们自己的家中测试这双向充电技术。


通用汽车公司负责电动汽车商业化的副总裁Rick Spina表示,预计到2025年,该公司在北美的电动汽车产能将达到100万辆。通用汽车目前尚未发布具有“车载负载”功能的电动汽车,但Spina表示将很快通过空中软件的更新来弥补这一缺失的功能。


现代汽车首款专属电动车型Ioniq 5拥有双向充电的优势:当汽车点火启动时,电脑、电动自行车或露营设备等大功率设备可以插入Ioniq 5后排座椅下方的双向充电端口,通过适配器,用汽车的电池进行充电,总输出功率约为3.6 kW。虽然传统的汽车电池可用于为笔记本电脑和手机充电,但如果将其连接到功能更强大的产品(例如便携式冰箱或音响系统)上,它们会很快耗尽电量。


结语


随着可再生能源的发展,为了保证电网安全运行,未来保持电力平衡将变得越来越重要,而风能和太阳能等可再生能源无法产生恒定的能量,将电动汽车纳入电池储能系统的一环或许是一种解法。
然而,电动汽车也不能随意地、毫无管理地接入到电网中,这是因为如果电网正处于峰值负荷需求,大量汽车的充电要求必然会对电网产生极其严重的影响。对于汽车而言,除了为电网提供辅助服务外,还必须能够满足日常的行驶需求。因此在向电网馈电的过程中,必须兼顾汽车自身的能量存储状态,以避免影响汽车的正常使用。


虽然V2G目前仍在开发中,但保时捷的试点测试证明该技术可用于扩展可再生能源的应用场景并在未来确保更稳定的电网。“平衡电力市场并不是这种蓄电池聚合系统的唯一用途,如果未来的电动汽车能将电能回馈到电网,将有助于扩大私人光伏系统等可再生能源的应用场景,进一步提高电动汽车的接受度。”保时捷公司执行董事会副主席Lutz Meschke说道。


来源:荣格-《国际汽车设计及制造》

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