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研究周报 | 技术可解决,模式是难题,360度详解北汽擎天柱计划

沉寂多时的换电模式卷土重来,北汽、力帆、时空等都发布了雄心勃勃的换电网络建设计划。在11月3日的新能源汽车生态大会上,北汽新能源发布的“擎天柱计划”提出了宏伟而明确的数字指标:“到2022年,‘擎天柱计划’预计投资100亿元人民币,在全国范围内建成3000座光储换电站,累计投放换电车辆50万台,梯次储能电池利用超过5Gwh。”

根据发布消息,“擎天柱计划”是通过换电和电池再利用技术,将新能源汽车、动力电池、换电站、光伏发电进行深度融合。其重要载体为分布式光储换电站,由控制舱、能量舱、回收舱、光伏、电网等组成,可实现互动式发电、供电和并离网运行,并通过云平台大数据进行多个分布式光储换电站智能管理。

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1. 同类换电站对比

发布会上给出了由三个集装箱式模块构成的换电站方案,光储换电站究竟由哪些系统构成,其工作运行的方式又如何呢?我们先将之与国内已经建成的同类型的换电站方案中做一个对比:

·2011年黑龙江省电力科学研究院建成光储式电动汽车充换电实验站;

·2011年6月,青岛薛家岛充换储放一体化电站正式运行,该方案日换电可达560次,可同时服务6辆公交车;

·2012年3月,北京朝阳区高安屯充换电网络示范工程建成,作为电动环卫车、乘用车和公交车换电服务中心,有4条换电流水线,同时服务8辆电动汽车。

与“擎天柱”计划相比,黑龙江省电力科学研究院建设的光储式电动汽车充换电实验站,由光伏发电系统、蓄电池储能系统、电动汽车充电站、站用负荷单元组成,没有采用梯次电池作为储能结构。其工作运行系统图如下:

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而青岛的薛家岛充换电一体站分两部分,其中薛家岛部分配置504块电池板,北庄部分配置816块电池板,光伏总安装容量为168kW。电网供电中断后,成“孤岛运行模式”,通过储能系统提供本地电源;电网供电恢复后,储能系统重新恢复到“并网运行模式”。和“擎天柱”计划一样,都采用了梯次储能电池,可以并离网运行,但是薛家岛换电站是一个区域中心级的充换储一体电站,还可以为周边的网点统一配送换电电池,其占地面积和光伏总安装量要远超北汽的方案。

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薛家岛充换电一体站的工作运行系统图如下:

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“擎天柱计划”发布的光储换电站占地仅约为150-300平方,并非区域中心级的充换电站,但仍同时具备充电站、换电站、储能电站的功能。电网、车辆、电池、功率调节系统(Power Condition System, PCS)、光伏及梯次储能系统等将其功率、数据信息上传到能量管理中心,由能量管理中心对储能电池和动力电池的功率及能量进行优化控制,并与电网进行协调与互动。

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2. 光储能换电站的系统构成

光储能换电站的构成主要包括带梯次储能的光伏发电系统、充换电系统、智能管理系统等。

(1)采用储能电池的光伏发电系统

一般地,光伏电源接入的电动汽车换电站的能量分配方式有以下五种:

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在图 (a)和 (c)中,光伏电源是换电站的独立能量来源,但光伏电源单独给蓄电池供电,其功率受外界环境的影响,具有不稳定性和间歇性;如果发出的电能先储存到储能蓄电池中,对储能系统的容量要求又很大;

图 (b)、(d)、(e)所示为光伏电源并网的方式,有储能装置的并网能够极大地降低光伏电源的间歇性和不稳定性对电网及动力电池充电的影响,并且当光伏电源和储能系统发出的能量不足以满足负载EV动力电池充电的能量需求时,还可以从电网取电,外界条件的变化也不会对换电站的运营造成影响。

“擎天柱计划”应该采用的正是图 (e)所示的接入方式,这样可以通过对换电站与配电网连接点的控制,实现光伏电源在独立运行和并网运行模式之间的无缝切换。

(2)充换电系统

充换电系统主要组成包括:换电系统、充电系统、辅助系统等。

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在换电系统方面,薛家岛换电站主要针对公交车换电作业,采用机械手从车辆侧面抓取电池进行换电的方式,其换电平面布置图如下所示。

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而“擎天柱计划”主要针对出租车,采用单工位底盘取电方式,使用多点分布式快速连接承载结构,从底盘处取下并换上电池。

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(3)云平台数据管理

据发布会透露,“擎天柱”可以通过云平台大数据进行多个分布式光储换电站的智能管理。一般而言,充换电一体化工作站所涉及的关键数据应该包括:充电机信息、电池充电参数、电池编码识别、更换操作记录、场站数据记录等;换电站进出线电压、电流、功率因数、绝缘电阻等电气主要参数等;并通过电池信息、充换电记录累计行驶里程、电量等数据记录,实现对电池全生命周期的跟踪管理。

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3. 排队仍会出现

那么,单工位换电站能否实现换电需求的快速高效运行呢?,我们做一个简单的分析。

设定以下理想条件:来进行换电的车辆在24小时内,呈均匀分布,且换电操作连续进行,不存在排队情况;每次换电标准时间为5分钟;每次换下的电池剩余电量均为20%;充电机以1/3C倍率均匀充电。

当换电站处于满负荷运行时,每次换电5分钟,则每日最大换电次数为288次。站内需要配备的充电工位为 (1—20%)/1/3x60/5=29个。满足电池充电所需最大配电容量29x37.8kWhxl/3C=365.4kW。

文献《含光伏发电的换电站运行方式研究》(华北电力大学)对北京出租车换电特性的调研显示:北京地区出租车日均行驶里程为 350~500 公里,出租车每天需换电 2次。一般的,出租车司机会尽量避开交通高峰期进行换电,所以换电时间在白天非高峰期服从正态分布微信截图_20171115163003.png,特别是在13:00以后会出现换电高峰;夜晚至凌晨非高峰期19:30~5:30之间服从均匀分布,换下的动力电池 SOC 服从正态分布微信截图_20171115163041.png

基于此事实,文献根据蒙特卡罗算法给出了服务数量为50台出租车的情景假设,推演了满足各时段换电需求的电池数量图。

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为保障出租车的实际运营需求,在换电模式下,当换电站内完成充电的可供换电动力电池数量不小于当前需换电的电动汽车所需动力电池数量,则所有的换电需求都可被满足;而当换电站内完成充电的可供换电动力电池数量小于当前需换电的电动汽车所需动力电池数量时,则电动汽车需在换电站等待动力电池完成充电,排队仍会出现。而要降低排队情况,则需要对充电时序进行管理,且需要为高峰期提前调配满电电池。

4. 商业模式是难点

按照“擎天柱计划”,相关运营车辆统一由北汽提供,很大程度上解决了技术标准和接口上的不统一问题,克服了技术上的主要障碍。

但是,光储换电站要实现正常运营,需要对应的相关利益方众多,如何界定各方的权益和责任、如何进行利益的分配等,就成为关键的问题。

比如仅场站建设问题就要考虑换电站建设用地、电力接入、换电站建设要求、政府规划等因素,还要考虑换电站建成后的社会示范效应及运营收支情况等。换电站前期主要投资和运营成本如下:

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充换电站是新能源汽车产业链上的一个交汇点,其涉及到的利益相关方之多,远超传统的加油站,而且各方都具备自己的关键资源和能力,没有谁可以凭一己之力来进行布局。这也是北汽联合8类主体结成生态联盟的主要动因。

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利益相关方关键资源和能力

电网企业

电力的输、配、售

动力电池企业

动力电池技术资源、生产能力、维护保养、回收能力等

电动汽车企业

整车技术资源、渠道资源、品牌资源、营销能力等

充换电设备企业

充换电设备技术资源、制造安装能力、维修维护能力等

换电运营商

资金、客户关系、区位优势、选址能力等

车辆运营企业

出行服务网络资源、车辆调度能力

土建工程等

施工建设能力、维修改造能力、场站设计能力

金融机构

融资能力、配置协调能力、货币资源等

政府机构

土地资源、融资担保、资金补助、产业政策、税收优惠等

在场站投资较大,充换电车辆还未达规模效应的情况下,如何设计合理的商业运作模式,明确各方责任,保障各方利益,促进良性发展就成了最大的问题。北汽从联合加油站、出租车公司采用共建模式开始推动建设的方式的可行性和效能发挥水平,尚需假以时日,以观实效。

来源:aniolybiznesu网

作者:冰封之城

本文地址:https://aniolybiznesu.info/kol/58596

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