17项关键技术撑起电动汽车“充电网”

青岛特锐德电气股份有限公司董事长 于德翔

  新能源汽车凭借其环保等优势,受到不少市民的青睐。在国家大力支持新能源汽车发展,以及环保理念越来越深入人心的当下,新能源汽车的发展前景似乎一片光明,但其充电问题则是长期以来广大用户最关心的问题之一。

  据有关数据统计,到2030年,我国电动汽车规模有望达到1亿辆,届时电动汽车充电负荷将占到城市居民负荷的30%以上,仅仅依靠小区和企事业单位电网的能力完全无法承受如此大规模充电桩的无序充电!建立满足规模化电动汽车每天充电的“充电网”成为破解这一难题的关键。

  与充电桩单一的充放电功能不同,充电网其实是一个小型复杂的微电网:对上连接着配电网,和电网间通过微调度形成智能互动;对下和电动汽车间形成安全智能充电和汽车大数据应用;对客户通过互联网链接需求和个性体验,在能源端实现低谷充电、高峰卖电,实现新能源车充新能源电。

  目前,全球业界尚未建立对充电网完整技术体系的认识,其原因是充电网涉及技术的多学科、控制的多系统、问题的多维度、应用的多场景,形成了高度复杂的汽车、能源、人之间的技术和应用的新链接、新融合。

  只有真正掌握了支撑电动汽车充电网的17项关键技术,即新型高效电力电子器件应用技术;充放电双向灵活变换和控制技术;充电网和汽车间的主动安全防护及故障隔离技术;大功率柔性充电及电池寿命提升技术;基于大数据的群管群控有序充电及车主、电网智能互动技术;车、充、网、平台的高可靠通信及控制技术;充电网和新能源微电网的直流柔性融合和能量路由技术;充电网的故障分析、隔离与快速恢复技术;面向无人驾驶的人工智能充电弓和无线充电技术;规模化电动汽车充电的电网互动协同技术;跨平台的互联互通及信息安全防护技术;超大规模云平台高并发与高可用技术;基于充电网的汽车工业大数据分析诊断技术;基于海量传感器和人工智能的透明充电网在线诊断与智能运维技术;基于大数据云平台的能源系统和充电体系的深度融合技术;基于区块链的计量、计费和分布式交易结算技术;变电、配电、充电、放电、光伏、储能一体化集成技术,才有望切实解决“充电难”这一世界级难题。

  新型高效电力电子器件应用技术。电力电子器件是汽车充电网中实现电能变换和控制的核心,是影响充电网的效率、可靠性、安全性及性价比的关键基础,规模化充电网的建设需要不断探索和充分应用电力电子器件的发展成果。以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带新型电力电子器件的设计及应用技术,带来了充电网功率模块在更高电压等级(1000V+)、更高功率密度(60W/in3)和更高效率(98%)等诸多方面的突破,需要以新型高效电力电子器件为基础持续改进充电用电力电子模块的基本拓扑、结构封装以及综合集成技术。

  充放电双向灵活变换和控制技术。未来的规模化电动汽车除了作为便捷的交通工具外,还将成为支撑电网运行的分布式移动储能资源,低谷充电、高峰买电,车和电网之间的双向能量交互式是必然趋势,充电模块必须支持能量的双向变换及智能控制。相比于传统的单向变换技术,双向充放电技术在系统拓扑结构和控制技术上变得更加复杂,设计中的边界约束条件更多。双向LLC,CLLC及DAB等双向拓扑及四象限控制技术逐步取代现有的单向拓扑控制技术。双向变换的充电模块需要提供更宽的功率变换范围,能够支持对端口电压、电流及其变化速率等进行更灵活的调整,能够适应并改善电池侧的不均衡性,适应并改善电网侧的电能质量。

  充电网和汽车间的主动安全防护及故障隔离技术。电动汽车的充电安全是一个复杂的系统工程,这个系统中包含了车辆、电池、用户、电网、环境等因素。但遗憾是传统的电动汽车充电安全仅仅通过电池BMS实现,所以导致了很多的电动汽车充电事故的发生。主动防护安全技术从系统的角度出发,构建了互为备份,协同互动的安全保护策略,同时实现了电池安全、车辆安全、人身安全、充电设施安全及电网的安全,使得系统安全性大幅提高。同时,故障隔离技术实现了单一故障的及时检测、保护和分离,防止故障的蔓延。故障隔离技术包含了车与车之间、车与桩之间,桩与人之间及桩与电网之间的故障隔离。

  大功率柔性充电及电池寿命提升技术。充电安全和电池寿命在任何时候都是充电网首先要考虑的两个最重要因素,特别是对于大功率充电,最核心的技术之一就是如何保证充电安全和电池寿命的延长,并避免对电网的冲击,包括智能检测技术、电池管理核心算法,大数据应用技术及自学习人工智能技术等。主要的难点在于,针对各种不同车型、不同电池类型和不同的工况,计算出不同的充电策略和保护策略;快速的电压电流调节;历史充电信息提取,电池类型的自识别,不同类型电池专家系统的建立等。除此之外,需要解决的问题就是大电流、高电压带来的系统发热及拉弧等自身安全问题。

  基于大数据的群管群控有序充电及车主、电网智能互动技术。规模化发展的电动汽车对电网既是宝贵的资源,更是巨大的挑战。电动汽车充电服务需要利用充电负荷可调节的特性,通过有序充电错开电网中其他负荷的高峰;在更大的范围来看,电动汽车需要为电网的调峰、调频提供支撑,特别随着波动性强的风、光新能源发电比例不断提高,分布式电动汽车储能需要通过和新能源发电虚拟组网参与调峰调频。另外实现移动储能资源的利用,还涉及到人和社会的因素,需要以市场机制为基础,基于大数据分析,在确保车辆的基本出行需求的基础上把电网对辅助服务的需求和电动汽车移动储能的供给有效的连接起来,充分激励电动汽车的拥有者释放出移动储能资源。

  车、充、网、平台的高可靠通信及控制技术。电动汽车在短时间内完成一次方便快捷的充电体验的背后,是一个复杂可靠的广域互联充电网支撑体系。融合小微传感器的智能检测装备,借力物联网技术,实现电动汽车、充电设备、移动通信、分布式微网、配电网的全维度状态精确感知。同时基于高并发通信处理框架与负载均衡的物联网数据桥接器,为海量传感数据接入提供了稳定可靠的通讯服务。大功率充电时的电流电压快速、精准、安全实时控制、大功率充电弓的精准定位,有效支撑了柔性充电、电网互动的可靠执行。辅以车、充、网、平台的通信全过程监控诊断技术,能在充电异常出现的第一时间自动推送运维工单排查解决。

  充电网和新能源微电网的直流柔性融合和能量路由技术。电动汽车充电网是新能源车与新能源微网的有效连接载体,新能源微电网采用柔性交互的交直流设计方案,实现各种源和负载之间快速的交互和响应,大幅提高系统的柔性和可靠性。基于直流母线系统和高效的电力电子变换器,实现电动汽车、储能及光伏等能源与负载间的高效交互,通过减少光伏逆变再整流等环节提升能源综合利用率10%~15%。高级微网控制器实现微网的控制、保护、在线安全分析、智能传感器接入、电能质量监测、云端互动等功能,运用双向直流计量、智能传感等技术等实现新能源微电网各载体间能量、信息的双向、透明、友好交互,实现多端口灵活变换的能量路由器。

  充电网的故障分析、隔离和快速恢复技术。相较于传统的电气设备,充电网把车、能源、人、数据、支付均交织与一起,其物理结构更复杂,大量的电力电子模块既增加了故障的概率,又为局部故障的快速隔离提供了可能。充电设备中,首先需要基于模块自身的防护控制和系统级的分析判断,准确定位故障的位置,精准快速隔离和切除故障的单元,保障系统级的运行不受局部故障的影响;还要能够智能分析故障的属性,对于可能是瞬时性故障的,尝试重新投入,对于确认为永久性故障的,要及时切入备用的模块,确保车辆能够及时充电。

  面向无人驾驶的人工智能充电弓和无线充电技术。今天的充电技术必须充分考虑未来无人驾驶技术的需求。对于公交车和大型物流车等无人驾驶车的大功率充电需求,人工智能充电弓技术是一个最合适的方案。该方案需要解决车辆定位、充电弓对位已经相应的防误闭锁等问题,需要提高人工智能的方法持续监测触头压力、接触电阻、温度等指标,确保可靠接触并解决除尘、除雪等困难。对于乘用车和部分场合的商用车,无线充电技术可提供最便捷的无人化充电方案,需要解决充电过程中的活物和异物检测,无线充电的电磁兼容,无线充电的互操作性等困难,持续提升无线充放电效率,寻找和优化综合的无线充电解决方案。

  规模化大功率汽车充放电的电网互动协同技术。大量采用电力电子器件的电动汽车充电基础设施,在群管群控、有序充电的同时,需要有效控制谐波、纹波等有害成分,最大限度减少对电能质量的损害并主动治理。充电过程中,能够合理安排充电启停和功率调整,控制和电网交互总功率的变化速率,抑制浪涌和下陷产生,减小对电网运行的冲击;主动感知所连接交流电网的电压,为电网提供合适的无功电压支撑;感知交流电网的频率变化,在大电网故障过程时能够为减缓故障的发展以及故障之后的恢复提供支撑;在充电过程中具备足够的高电压穿越能力,放电过程中具备足够的低电压穿越能力。

  跨平台的互联互通及信息安全防护技术。通过与政府监管机构、主机厂、车辆运营商、电网公司、新能源发电企业等外部监控和运营系统以及地图、支付等互联网平台进行互联互通,实现充电安全监管、充电站信息共享以及电网辅助服务和能源交易。提升充电客户充电体验,提高充电站利用率,发挥充电网对智能电网的重要支撑作用。互联互通的实施过程中,需建立系统化、标准化的安全技术和管理体系,无缝覆盖认证鉴权、信息加密、安全审计等各个环节,确保公共基础设施运行安全、用户支付、隐私信息等数据安全。

  超大规模云平台高并发与高可用技术。在充电网络上有规模化的能源数据、汽车工业数据、人的行为数据等,云平台系统需要具备高并发、易扩展、海量数据处理的互联网技术特性,同时又需要具备实时性强、可靠性高的工业控制系统特性。底层公共技术平台要满足系统的可用性、高性能、可靠性、安全性、易用性等多个维度的需求,支持微服务、分布式、平台化的理念设计,能够快速构建创新型互联网应用。平台需要支持包括充电数据、汽车工业数据、智能硬件数据、订单数据、能源交易和结算数据等异构多源海量数据的采集、清洗与分析,为智能充电、能源管理和精细化运营、设备智能运维等领域提供保障。

  基于充电网的汽车工业大数据分析诊断技术。充电网、互联网、物联网、能源网和交通网相融合而积累的海量数据,需要利用数据挖掘、机器学习、聚类分析等处理技术使得数据不断“透明”,将显性化的数据进一步转化为直观、可理解的信息,利用应用建模、仿真测试、验证等技术建立模型。通过将相关的多源信息进行融合,突破传统的阈值报警和穷举式专家知识库运维模式。同时要将运行决策和维护建议反馈到控制系统,构建 “数据—知识—应用—数据”的良性循环,不断提升模型的自主认知、学习、记忆和重构的能力。

  基于海量传感器和人工智能的透明充电网在线诊断与智能运维技术。充电基础设施具有高度分散分布及户外运行的特点,若不能实现远程运维,将会带来高昂的现场运维成本。非常有必要实现充电设备的在线检测、远程监控和智能运维等。因此充电网络需要基于状态监测及人工智能的策略,运用海量智能传感技术,实现信息采集、数据获取、故障预警、趋势预测、主动运维等功能,做到全景信息透明。在设备端智能微传感器也会大量应用,除了采集传统的电气量以外,还能够采集温湿度、压力、磁场等多类型的环境状态以及绝缘、气体成分等设备状态信息。基于微传感的原始信息和工业大数据平台,结合因果关系的建模和人工智能方法,反演出传感数据背后所代表的设备和系统运行状态,直接用于进一步的设备健康状态诊断和故障预警等功能。机器学习算法建立设备故障预测模型,基于积累的海量数据,针对非常规信息预测系统及部件在未来时间段可能出现故障的时间和发生故障类型,提前做出维护作业计划,实现由故障引起的被动维护向设备智能化主动运维升级;结合社会化运维系统,提高运维效率、设备可用率,降低运维成本。

  基于大数据云平台的能源系统和充电体系的深度融合技术。规模化的充电网将和能源系统形成相互支撑、相互依赖的关系,能源系统作为充电网的能量来源,规模化充电网为能源系统提供巨大的调节资源,两者将深度融合,形成物理上分离分布、运行上协同互动的有机整体。需要大数据云平台为电动汽车的出行需求和放电能力提供精准预测,将其中的可调节能力和能源网的计划及交易系统相衔接,进行联合优化,实现有效平抑能源网中多时间尺度的波动,防御和应对能源网中各种规模的扰动。

  基于区块链的计量、计费和分布式交易结算技术。电动汽车充电网是连接分布式移动储能资源和电网的智能关口,需要对能源流动的方向、大小、时间、价格以及各主体之间的交易合约等信息进行准确、完整、连续且可追溯的记录,为交易各方提供可靠的结算和交易依据。蓬勃发展的区块链技术具有安全、透明、高效和去中心化的特点,为分布式的计量、计费、结算流程提供了全新的分布式记账支撑,电动汽车充放电相关的能源交易或共享以及碳足迹标定和交易是适应区块链技术的典型应用场景,随着区块链技术的不断深入,将在充电网的中涌现出越来越灵活丰富的交易模式。

  变电、配电、充电、放电、光伏、储能一体化集成技术。上述各项关键技术决定了充电基础设施高度复杂,需要将变电、配电、充放电、光伏、储能进行户外一体化箱式结构设计,内部采用模块化设计,提高系统的的集成度和能量转换效率,减小设备占地空间并实现工厂预装。需要交直流双母线系统对不同源荷进行有效组合,高压侧接入交流配电网,低压侧通过交流母线接传统交流负荷,交直流母线间通过四象限变换器耦合,分布式光伏、电池储能及电动汽车充放电连接直流母线系统,整个系统构成交直流混联微网系统。模块化的功率分配单元(PDU)采用矩阵式连接,大大提高了电力电子模块的利用率,并使功率输出和分配更具柔性,并能对每个功能模块实现智能运维;功率模块需要良好的散热,同时又需要干净干燥的运行环境,这对充电箱变的环控设计提出了更高的要求,以提高充电系统运行的可靠性。

  可见,充电网是电动汽车赖以生存的基础设施新网络,是链接车联网、互联网形成的“三网融合”新能源互联网,是智能制造+充电运营+数据服务的价值闭环新生态,是新能源和新交通双向深度融合的新产业;这个新网络、新能源、新生态、新产业的“四新”需要这17项关键技术来支撑。