2073年9月19日夜里十一点，我永远地闭上了眼睛。
8月14-16日，由充电桩网、充换电百人会、光储充换产业联盟联合主办的2024北京国际充电桩及换电站展览会、2024中国国际电动汽车充换电运营商大会在北京首钢会展中心盛大举办。
集“展览展示+主论坛+三场分论坛+新品发布+品牌评选”为一体。大会共邀请到200+演讲嘉宾，汇聚了2000+来自政府部门、专家学者和充换电产业上下游企业高层，一同见证充换电产业的无限机遇，共话充换电产业未来的发展之路。
8月14日，清华大学 助理研究员李亚伦以《基于电动汽车充换电的城市车能路云技术方案》为主题进行演讲。
演讲整理
清华大学
助理研究员李亚伦
01
电动汽车的问题以及解决方案
今天跟大家带来的报告是基于电动汽车充换电的城市车能路云技术方案。
车能路云的整体需求，今天我们会议在北京，今天主要拿北京的数据来做相应的分析，交通电动化包括各个城市都取得了非常好的成就，北京市电动车保有量在2021年超过50万辆，但要满足碳中和目标，2050年这是北京交研院的数据，达到850万辆规模。
北京电力系统现状，北京的电力系统主要是靠外部电力调入，72%电力是从外部调入，同时峰谷负荷非常大，工作日最低负荷仅为工作日的56%，华北网给北京的电网新增容量很小。在这样的背景下，由于交通电动化牵引作用，未来我们将从以油气为主要的能源系统转向我们以电氢为主的能源系统，在这个情况下电动汽车充换电基础设施将成为其中重要的组成部分，这是我们做的具体测算，电动汽车达到200万辆，慢充需求功率会达到北京市电网的17%。大量快充基础设施的接入，预计达到36%电网最负荷的情况。
针对这个问题，欧美国家已经早于我们一步了，推动车网互动、车能互动的示范项目进行示范验证、示范推广、商业化运行等模式来解决这样的问题。
为什么他们要通过这个方式，随着电动汽车增加能够跟能源终端进行有效耦合，包括有序充电，车和房子、车和建筑、车和微网各种互动，这是英国电网做的预测，如果我们发展无序充电，功率需求是有序充电需求的两倍，转向车能互动、车网互动最后能源需求功率不升反降的效果。
这是基于北京市测算的结果，50万辆车使用15千瓦双向充电桩，功率对北京市电网负荷大概是25%，如果是有两百万辆，车载储能容量超过1亿度电，对于电网是巨大的储能资源。
但是有了资源如何把资源用好，就需要有相应车网互动或者车能互动的技术支撑，首先电动汽车参与电网或者与能源系统互动，忧虑的问题是车辆的衰减问题，车开着电量不够用，这是对电池衰减的分析，分为日历老化和循环老化，通过合理的车网互动或者是通过有序充电将搁置阶段的SOC降下来，降低日历衰减，通过车能互动向电网放电进一步获得一定的收益，将循环衰减所付出的成本抵消掉。
同时我们也分析了电池的衰减行为，合理使用车能互动也能对电池起到延寿的效果，对电池衰减是随着电压呈现上凸函数关系，如果我们采用双向电压，将单点电压转换为双向电压，能够延长电池的寿命，目前在不同类型的电池包括磷酸铁锂、三元上都得到比较良好的效果。
02
电动汽车的问题以及解决方案
电动汽车焦虑的另外一个问题，冬季续航的下降，调频等脉冲工况可以促进电池内部产热，这是我们做的分析，能够实现电池冬季低温下动力性能和续航里程的提升。此外，对于车辆系统，我们提出了双模组高压拓扑架构，实现电池电流倍增和低频的运行，像这样的方式，通过控制的方法可以实现高功率、低噪音、高效率电动汽车低温电池加热的效果。
另外一个电动汽车充电过程大家忧虑的问题是安全问题，我们分析表明对于电动汽车充电过程析锂是导致它起火失火的缘由，对于这个问题，需要测量电池内部电位，修正测量误差，进而保证电池充换电不发生危险的情况，保证它的安全。另一部分车能互动也对电动汽车它的安全检测带来了一些新的机遇，传统上电动汽车充完电，拔枪就走，在车能互动可以将无序工况变成可控工况，提高析锂的反应精度，提高它的安全保障能力。
对于电动汽车来说利用它做储能，相对于固定式电化学储能有成本低、安全风险低的效果，但是也会面临一定的问题，像时间和空间的不确定性，需要相应技术来解决这个问题。
针对这个问题，我们团队跟创业企业合作，开展了车能路三者融合场景的设计工作，首先电动汽车和电网互动是有各种各样不同的形式，我们可以跟家庭互动、楼宇互动跟微网互动，也可以通过快充站、换充站、中压配电网互动。
城市中车能互动分类，一个是道路交通；二是郊区、园区，第三个社区和商区。
第一个场景是在道路交通上如何进行互动。
道路交通上遇到一个问题，充换电基础设施投资没有问题，受到电力容量的问题，目前它的选址非常困难，比如说电网不给批地、批容量，导致电动汽车充换电基础设施发展跟不上电动车数量的增长，在这样的情况下，大家普遍采用的方式是充电桩配储来解决大功率快充对电网带来的冲击问题，快充电池跟电网进行互动，可以将快充站入网功率降下来，我们的研究也发现，利用电动汽车换电站，如果它们的位置比较重合，储备的大量电池利用它作为储能电池进行放电，能够降低快充配储的成本，这部分文章发表权威期刊Joule上。
具体怎么做，利用换电站站内电池作为储能电池为周边的快充桩进行放电。分析充换电负荷的互补度，对于两个实际的充电站和换电站进行分析，目前他们的互补度是11%，将二者耦合起来，将2.5瓦的换电站降低0.7MW的功率，得到比较好的收益。
另外一个设备投资的问题，把单向充电变为双向充电，会导致设备投资上升。但通过能量调度将整个设备的利用率提高，比如充电桩利用率提高12%，备用电池利用率提高9%，通过高利用率得到资本的高回报，将充换电分别独立的站改为充电站耦合站，增加的设备投资仅需要两年就可以回本。
对于这样一套系统，在冬奥会期间跟壳牌合作在张家口建立了快充快换智能微网并且进行相应的示范工作，得到了非常好的效果。
第二个远郊农村包括远郊郊区怎么办，远郊农村有一个非常重要的问题，光伏上网的问题，目前国家也在大力推广光伏下乡的工作，尤其是对远郊农村光伏资源是非常好的，但是对于末端配电网网络能力是比较差的，如何消纳这些光伏成为重点要解决的问题。
这是我们对于北京市市郊光伏分析情况，对于单户平均功率12.7千瓦，户均日发电量42kwh，北京市每户日用电为13kwh，每户每天约有30kwh电量需求网消纳，解决电力容量不足的问题。具体来说屋顶通过光伏改造，农村每户家庭安装小功率慢充桩，并且在慢充桩普及有序充电和车+互动，实现二者能量调度。
最后也跟建筑内负荷，像热泵提升清洁能源的消纳能力，这是实际分析场景，100户农村，分析不同架构模式下得到的收益，像北京前些年通过电采暖、煤改电的政策，把整个取暖进行清洁化，造成政府补贴和用户电费的问题。如果我们把这样一个系统增加光伏以后，可以把用户电费进行快速下降，没有办法降低配电扩容的问题，电动汽车车家互动，就可以有效把这个问题解决。
这是我们实际分析的结果，用电器的极端工矿进行系统配置，利用连续工况进行经济收益的分析，通过分析进行系统的能量管理，首先我们发现电动汽车在这样的系统中，当它电池SOC在0.35-0.7区间，可以得到正的收益，也是电费的节省，能够完全把电动汽车的衰减抵消掉。
热泵可以进行柔性用电，可以带来大约16度电等效容量，二者加起来完全可以消纳每一户屋顶光伏的发电量。基于此，我们与链宇科技、清安储能开发了充电桩，并且在北京等一些城市进行示范。
最后是居民小区如何做，居民小区国内有一个特点跟国外完全不一样的，国外人口密度和汽车千人保有量成正比，这跟国外是相反的趋势，这样的现象造成我们在中心城区配电负荷率非常高，导致我们无法新增充电桩的工作。
通过分析表明，由于无序充电和生活用电负荷高峰重合率非常高，达到85%，城六区峰值负荷上升25%，只要有40%的电动车进行双向互动，可以把基础的用电峰值下降25%，这样居民小区用电峰值是不升反降的，会成为整个中心城区的充电桩，对于中心城区来说发展车能互动是非常必要的路径。另外我们讨论了全区优化的问题，在实际过程中还会有各种不确定性，比如出行不确定性、充电行为不确定性，我们进行实时调度分析，考虑这些不确定性以后，车能互动仍然让中心城区峰值负荷下降17%，达到非常好的效果，其中需要我们实时调度，比如优先级的控制算法。
基于此，我们孵化的链宇科技，推广光伏储能、车网互动、智慧平台一体化解决方案，目前在全国各地进行20多项的示范项目，都能取得比较好的经济收益。
03
车能路云集成发展
最后想介绍一下车能路云集成发展，刚才是分了各种不同的场景。
对于不同的场景，当它的规模增大以后，我们需要把这些场景资源聚合起来发挥它的作用，这其中需要各种平台来提高相应的服务，具体来说我们会分为三个层级，底层是功率、能量设备层；中间是通讯和网关，上层基于这些信息提供信息服务，包括四个：充电调度与资产管理平台、平台负荷聚合与虚拟电厂平台、安全监测和综合管控平台、能源交易与市场服务平台。
现在有大数据技术、车站数字孪生技术，车上运维实现无人化服务，资产管理，保证资产的保值。右边是创业企业智联物联开发的平台，在充电站换电是来把现在持有的换电站资产进行有效的管理。
第二个平台负荷聚合和虚拟电厂平台，这个平台需要把场站向城市级进行聚合，进行日前计划和日内的实时调度，底层是负荷预测，把未来充换电预测出来，分析聚合潜力，参与电网的报量工作，最后是集成虚拟电厂进行交易，日内通过实时向下调度进行充换电管理，实现需求。右边也是创业企业像链宇科技开发的平台，跟华北网调度进行接入。
最后是安全监测和综合管控平台，目前电动汽车接入电网进行充换电，最重要保障其中的安全，像创业企业像昇科能源他们开发了具有十亿参数级大数据动力电池人工智能平台，实现机理和模型融合，将多元数据耦合在一起进行分析，目前实现的效果是安全预警准确率达到95%以上以及SOH估算准确率达到97%以上，目前接入超过一百万。
最后是能源交易和市场服务平台，这个平台是能源企业或者是电网企业来做的，目前国家大力推广电改，让分布式能源在电网进行交易，未来这部分市场发展为我们激励车能互动、参与市场互动的工作打下非常重要的环节。
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