含电池储能的电动汽车大功率快充站效益分析研究

车长明

摘要：为满足电动汽车大容量动力电池的快速充电需求，电动汽车大功率直流快充站应运而生，本研究的目的是确定大功率快充站的优化设计，并降低其对电网的影响，根据安装成本、电池寿命和电价，完成含电池储能的快充站成本效益分析与评价。最后，通过实例验证了本研究效益分析研究的有效性和适应性，为大规模电动汽车快充站引入电池储能提供投资建设依据。

关键词：电池储能;电动汽车;成本效益分析;快速充电站

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

在溫室气体剧增、化石燃料紧缺及石油价格不断上涨的大背景下，电动汽车成为理想的绿色出行解决方案。为了减少二氧化碳排放量，欧洲城市正在加强对大都市地区周围汽油车辆的驾驶限制，并且将引入电动汽车及智能充电系统作为替代方案[1]，许多欧洲国家在鼓励购买混合动力和纯电动汽车[2-3]。大规模电动汽车大功率充电负荷的广泛接入可能会对电网运行造成不利影响。

目前，电动汽车的“里程焦虑”一直是用户的痛点之一。为了解决这一痛点，各大车企和电池厂商都在致力于研发更高能量密度的动力电池。但是，要想达到更高的能量密度，电池容量也会随之增加，充电时间将会延长，这不是电动汽车用户希望的理想解决方式。因此，在电池容量增加的同时，能够缩短充电时间，提升充电功率成为关键难题。目前，只有少数研究人员正在努力研究引入储能的大功率快速充电站的需求及其对电网的影响，文献[7]研究了电动汽车快充系统对配电网的影响;文献[8]提出了一种协调充电系统，结合电网负荷，实现了电动汽车最优充电曲线;文献[9]中提出了基于电网可靠性的用户动态充电价格。

但是，针对电动汽车大功率充电站引入电池储能的优化设计与效益分析研究较少，本研究的目的为提出引入电池储能的大功率快速充电站优化设计，降低其对电网的影响，并进行成本效益分析：安装成本、电池寿命和电价。基于电池储能的能量交换，将快充站的电池储能（BES）分为两部分（BES1与BES2），BES1服务于电动汽车大功率快速充电，BES2用于从电网获取电能。通过成本效益分析，本研究完成了对含电池储能的电动汽车大功率快充站的效益分析、评价。

1  效益分析方法

本节采用成本效益法对比分析充电站内有无电池储能的效益。成本效益分析通过使用储能系统在充电站通过比较没有电池。第一种场景为：配置有电池储能的电动汽车快充站连接至低压电网;第二种场景：没有配置电池储能的电动汽车快充站连接至中压电网。在电池技术不断提升及其成本持续降低的背景下，成本效益分析的主要目标：考虑基础设施成本和电池储能寿命的同时，挖掘电池储能的综合效益，尤其是在电动汽车快充站内（电池储能易于部署与集成）。电动汽车快充站及其电池储能的投资主要包括：资本成本或初始投资、利率、投资回报和投资寿命。

1.1 投资回收期

在不考虑资金时间价值的条件下，回收期（PBP）是以项目的净收益回收其全部投资所需要的时间。因此，缩短投资回收期会使电动汽车快充站的电池储能项目更有吸引力。投资回收期的计算表达式如下：

本方法不考虑年内货币的时间价值，并把利息作为一个未知因素。

1.2 内部收益率

内部收益率（IRR）是PBP的倒数，通常表示为百分比。

IRR是指资金流入现值总额与资金流出现值总额相等、净现值等于零时的折现率。它是一项投资渴望达到的报酬率，该指标越大越好。一般情况下，内部收益率大于等于基准收益率时，该项目是可行的。投资项目各年现金流量的折现值之和为项目的净现值，净现值为零时的折现率就是项目的内部收益率。IRR方法不考虑货币的年价值，它把利息作为一个未知的因素。

2  具体案例分析

在本研究中，利用两种不同的布局分析直流快充站系统的连接。通过成本效益分析，比较两种不同拓扑结构的电动汽车快充站系统。第一个布局将考虑低压电网中直流快充站内的锂离子动力电池安装。在这种情况下，效益评估包括降低电网成本，如新的变压器和新的线路，以及新的线路与中压电网的连接费用。第二种布局考虑成本效益分析-用新的变压器和新线路来证明在MV电网中充电站的标准投资。对于它们中的每一个，已经完成了具有商业模型场景的场景，并且在这两种方法中的EV负载需求被认为是等价的。根据IEC61851的四种充电模式应用于车载和非车载充电系统上的EV导电充电。目前使用最多的系统是用车载充电器在交流充电EV。另一种方法是使用一个用于充电器（DC）的板外充电器，以便在短时间内充电。特殊充电点通过使用中压（MV）在高功率水平下运行。EV充电模式有以下几种：充电模式1：在最大11A的交流11kW的家庭中;充电模式2：私人设施22kW，最大32A;充电模式3：公共充电站AC43kW，最大63A;充电模式4：公共充电站DC240～300kW，最大400A。模式4已经通过使用户外充电器实现了AC/DC充电。典型地，模式4的充电时间从50到30min，达到电池SOC的80%，功率在50和120kW之间。直流充电器显著降低了充电时间和EV侧的转换损耗。

实例研究采用100kW的AC/DC转换器，充电率为6C（97min）。通过DC/DC的放电速率为9C（67min），转换器为150kW。为了满足EVS的能量需求，直流快充系统的最优BES为16kWh，因为它满足SOC满意度的最高水平。具有储能系统的直流快充系统的情况A的配置如图1所示。

这种情况下的研究考虑到LV电网的最大功率，以防止在MV中的连接。为了避免与MV的连接，特别是在许多情况下电网加固的高成本，DSO的负载不应超过500～600kW。在本研究的情况下，六个充电器每100kW可以防止连接到MV和由于DC/DC转换器;充电器通过储能系统的9C放电率在EV侧提供150kW。该系统的缺点是电池的成本和在其使用寿命结束时的更换。案例A的成本效益分析将考虑直流充电站的成本、电池更换以及安装成本。情况A考虑到不同周期的不同锂电池。在成本效益分析中出售给最终用户的能量被认为是EVS日常充电功能的收入。成本效益分析步骤的细节将在下面的章节中讨论，通过使用不同的方案。

3  财务评价与成本效益分析

3.1 储能系统的成本和收入计算

考虑到基础设施成本和作为电力消耗的好处，计算了充电站内的A—BES的年度成本和收益。每年的总成本为：

其中CS是部件成本（包括充电器和电池），在安装成本中，RE是以EVS需求为功能的更换电池的成本，O&M是運行和维护成本。每年的总收入可以计算为：

其中E是EV需求的函数消耗的每日能量，P是EV用户支付的价格，T是在一天中测量的一年中的总时间。

3.2 连接到中压电网的成本和收入计算

相关的年度成本和收益-在MV中的经典连接通过比较类似的投资来表示。这种配置考虑了基础设施成本、新线路和1MVA变压器以及直流充电站和安装成本。好处是消耗电力。每年的总成本为：

其中CS是组件成本（包括充电器、线路和变压器）。每年的总收入可以计算为：

4  结论

本研究完成了直流快速充电站储能系统的财务评估与研究。根据回收期、内部收益率、净现值和效益成本比情况，评估了五个案例的财务绩效。直流快充站储能系统的财务指标与电池的生命周期成本密切相关;相反，直接与中压电网相连的直流快充站与电动汽车的充电需求密切相关。总之，本文提出的工作有助于理解在直流快充系统S中使用不同存储系统背后的商业案例。在未来，大幅降低电池成本的不同技术可以代表一个有利可图的替代方案所考虑的情况。

参考文献：

[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.