能量路由器:双向充放桩【科普系列之二十一】
2023-10-16
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汪进进

双向充电桩不止是充电和放电装置,更是一种能量路由器,在家庭和社区环境中,可实现车辆电池、储能电池、光伏、电网、用电设备等多种能量节点之间的能量传送。

基于“光伏”或“储能电池”,在产业上都已构建了成熟的商业化的应用场景和解决方案。这些年来,围绕“光伏+储能电池”,应用场景和解决方案更加丰富。围绕“光伏+储能电池+电动汽车”,将会形成万亿级的新兴市场,应用场景和解决方案将具有无穷的想象力

1.双向充电桩的基本功能

双向充电桩,顾名思义,就是可以两个方向工作,既可以充电,也可以放电。充电时,电网的交流电转换为电动汽车动力电池或者储能电池可以接受的直流电; 放电时,电动汽车动力电池或储能电池的直流电转换为电网的交流电。不止于此,双向充电桩还可以接受两个方向的直流对直流变换,这就衍生出更多的应用,诸如V2V,V2L,V2H,V2G,B2V,等等。在车网双向互动的系统中,双向充电桩是功率调节、能量流向的核心,被称为能量路由器

1.1 正向AC/DC

正向AC/DC就是将交流电转换为直流电。对于单相输入的双向充电桩,输入电压220V,对于三相输入的双向充电桩,输入电压是380V。为了满足不同类型车辆的电压范围,输出电压范围很宽,200V-1000V。

有些三相输入的双向充电桩,还可以兼容单相输入。

典型应用就是将正向输入端接入电网或逆变器的输出端,给电动汽车或储能电池充电。

1.2 正向DC/DC

正向DC/DC就是交流输入可以兼容直流输入。因电路拓扑和成本限制,直流输入电压范围可能无法达到200-1000V,输出功率可能也会受到限制。输出电压范围和正向AC/DC时一样,200-1000V。

典型应用是在输入端接光伏的MPPT输出,光伏发电给电池或储能电池充电。

1.3 反向DC/AC

反向DC/AC就是将直流电转换为交流电。直流输入电压范围200-1000V,单相的输出电压是220V,三相的输出电压是380V。

典型应用是在反向输入端接入电动汽车、储能电池、光伏的MPPT输出,给家用设备供电或给电网放电。

1.4 反向DC/DC

反向DC/DC就是在反向的交流输出端兼容直流输出。直流输入电压200-1000V,直流输出电压200-1000V。

典型应用是在反向输入端电动汽车或储能电池,反向输出端接电动汽车,可实现B2V、V2V。

2.基于双向充电桩的新型储能系统

双向充电桩既可以是双向AC/DC,又可以是双向DC/DC,应用场景非常丰富。将形成三种技术路线:

  • 共输出直流母线。方案很简洁,但是切换逻辑比较复杂。
  • 共交流母线。传统的光伏和储能的应用多是这种方案。双向充电桩将并入交流母线。
  • 共PFC直流母线。光伏通过MPPT(非隔离),储能通过双向DC/DC(隔离或非隔离),车辆通过双向隔离DC/DC挂在PFC母线上。

三种技术路线各有所长。他们之间将展开博弈。最终市场将做出选择。

2.1 共输出直流母线

共输出直流母线,就是将光伏、储能电池和电动汽车都接入双向充电桩的直流输出端。图1展示了这种大而全的方案。能量或负载节点包括5种:电网、电动汽车、储能电池、光伏、用电设备。

  • 只能输入能量的负载节点:用电设备。
  • 只能输出能量的单向能量节点:光伏。
  • 双向的能量节点包括:电网、电动汽车、储能电池。

这将组成11种工作模式。虽然有这么多工作模式,但是整个系统不需要光伏逆变器,不需要储能逆变器。实际上的商业化应用,要看具体场景,抽离出几种工作模式。完整地按这个系统做成的产品,硬件上很简洁,但是逻辑上会比较复杂。 这个拓扑没考虑光伏给车直接充电,虽然V2G支持这个功能。

图1 共输出直流母线系统


电网作为输出能量的节点:

模式1:电网给电动汽车充电。

模式2:电网给储能电池充电。

电网作为输入能量的节点:

模式3:光伏给电网放电。

模式4:电动汽车给电网放电。

模式5:储能电池给电网放电。

储能电池作为输出能量的节点:

模式5:储能电池给电网放电。

模式6:储能电池给电动汽车充电。

模式7:储能电池给用电设备供电。

储能电池作为输入能量的节点:

模式2:电网给储能电池充电。

模式8:光伏给储能电池充电。

电动汽车作为输出能量的节点:

模式4:电动汽车给电网放电。

模式9:电动汽车给用电设备供电。

电动汽车作为输入能量的节点:

模式1:电网给电动汽车充电。

模式6:储能电池给电动汽车充电。

光伏作为输出能量的节点:

模式3:光伏给电网放电。

模式8:光伏给储能电池充电。

模式10:光伏给电动汽车充电。

模式11:光伏给用电设备供电。

用电设备作为输入能量的节点:

模式8:储能电池给用电设备供电。

模式9:电动汽车给用电设备供电。

模式11:光伏给用电设备供电。

2.2 共交流母线

共交流母线系统的拓扑如图2所示,

  • 储能电池通过双向AC/DC变换器将直流转换为交流
  • 光伏通过MPPT直接给电池充电,也可通过双向AC/DC变换器转换为交流
  • 电动汽车电池通过双向充电桩逆变为交流

以上这些从光伏、储能电池和电动汽车电池逆变过来的交流电都是挂在电网上。电网的交流电通过双向充电桩和双向AC/DC变换器分别给车辆电池和储能电池充电。电网交流电给用电设备供电。

图2 共交流母线系统


2.3 共PFC直流母线

共PFC直流母线系统的拓扑如图3所示,将双向充电桩的PFC直流母线作为公共母线,

  • 储能电池通过双向DC/DC接入PFC直流母线
  • 光伏经过MPPT之后,可以直接给储能电池充电,也可通过双向DC/DC变换器接入PFC直流母线
  • 电动汽车电池通过隔离的DC/DC双向变换器接入PFC直流母线

这种系统比较适合于大型光储充场站。接入电网的双向AC/DC的功率将做得特别地大,可能是多个双向DC/DC变换器接入相同的PFC直流母线,每个双向DC/DC接不同的车辆。

图3 共PFC直流母线系统


3.基于双向充电桩的应用场景及产品方案

所有的应用场景都是基于某种可以跑通的商业模式。可以跑通的商业模式是指市场会买单。但是,双向充电桩的终极场景一定是要靠政府政策支持,这个政策就是电网放开收购个人车主电动汽车放出的电,就是所谓的“车网互动”,将分布式的电动汽车电池当作“电源”使用,减轻电网发电、调配的负荷,实现电网绿色健康的持续发展。

大家都在等这个终局政策

政策的规律是什么?在这个终局政策没有出来之前,是否有能够跑通的商业模式,应用场景和产品方案是什么样的?这个政策出来之后,又是怎样的应用场景和产品方案?

3.1 政策的规律

据研究,我国推进一个新型产业发展大致会经过几个阶段,产业规划、发布实施意见、推进示范工程、出台指导意见、发布标准、给出暂行办法,到最终提供补贴政策形成快速发展,这个持续过程需要5年时间,甚至更久。

我们研究光伏的政策路径,从2005年2月出台《中华人民共和国可再生能源法》2011年6月国家能源局出台《分布式光伏发电项目管理暂行办法》,再到2013年8月发改委下发《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》,政策正式落地,前后历时8年半。而以光伏逆变器为主业的公司,在1998年就开始创业折腾了。政策没有明朗之前却能活下来而且活得很好,这背后的成长逻辑是什么呢? 在政策完全明朗之前的过程中,一样可以考创新寻找全新的市场,创造市场。要寻找这个市场空间,创新应用,创造市场,活下来并练就功力。

再看车网互动的产业政策,都是最近2-3年的事。

  • 2020年11月,国务院印发《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》,鼓励加强新能源汽车与电网能量互动。
  • 2021年5月,国家发改委发布《关于进一步提升充换电基础设施服务保障能力的实施意见(征求意见稿)》,推动V2G协同创新与试点
  • 2023年5月,国家能源局的发布《关于加快推进充电基础设施建设 更好支持新能源汽车下乡和乡村振兴的实施意见》,鼓励开展电动汽车与电网双向互动的示范。
  • 2023年6月,国务院办公厅发布《国务院办公厅关于进一步构建高质量充电基础设施体系的指导意见》,提出加强科技创新引领,提升车网双向互动能力。

在2023年,各省市的政策储能政策都非常密集。这些政策都是终局政策的前奏。

2023年6月16日,国家能源局综合司下发《关于开展新型储能试点示范工作的通知》,组织开展新型储能试点示范,并制定了《新型储能试点示范工作规则(试行)》。

2023年8月15日,广州市人民政府办公厅印发《关于推动新型储能产业高质量发展的实施意见》,提出诠释新型储能产业营业收入到2025年达到600亿以上,到2027年达到1000亿以上。

2023年3月,广东省能源局、南方监管局印发《广东省新型储能参与电力市场交易实施方案》,明确独立储能,可作为独立主体参与中长期电能量市场、现货市场(全电量参与)、辅助服务市场(报量报价调频、跨省备用等);电源侧储能,可以参与中长期电能量市场、现货市场(报量报价)、辅助服务(区域调频、跨省备用等);用户侧储能,与电力用户作为整体联合参与批发零售市场、现货市场(报量不报价)、需求响应。

下图对比光伏和车网互动的产业政策来看,可以感受到中国的产业政策的那种节奏感。应该说有一定的规律性。通过V2G的政策颁布情况,推测2025年会出台一系列补贴政策刺激V2G产业快速发展,从而助力2030年的碳达峰目标。

3.2 终局政策发布之前

3.2.1 峰谷电价差大到一定程度,就可以跑通商业模式

今年,各地政府发布新的政策,加大了分时电价差。

  • 江苏,2023年9月12日,江苏省发展改革委出台《关于进一步明确我省电动汽车充换电设施用电价格有关事项的通知》(以下简称《通知》),扩大了分时电价差,高峰时段充电的电价为1.1526元/千瓦时,平段充电的电价为0.6703元/千瓦时,低谷时段充电的电价为0.2805元/千瓦时。 峰谷价差0.8721元/千瓦时。
  • 陕西电网(不含榆林地区)高峰时段电价为每千瓦时0.5609元、低谷时段电价为每千瓦时0.3109元;陕西电网(榆林地区)高峰时段电价为每千瓦时0.5473元、低谷时段电价为每千瓦时0.2973元。
  • 山东,2024年1月1日起将执行新的分时电价,深谷时段电价为每千瓦时0.222元,低谷时段为0.385元,平时段为0.555元,高峰时段为0.585元,尖峰时段为0.888元。峰谷差价0.666元/千瓦时。
  • 湖北,2023年9月发布《居民电动汽车充换电设施实行分时电价有关事项的通知(征求意见稿)》,执行分时电价的电动汽车充换电设施,每日用电时段分为:平段7-17时,高峰时段17-23时(其中20-22时为尖峰时段),低谷时段23-次日7时。平段用电价格执行居民合表电价对应标准;高峰、尖峰时段用电价格以平段电价为基准,分别上浮0.1元/千瓦时、0.15元/千瓦时;低谷时段用电价格以平段电价为基准下浮0.15元/千瓦时。

仅在今年7月各地的相关政策就有下面这些;

这样密集的政策发布令人惊叹。新的分时电价差令业界惊呼:2023年可谓国内市场的工商业储能元年。工商业企业可通过电价差在3-4内收回储能设备的投资;工商业储能电池2500-3000个循环次数,整个周期大约10年。

需要引导市场认识到电池寿命是富余的。“如果每次满电跑500公里的电动车,你要是1000次(满充满放)循环的寿命,你能开多少呢?50万公里。你要2000次的循环寿命,100万公里。而一般来讲,私家车一年也就开1万多公里,我们十年,也就是一二十万公里,所以我们电池的寿命是富余的。90%的时间里,车都是停着的,所以在90%这个时间是可以用来进行车网互动赚取收益的。我们一辆车的力量是很小的,如果把所有的车合起来就大了。”

终极政策出台之前的这个前奏政策是否可以带来一些创新的产品方案呢?

22kW双枪轮充轮放一体式双向充电桩

这将是一款引爆市场的产品定义。

这款产品主要是面向工商业客户。我们设想,企业自用的电动车辆和在园区上班的个人电动车辆,都在上班时间给工厂放电。这种自给自足的放电,企业可以给车主差价,这个差价比政府的峰谷差价低一点。企业自用的电动车辆,每天固定送货一两趟,在保证不影响送货的前提下,每天能放电多少呢?要看送货的距离和时间,以及车辆的电池容量。譬如东莞的企业,每天给深圳的客户送货两趟,来回距离120公里,一天两趟就是240公里,用时6小时。剩余的18小时,3小时在下半夜充电,15小时都可以给工厂放电。

假设企业主购买这样的充电桩比单向充电桩多30%,是个很小的投入,但会长期带来收益。收回成本比储能要快得多。

为什么要两把枪? 给企业主省钱。上述这种东莞-深圳的送货场景下,一个22kW双枪就可以应对两台车。如果企业主所在地的工商业电价差已足够的高,可以把另外一把枪插到储能电池上。

大美哉?! 创新创造之美!

3.2.2 面向农村和别墅的场景,光伏和电动汽车结合,自发自用循环闭环

如果只是面向别墅家用,那是极小的市场空间,难以激发商业热情。如果面向海外的市场,别墅家用的市场空间会大一些。老外很多都是住大平层,不像中国城市,绝大多数人口都挤在公寓里。

中国人口多,只是把农村市场做透,也比在东南亚、中亚搞出口贸易更有市场空间。农村市场太喜欢能便宜又能占到便宜的产品了。太阳能发电,收集到电动汽车和储能电池里,完全可以做到用电不花钱。

如果想跑通这个商业模式,就要把成本做好,把产品易用性做好,把教育市场的工作做好。

什么样的产品可以担当此等重任呢?

7kW双向充电桩

7kW双向充电桩是面向农村市场的主力军。农村市场最在乎成本。到乡镇超市去看看,多看几家,就能理解这个市场。中国的长尾市场有5亿人口规模,但是很分散,消费力低。我们要把这个应用场景和产品设计想明白。”便宜,不坏"是硬道理。

7kW的双向充电桩留出接入光伏和储能电池的接口,构成应用系统。使用哪种系统更好呢?共输出直流母线,共交流母线还是共PFC直流母线?这会很纠结。我们有很多的思考,但不在此文展开了。

3.2.3 面向农村和别墅的场景,工作在V2H模式作为应急电源

2019年我接待了一位加拿大客人,他是加拿大最著名电源公司的CEO,北京人。他提出国外对双向充电桩的期待是作为“灾备电源”。这对于我当年是第一次听到的新词汇。

将双向充电桩当作应急的灾备电源,还是当作UPS,这对系统应用来说,用户体验是不一样的。简单地说,就是双向充电桩是怎么接入电网的。

一种做法是,停电的时候,跑到车库里将双向充电桩的枪头插到车上,将双向充电桩切换到放电模式,用车发电。系统应用简单粗暴。

另外一种做法是,将双向充电桩长期接入一个小储能电池,在车辆空闲的时候接入电动汽车,将双向充电桩接入家里的关键设备,这样就起到了UPS的作用。

3.3 终局政策发布之后

全国各地密集出台的分时电价政策是车网互动终局得到到来的前奏。如前所述,这个差价已能实现工商业储能的市场化。

终局政策发布后,车网互动带来的想象空间巨大。下班回家后的晚上6:00-9:00是用电高峰,电动汽车给电网放电;下半夜,凌晨12:00-7:00是用电低谷,电网给电动汽车充电。政策上继续调高晚上6:00-9:00的电价,同时收购电动汽车放出的电,在晚上6:00-9:00的用电高峰期就很少有车辆在充电,却有很多车辆在放电。这种削峰填谷非常便利,就不用投入更多的专用的储能电池了。储能电池只要作为某些场景下的小的“蓄水池”,大的“蓄水池”交给电动汽车。

终局政策发布后,分布式V2G的场景就很简洁了。每个充电桩都变成双向充电桩,由市场来调节功率。停车后,人们都将习惯性地将充电枪头插到车上,然后启动手机APP,将常用的充放电策略对应的一个套餐调用出来,启动就好了。譬如办公室模式,对应就是将SOC最低设置为40%(留一点电下班开车回家),多余的电都允许电网调动,“放出来”贡献于削峰填谷。

4.双向充电桩的前景:2035年,所有充电桩都将是双向充电桩

2030年,随着终局政策的全面导入和各种方案的产品全面量产化,双向充电桩成为超级热点。

欧阳明高院士预测,2030年后车网互动储能总量将超过储能电站。预计在2030年,中国大概会有三亿辆电动车,如果每辆车平均是65度电,那3亿辆车是200亿度电。我们今天全国每天的用电量就是200亿度。我们车上电池的电够我们全国用一天。我们并不能把所有这些拿过来出来,一半就是100亿度。100亿度已经是我们现在储能的几十倍。 从功率调节的角度来看,如果每个充电桩15千瓦,那么后就会有30亿千瓦。30亿千瓦什么概念?我们2030年的非化石能源装机的一半,大概也就是30亿千瓦,这个也是足够大的。

国家标准、规范都有了之后,电动汽车接入电网,参与能量互动已经具备良好的电网硬件基础和设计方法。而且双向充电桩的成本并不高。2030年之前,我们预测储能电站还是一个主体,在总量上一定会比车网互动要多,因为车网互动我们还需要一个发展的时期; 到2030年之后,电动车的数量极大增加。成本低、安全性好、量大,它在储能中,尤其是我们用户侧储能中占有很大的比例,逐步在总量上超过储能电站。

我预测,2030年之后,再经过5年的市场选择,最终在2035年,所有充电桩都将是双向充电桩。

5.双向充电桩的核心技术

双向充电桩的核心是双向充放电模块,是电力电子学科的最前沿技术,甚至可以说,代表了电力电子技术的最高境界。

大功率充电模块领域,PFC部分,三相维也纳拓扑长期一统天下;DC/DC部分,LLC和移相全桥两种拓扑并存,LLC略胜一筹。大功率双向充放电模块领域,最大纠结是,采用两级拓扑还是三级拓扑。双向PFC主流则是六管整流为主;双向DC/DC的主流拓扑有CLLC和DAB两种,各有优缺,难分仲伯。

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