能源安全視角下新能源汽車雙向峰谷充放電技術(shù)與應(yīng)用研究

安科瑞 陳聰

摘要:本文從能源安全的視角出發(fā)，探討了新能源汽車雙向峰谷充放電技術(shù)的研究與應(yīng)用。首先分析了新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和能源安全問(wèn)題。接著，詳細(xì)描述了雙向峰谷充放電技術(shù)的概念和特點(diǎn)、原理及模式，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)，本文還闡述了政策環(huán)境和市場(chǎng)需求、充放電策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、各種新能源汽車的雙向峰谷充放電技術(shù)應(yīng)用研究，以及雙向峰谷充放電技術(shù)應(yīng)用案例分析，探討了其對(duì)新能源汽車充電設(shè)施和電網(wǎng)的影響。最后，展望了技術(shù)挑戰(zhàn)和難點(diǎn)、雙向峰谷充放電技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:能源安全;雙向峰谷;新能源汽車

一、引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)能源的需求量越來(lái)越大。然而，傳統(tǒng)化石能源的供給受到了各種因素的制約，如資源枯竭、環(huán)境污染等問(wèn)題。根據(jù)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》和國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局的《關(guān)于促進(jìn)新時(shí)代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》，新能源技術(shù)的發(fā)展成為當(dāng)前全球關(guān)注的焦點(diǎn)。

新能源汽車作為新能源技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，在減少傳統(tǒng)汽車尾氣排放、改善空氣質(zhì)量、緩解能源壓力等方面具有不可替代的作用。在新能源汽車中，電動(dòng)汽車因?yàn)榫哂?排放、低噪聲、高效節(jié)能等特點(diǎn)，逐漸成為市場(chǎng)主流。其推廣和發(fā)展對(duì)于能源的可持續(xù)利用和環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。然而，新能源汽車的發(fā)展也遇到了許多難題，其中之一就是儲(chǔ)能和充電問(wèn)題。新能源汽車的電池壽命和續(xù)航里程直接影響著用戶的使用效果和體驗(yàn)，這也成為制約電動(dòng)汽車進(jìn)一步普及的主要瓶頸之一。

針對(duì)電動(dòng)汽車的充電問(wèn)題，目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多解決方案，其中雙向峰谷充放電技術(shù)被認(rèn)為是一種可行且有效的解決方案。這項(xiàng)技術(shù)是利用電網(wǎng)峰谷價(jià)差，將電動(dòng)汽車電池作為儲(chǔ)能裝置，在低谷時(shí)段進(jìn)行充電，在高峰時(shí)段進(jìn)行放電，以此達(dá)到平衡電網(wǎng)供需的目的。實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行效率、緩解電網(wǎng)負(fù)荷壓力、穩(wěn)定能源系統(tǒng)和促進(jìn)新能源汽車的普及等方面都具有重要意義。本文將從能源安全的視角出發(fā)，研究新能源汽車中雙向峰谷充放電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。

二、能源安全視角下的新能源汽車

2.1 新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高和政策的支持，新能源汽車已經(jīng)成為中國(guó)汽車行業(yè)乃至全球的重要發(fā)展方向。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2022 年我國(guó)新能源汽車銷量688.7萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)93.4%，銷量占全年汽車總銷量的25.6%，占到全球銷量的61.2%。同時(shí)，據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，到2035 年我國(guó)新能源汽車保有量將超過(guò)5 000 萬(wàn)輛。

在全球范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車制造商也在不斷涌現(xiàn)。特斯拉、比亞迪、日產(chǎn)、寶馬等*名汽車品牌都紛紛推出了各自的電動(dòng)汽車產(chǎn)品線，并不斷創(chuàng)新技術(shù)，以提高電池續(xù)航能力和充電速度。

2.2 能源安全問(wèn)題分析

盡管新能源汽車市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展，但能源安全問(wèn)題仍然是一個(gè)需要重視的問(wèn)題。首先，新能源汽車的普及程度還不夠，依賴于傳統(tǒng)化石燃料的汽車仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。這就意味著，如果新能源汽車的供應(yīng)受到某些因素的限制，如政策、技術(shù)等方面，將會(huì)給能源供應(yīng)帶來(lái)巨大的壓力。

其次，新能源汽車需要耗費(fèi)大量電力進(jìn)行充電。電力系統(tǒng)自身就存在著負(fù)荷不平衡的問(wèn)題，如果在高峰期間大量充電將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定和安全隱患增加。

最后，新能源汽車所配備的電池儲(chǔ)能裝置是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前，電池儲(chǔ)能裝置的生產(chǎn)還存在成本高、資源缺乏、回收利用等問(wèn)題，這些問(wèn)題同樣會(huì)制約新能源汽車的發(fā)展和普及。

三、能源安全視角下新能源汽車的雙向峰谷充放電技術(shù)研究

在能源越來(lái)越緊張的現(xiàn)實(shí)情況下，尋求新能源的替代成為緩解能源短缺問(wèn)題的有效途徑，而提高能源利用效率也成為當(dāng)今能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)。作為新能源領(lǐng)域的重要一環(huán)，新能源汽車已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，并成為各國(guó)政策的主導(dǎo)方向之一。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車更加依賴于穩(wěn)定、可靠的電力源供應(yīng)和可靠的充電基礎(chǔ)設(shè)施。如何提高新能源汽車在發(fā)電、儲(chǔ)能和充電等方面的效率，已經(jīng)成為當(dāng)前能源領(lǐng)域研究的核心問(wèn)題之一。

*所周知，新能源汽車所使用的電池一般都是鋰離子電池，其性能在不同溫度和電荷水平下有所變化。傳統(tǒng)的充電模式只關(guān)注在一個(gè)固定的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車充電，并不考慮最佳的充電溫度和時(shí)間，因此在充電效率和電池壽命等方面存在很大局限。而雙向峰谷充放電技術(shù)則能夠解決這一問(wèn)題，提高新能源汽車的充電效率和減少能源浪費(fèi)。在新能源汽車不使用的時(shí)候，把車上的動(dòng)力電池當(dāng)成一個(gè)小型儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)，為局部電力穩(wěn)定做貢獻(xiàn)。

3.1 雙向峰谷充放電技術(shù)的概念和特點(diǎn)

雙向峰谷充放電技術(shù)是在雙向直流快速充放電技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。它利用電網(wǎng)電價(jià)波峰波谷變化進(jìn)行新能源汽車的充放電控制。通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的電能價(jià)格波峰和波谷，該技術(shù)利用電動(dòng)汽車電池的儲(chǔ)能功能，在波谷期間充電，在波峰期間放電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的高效管理。由于該技術(shù)能夠充分利用電池資源，保障用電安全，因此受到了廣泛關(guān)注，并在多個(gè)地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

雙向峰谷充放電技術(shù)的特點(diǎn)包括3點(diǎn):首先，該技術(shù)能夠減少電池的虧電狀態(tài)次數(shù)，提高電池壽命;其次，該技術(shù)使充電的溫度和時(shí)間得到合理控制，從而提高充電效率;第三，該技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，涵蓋家庭儲(chǔ)能、公用儲(chǔ)能、新能源汽車充電等多個(gè)領(lǐng)域。

3.3 雙向峰谷充放電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

雙向峰谷充放電技術(shù)在提高新能源汽車效率和電能利用效率方面優(yōu)點(diǎn)明顯，其具體優(yōu)缺點(diǎn)如下:

優(yōu)點(diǎn):

(1)合理控制電池的溫度和充電時(shí)間，從而提高充電效率和延長(zhǎng)電池壽命;

(2)有效利用電池容量，實(shí)現(xiàn)較好的儲(chǔ)能管理,

(3)可通過(guò)遠(yuǎn)程控制對(duì)新能源汽車的充放電進(jìn)行管理和優(yōu)化;

(4)可以緩解電網(wǎng)峰谷負(fù)荷不平衡的問(wèn)題;

(5) 降低充電成本，同時(shí)提高充電效率。

缺點(diǎn):

(1)雙向峰谷充放電技術(shù)需要高精度的充放電控制，并對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行較為細(xì)致的監(jiān)測(cè)，因此需要投入較多的人力、物力和財(cái)力;

(2) 電池的充放電特性意味著會(huì)有一定的損耗，因此需要研究如何降低這種損耗;

(3)充電設(shè)施的建設(shè)需考慮電池的可充放性，并解決充放峰谷值等問(wèn)題,

綜上所述，雙向峰谷充放電技術(shù)是一種基于電網(wǎng)電價(jià)波峰波谷特點(diǎn)的充放技術(shù)。它通過(guò)控制新能源汽車電池的充放電，使得充電時(shí)長(zhǎng)和充電溫度得到合理控制，進(jìn)而提高了電池壽命和充電效率，并降低了充電成本。隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，雙向峰谷充放電技術(shù)將展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

四、應(yīng)用方案

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

充電運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過(guò)APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊(duì)等待的情況，同時(shí)也能為充電站提供更準(zhǔn)確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。通過(guò)平臺(tái)可對(duì)充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對(duì)充電樁的功率進(jìn)行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內(nèi)充電，避免對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大的負(fù)荷。

五、安科瑞充電樁云平臺(tái)具體的功能

平臺(tái)除了對(duì)充電樁的監(jiān)控外，還對(duì)充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)營(yíng)成本，平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

大屏顯示：展示充電站設(shè)備統(tǒng)計(jì)、使用率排行、運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。

圖3 大屏展示界面

站點(diǎn)監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備列表、設(shè)備日志、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖4 站點(diǎn)監(jiān)控界面

設(shè)備監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)信息、配套設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備實(shí)時(shí)曲線、關(guān)聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖5 設(shè)備監(jiān)控界面

運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)：顯示運(yùn)營(yíng)信息查詢、站點(diǎn)對(duì)比曲線、日月年報(bào)表、站點(diǎn)對(duì)比列表等功能。

圖6 運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)界面

收益查詢：提供收益匯總、實(shí)際收益報(bào)表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7 收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢(shì)分析、故障類型餅圖等功能。

圖8 故障分析界面

訂單記錄：提供實(shí)時(shí)/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導(dǎo)出、運(yùn)營(yíng)商應(yīng)收信息、充電明細(xì)、交易流水查詢、充值余額明細(xì)等功能。

圖9 訂單查詢界面

六、產(chǎn)品選型

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來(lái)滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟(jì)、智能運(yùn)營(yíng)管理的市場(chǎng)需求。實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池快速、高效、安全、合理的電量補(bǔ)給，同時(shí)為提高公共充電樁的效率和實(shí)用性，具有有智能監(jiān)測(cè)：充電樁智能控制器對(duì)充電樁具備測(cè)量、控制與保護(hù)的功能；智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能；云平臺(tái)：具備連接云平臺(tái)的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等；遠(yuǎn)程升級(jí)：具備完善的通訊功能，可遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備軟件進(jìn)行升級(jí)；保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能；適配車型：滿足國(guó)標(biāo)充電接口，適配所有符合國(guó)標(biāo)的電動(dòng)汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。下面是具體產(chǎn)品的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)。

七、現(xiàn)場(chǎng)圖片

八、結(jié)論

新能源汽車雙向峰谷充放電技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，以下是筆者對(duì)于未來(lái)發(fā)展方向和趨勢(shì)的幾點(diǎn)思考:

(1)智能化管理系統(tǒng)的進(jìn)一步完善

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化管理系統(tǒng)將能夠更加精準(zhǔn)地分析用戶用電需求和電力市場(chǎng)變化，從而提升充放電效率和利用率。未來(lái)，智能化管理系統(tǒng)將成為新能源汽車雙向峰谷充放電技術(shù)發(fā)展的重要方向。

(2)多種能量?jī)?chǔ)存技術(shù)的應(yīng)用

日前，鋰離子電池是新能源汽車雙向峰谷充放電技術(shù)*常用的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，但其體積，重量較大，儲(chǔ)能密度也有限未來(lái)，固態(tài)電池、超級(jí)電容器和氫燃料電池等新型能量?jī)?chǔ)存技術(shù)將得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

(3) 共亨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展

共亨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展為新能源汽車雙向峰谷充放電技術(shù)提供了廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)將多余的電量回饋給電網(wǎng)或者輸送到家庭、企業(yè)用電設(shè)備中，可以實(shí)現(xiàn)電力資源的共享和優(yōu)化利用。

(4)國(guó)際合作的加強(qiáng)

新能源汽車雙向峰谷充放電技術(shù)是一項(xiàng)全球性的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要各國(guó)在技術(shù)研發(fā)、政策制定、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面進(jìn)行緊密合作與交流。未來(lái)，國(guó)際合作將成為新能源汽車雙向峰谷充放電技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。

總而言之，雙向峰谷充放電技術(shù)尚處于起步階段，但其潛力巨大，未來(lái)發(fā)展前景十分廣闊。在未來(lái)的發(fā)展中，需要持續(xù)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高技術(shù)成熟度，并不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)，制定相關(guān)的政策和法規(guī)也至關(guān)重要，以推動(dòng)雙向充電樁的普及。作為起點(diǎn)，可以先在小范圍內(nèi)推廣不接入國(guó)家電網(wǎng)的雙向充電樁，例如企事業(yè)單位內(nèi)部，從而加快雙向峰谷充放電技術(shù)的推廣步伐。在政府的大力推動(dòng)下，預(yù)計(jì)在未來(lái)的數(shù)年內(nèi)，雙向峰谷充放電技術(shù)將廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并與光伏和風(fēng)能等可再生能源相結(jié)合，為我國(guó)能源清潔低碳轉(zhuǎn)型、電力安全穩(wěn)定供應(yīng)、促進(jìn)技術(shù)和模式創(chuàng)新，以及推動(dòng)電力工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展方面做出重要貢獻(xiàn)。

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