含電池儲能的電動汽車大功率快充站效益分析研究

車長明

摘要：為滿足電動汽車大容量動力電池的快速充電需求，電動汽車大功率直流快充站應運而生，本研究的目的是確定大功率快充站的優化設計，并降低其對電網的影響，根據安裝成本、電池壽命和電價，完成含電池儲能的快充站成本效益分析與評價。最后，通過實例驗證了本研究效益分析研究的有效性和適應性，為大規模電動汽車快充站引入電池儲能提供投資建設依據。

關鍵詞：電池儲能;電動汽車;成本效益分析;快速充電站

Abstract： In order to meet the rapid charging needs of large-capacity power batteries for electric vehicles， high power DC fast charging stations for electric vehicles have emerged. According to the installation cost， battery life and electricity price， it completes the cost-benefit analysis and evaluation of the fast charging station with battery energy storage. Finally， an example is used to verify the effectiveness and adaptability of the benefit analysis research in this study， which provides investment and construction basis for the introduction of battery energy storage in large-scale electric vehicle fast charging stations.

Key words： battery energy storage;electric vehicle;cost-benefit analysis;fast charging station

0? 引言

在溫室氣體劇增、化石燃料緊缺及石油價格不斷上漲的大背景下，電動汽車成為理想的綠色出行解決方案。為了減少二氧化碳排放量，歐洲城市正在加強對大都市地區周圍汽油車輛的駕駛限制，并且將引入電動汽車及智能充電系統作為替代方案[1]，許多歐洲國家在鼓勵購買混合動力和純電動汽車[2-3]。大規模電動汽車大功率充電負荷的廣泛接入可能會對電網運行造成不利影響。

目前，電動汽車的“里程焦慮”一直是用戶的痛點之一。為了解決這一痛點，各大車企和電池廠商都在致力于研發更高能量密度的動力電池。但是，要想達到更高的能量密度，電池容量也會隨之增加，充電時間將會延長，這不是電動汽車用戶希望的理想解決方式。因此，在電池容量增加的同時，能夠縮短充電時間，提升充電功率成為關鍵難題。目前，只有少數研究人員正在努力研究引入儲能的大功率快速充電站的需求及其對電網的影響，文獻[7]研究了電動汽車快充系統對配電網的影響;文獻[8]提出了一種協調充電系統，結合電網負荷，實現了電動汽車最優充電曲線;文獻[9]中提出了基于電網可靠性的用戶動態充電價格。

但是，針對電動汽車大功率充電站引入電池儲能的優化設計與效益分析研究較少，本研究的目的為提出引入電池儲能的大功率快速充電站優化設計，降低其對電網的影響，并進行成本效益分析：安裝成本、電池壽命和電價。基于電池儲能的能量交換，將快充站的電池儲能（BES）分為兩部分（BES1與BES2），BES1服務于電動汽車大功率快速充電，BES2用于從電網獲取電能。通過成本效益分析，本研究完成了對含電池儲能的電動汽車大功率快充站的效益分析、評價。

1? 效益分析方法

本節采用成本效益法對比分析充電站內有無電池儲能的效益。成本效益分析通過使用儲能系統在充電站通過比較沒有電池。第一種場景為：配置有電池儲能的電動汽車快充站連接至低壓電網;第二種場景：沒有配置電池儲能的電動汽車快充站連接至中壓電網。在電池技術不斷提升及其成本持續降低的背景下，成本效益分析的主要目標：考慮基礎設施成本和電池儲能壽命的同時，挖掘電池儲能的綜合效益，尤其是在電動汽車快充站內（電池儲能易于部署與集成）。電動汽車快充站及其電池儲能的投資主要包括：資本成本或初始投資、利率、投資回報和投資壽命。

1.1 投資回收期

在不考慮資金時間價值的條件下，回收期（PBP）是以項目的凈收益回收其全部投資所需要的時間。因此，縮短投資回收期會使電動汽車快充站的電池儲能項目更有吸引力。投資回收期的計算表達式如下：

本方法不考慮年內貨幣的時間價值，并把利息作為一個未知因素。

1.2 內部收益率

內部收益率（IRR）是PBP的倒數，通常表示為百分比。

IRR是指資金流入現值總額與資金流出現值總額相等、凈現值等于零時的折現率。它是一項投資渴望達到的報酬率，該指標越大越好。一般情況下，內部收益率大于等于基準收益率時，該項目是可行的。投資項目各年現金流量的折現值之和為項目的凈現值，凈現值為零時的折現率就是項目的內部收益率。IRR方法不考慮貨幣的年價值，它把利息作為一個未知的因素。

2? 具體案例分析

在本研究中，利用兩種不同的布局分析直流快充站系統的連接。通過成本效益分析，比較兩種不同拓撲結構的電動汽車快充站系統。第一個布局將考慮低壓電網中直流快充站內的鋰離子動力電池安裝。在這種情況下，效益評估包括降低電網成本，如新的變壓器和新的線路，以及新的線路與中壓電網的連接費用。第二種布局考慮成本效益分析-用新的變壓器和新線路來證明在MV電網中充電站的標準投資。對于它們中的每一個，已經完成了具有商業模型場景的場景，并且在這兩種方法中的EV負載需求被認為是等價的。根據IEC61851的四種充電模式應用于車載和非車載充電系統上的EV導電充電。目前使用最多的系統是用車載充電器在交流充電EV。另一種方法是使用一個用于充電器（DC）的板外充電器，以便在短時間內充電。特殊充電點通過使用中壓（MV）在高功率水平下運行。EV充電模式有以下幾種：充電模式1：在最大11A的交流11kW的家庭中;充電模式2：私人設施22kW，最大32A;充電模式3：公共充電站AC43kW，最大63A;充電模式4：公共充電站DC240～300kW，最大400A。模式4已經通過使用戶外充電器實現了AC/DC充電。典型地，模式4的充電時間從50到30min，達到電池SOC的80%，功率在50和120kW之間。直流充電器顯著降低了充電時間和EV側的轉換損耗。

實例研究采用100kW的AC/DC轉換器，充電率為6C（97min）。通過DC/DC的放電速率為9C（67min），轉換器為150kW。為了滿足EVS的能量需求，直流快充系統的最優BES為16kWh，因為它滿足SOC滿意度的最高水平。具有儲能系統的直流快充系統的情況A的配置如圖1所示。

這種情況下的研究考慮到LV電網的最大功率，以防止在MV中的連接。為了避免與MV的連接，特別是在許多情況下電網加固的高成本，DSO的負載不應超過500～600kW。在本研究的情況下，六個充電器每100kW可以防止連接到MV和由于DC/DC轉換器;充電器通過儲能系統的9C放電率在EV側提供150kW。該系統的缺點是電池的成本和在其使用壽命結束時的更換。案例A的成本效益分析將考慮直流充電站的成本、電池更換以及安裝成本。情況A考慮到不同周期的不同鋰電池。在成本效益分析中出售給最終用戶的能量被認為是EVS日常充電功能的收入。成本效益分析步驟的細節將在下面的章節中討論，通過使用不同的方案。

3? 財務評價與成本效益分析

3.1 儲能系統的成本和收入計算

考慮到基礎設施成本和作為電力消耗的好處，計算了充電站內的A—BES的年度成本和收益。每年的總成本為：

其中CS是部件成本（包括充電器和電池），在安裝成本中，RE是以EVS需求為功能的更換電池的成本，O&M是運行和維護成本。每年的總收入可以計算為：

其中E是EV需求的函數消耗的每日能量，P是EV用戶支付的價格，T是在一天中測量的一年中的總時間。

3.2 連接到中壓電網的成本和收入計算

相關的年度成本和收益-在MV中的經典連接通過比較類似的投資來表示。這種配置考慮了基礎設施成本、新線路和1MVA變壓器以及直流充電站和安裝成本。好處是消耗電力。每年的總成本為：

其中CS是組件成本（包括充電器、線路和變壓器）。每年的總收入可以計算為：

4? 結論

本研究完成了直流快速充電站儲能系統的財務評估與研究。根據回收期、內部收益率、凈現值和效益成本比情況，評估了五個案例的財務績效。直流快充站儲能系統的財務指標與電池的生命周期成本密切相關;相反，直接與中壓電網相連的直流快充站與電動汽車的充電需求密切相關。總之，本文提出的工作有助于理解在直流快充系統S中使用不同存儲系統背后的商業案例。在未來，大幅降低電池成本的不同技術可以代表一個有利可圖的替代方案所考慮的情況。

參考文獻：

[1]European commission "mobility and transport" www.ec.europa.eu/transport/home_en.

[2]Nordhavn project; Design - dimensioning of the energy infrastructure of future sustainable cities， http：//www.energylabnordhavn.dk/.

[3]Green eMotion project – preparing the future of European electromobility _ http：//www.greenemotion-project.eu/.

[4]IEC 62196： Connectors for conductive charging of electric vehicles.

[5]IEC 61851： Conductive charging system / DC EV charging station.

[6]Remus Teodorescu， "Storage Systems based on Li-ion Battery for Grid Support and Automotive Application"： Book， Aalborg University.

[7]Wen Chen and Chunlin Guo， "The Impact of fast charging for EVs on Distribution System"， ISSN： 1662-8985， vols. 1070， pp 1664-1667.

[8]K. Clement， E. Haesen， and J. Driesen， “Coordinated charging of multiple plug-in hybrid electric vehicles in residential distribution grids，” in Proc. IEEE PES Power Syst. Conf. Expo， Mar. 2009， pp. 1-7.

[9]S. Martinenas， A. B. Pedersen， M. Marinelli， P. B. Andersen， C. Trholt， “Electric Vehicle Smart Charging using Dynamic Price Signal” IEVC， 2014 IEEE International， pp.1-5， Florence，17 Dec. 2014.

[10]M.Gjelaj， C. Trholt， S. Hashemi， P. B. Andersen "DC Fast-Charging Stations for EVs Controlled by a Local Battery Storage in Low Voltage Grids" unpublished， presented at the 12th IEEE PES PowerTech Int. Conf.， Manchester， United Kingdom， 2017.