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电动汽车车能互动的充电机理、系统构型与推广路径
李亚伦1，欧阳明高1，赵争鸣2
（1. 清华大学车辆与运载学院, 北京市 海淀区 100084
2. 清华大学电机工程与应用电子技术系, 北京市 海淀区 100084）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.241338
中国电动汽车产业取得了举世瞩目的成就，车能互动正在成为全球新能源汽车高质量发展的关注焦点，中国政府也在加快出台支持电动汽车与能源系统互动的政策。电动汽车车能互动是利用停车期间的动力电池与各种发电或用电单元之间进行充放电，实现对电力负荷的调节。电动汽车与能源系统融合互动是普及新能源汽车和构建新型电力系统的关键要素，亟需构建适应多主体交互的技术体系和发展路径。
2）电动汽车。
动力电池的日历寿命和循环寿命与机动车使用尚未完全匹配。利用动力电池的日历寿命和循环寿命之间的耦合关系，车能互动可以延长电池的综合寿命。增加电动汽车充放电电流可控性，车能互动能够提升动力电池的充电后安全检测的精度。车能互动的双向电流在电池内部产生极化产热，可提升电动汽车对低温等恶劣环境的适应性。综合考虑电动汽车补能需求和车能互动技术特点，电动汽车的充电将向双向充电和大功率快速充电两个技术方向变革：双向充电用于日常目的地充电，延长电池寿命，实现电池的保养；大功率快速充电用于车辆即充即走的远途出行工况，实现电池的安全诊断与预警，提升充电站对可再生能源的消纳能力。
1）电动汽车充电机理。
双向充电的延寿机理：电池充电衰减过程能够分解到电池正极、负极的副反应，电池正极和负极的衰减副反应速率分别受电池的正负极电位影响。全电池衰减速率一般随着电池电压的升高而加快，衰减速率的上升速率随着电压升高而下降。采用智能有序充电，将充电起始时间推迟到后半夜，缩短了电池在高电压状态的搁置时间，避免了居民社区傍晚时段的电力负荷压力；采用双向电流充放电并设计合理的频率和幅值，可实现平均衰减速率低于搁置状态。
大功率充电的安全机理：充电系统功能安全设计水平低下等是电动汽车充电起火事故重要原因。电气系统需要特别关注电弧的检测和防护，电池系统需关注由电池内部的析锂等副反应。合理设计车能互动工况，能够抑制析锂等副反应，提高动力电池析锂等安全预警的精度。
充电衰减/安全的感知机理：车能互动的精准控制需要首先获取电池的内部状态，监测金属锂析出、SEI生长等副反应。测量电池内部电位能够获得充电过程不发生析锂等副反应的电位裕度。准确测量液相电位要求参比电极在电解液中保持稳定的电位，并补偿参比电极阻隔液相锂离子传输导致的测量误差。基于电池内部电位的精准测量结果，将电池的外特性分解到正极和负极，可实现面向车能互动过程的电池衰减与安全机理解析、状态建模和运行控制。
2）供能系统电气构型。
激励双向电流的车用动力系统：基于车用驱动电机系统激励电池双向电流是无边际成本的技术方案。然而，逆变器的零电压向量状态无法将电机电流传导至电池系统侧，造成了电池双向电流幅值低、电机运行噪音大。电池双模组架构方案是解决零电压向量无法产生双向电流的有效途径。通过将电池系统内的电池分成两组，每组电池分别与逆变器的桥臂连接，在零电压向量下产生电池双向电流。零电压向量运行过程中，两组电池之间能量互相转移，消除了双向电流幅值对频率的依赖性，实现了全频域下电池包等效双向电流的提升。
大功率快充的光储充换系统：为解决快充站配备储能电池带来的成本上升问题，建设多类型电动汽车充电-换电耦合的能源补给站是可行的解决方案。换电站内储备电池具备储能潜力，将快充与快换相耦合，形成充换电一体化电站，一方面满足了多类型电动汽车补电需求，另一方面利用换电电池实现站内储能，缓解了大功率快速充电对电网的冲击。光储充换耦合补能站参与电网互动，还能够提供可再生能源消纳、削峰填谷和频率调节等电力辅助服务。
房-车双向补能的光储直柔系统：电动汽车在社区充电难的主要原因是配电网容量不足。利用住宅建筑的富余功率容量具备支撑大规模充电桩安装的潜力。结合建筑屋顶的分布式光伏发电，进行能量自消纳，进一步降低了配电网的扩容压力。此外，结合建筑内的灵活性负荷和广义储能资源，形成以房车互动为纽带的光储直柔系统。
3）车能互动实施与推广路径。
中国不同地区的发电资源禀赋差异、用电负荷、电动汽车使用特征不同，将能源基地的特征描述为“点”，特高压输电和干线物流运输特征描述为“线”，负荷区域的特征描述为“面”，对应了不同的储能需求，车能互动也有不同的实施与推广路径。
“点”场景——零碳园区能源系统：新能源发电的装机量继续提升，发电季节性不平衡问题将突显，需要发展可再生能源制氢消纳富余的电能，氢能应用将得到发展。多余的氢能可掺入天然气管道等，输运至东部地区，和特高压输电共同形成西能东送。长远来看，将形成“光-储-充-氢-车”的零碳园区能源系统。
“线”场景——干线物流补能系统：纯电动重卡可采用换电模式，并采用分布式可再生能源(如：道路边坡光伏发电)为换电电池系统充电。在换电站接入电网的情形下，站内的备用电池包还可以参与电网的调峰调频服务。另外，采用站内制氢等方式能够降低氢气的运输成本，促进氢能重卡的推广应用。综合来看，“光-储-充-换-氢”将成为支撑零碳干线物流的车能互动模式。
“面”场景——绿色智慧城市系统：电动汽车与智能建筑互动，形成房-车互动系统，消纳屋顶光伏资源，解决小区电力容量不足的问题，提升用能终端的电气化水平。邻近的小区、村庄开展灵活性资源聚合，形成虚拟电厂系统，参与城市电网的调度，形成以房车互动、多能互补为特色的城市智慧化低碳能源系统。
引文信息
李亚伦，欧阳明高，赵争鸣．电动汽车车能互动的充电机理、系统构型与推广路径[J]．中国电机工程学报，2024，44(17)：6920-6939．
LI Yalun，OUYANG Minggao，ZHAO Zhengming．Charging mechanism，system configuration and promotion pathway of vehicle to grid for electric vehicles[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6920-6939(in Chinese)．
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