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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流储能式太阳能充电站关键技术研究概要.精品文档.储能式太阳能充电站关键技术研究概要三门峡华豫新能源科技有限公司 吴木林面对日益严重的环境与能源问题，电动汽车进入了快速发展时期。传统汽车靠加油站支撑，电动汽车则靠充电站支撑。目前的情况下，国家虽大力倡导，各企业也蠢蠢欲动，但电动汽车走入寻常百姓家不是短期内可以做到的。2009年3月20日，国务院办公厅公布的汽车产业调整和振兴规划中提出，未来三年要形成50万辆新能源汽车产能，新能源汽车销量占乘用车销售总量的5%左右。在这样大的背景下，建立电动汽车快速充电网络，加快停车场等公共场所公用充电设施建设就成
2、为当务之急。一、现有充电方式及效益分析1、我国大多数家庭没有充足的电力和车位现在城市中的住房大部分是高楼，除去住在底楼、别墅或农村中的1的家庭，将有2的家庭不具备充电条件，就是住一楼也不能保证家里的电线能够着自家的电动车，何况外接电线还存在极大的安全隐患。虽然部分家庭拥有私人车库，但真正买电动车的人群还是普通收入的无车库市民。2、社会电动车充电站电力供应特点充电站充电时，一般要满足15分钟充电到85%左右。此时的充电功率至少要达到35KWx6（C）=210KW，按90%充电效率计算，电网输入功率至少要达到230KW，标准充电站如果要保证8辆电动汽车同时充电，总用电功率将超过2000KW。如西安
3、及周边地区10年后有10万辆电动汽车，高峰时就有可能有3千辆电动汽车同时充电的情况，需要发电厂新增230KWx3000=69万KW的输出能力。初期的充电站虽然充电车辆不多，但由于充电瞬时功率大，会对普通电网造成很大的尖峰干扰，影响电网安全。现有电网基本都处于容量饱和状态，很难有富余的电能供给充电站，多辆电动汽车同时充电时的瞬时功率会对电网造成严重干扰。因而除了少数样板站外，大规模的为社会电动车辆服务的充电站必须采用专网方案。（注：本文充电站是指需国家电网建设的电动汽车充电站）3、专用电动汽车充电站投资巨大社会型的充电站必须达到一定数量后才会逐渐有电动汽车市场。而电动汽车充电站网络则无法短期建立
4、，主要原因是电动汽车快速充电时需要瞬时强大的尖峰功率，常规电网无法满足，必须要建专用充电网络，但这涉及整个国家电网改造，国家电网大改造不是小事，耗资巨大。据测算，在整个西安市（包含远郊区县，如果倾举家之力购买的电动汽车连郊区都不能去是不能被接受的）至少要建100座充电站才能基本满足电动汽车用户的出行需要。即使不考虑充电站场地费用问题，电力设备的投资也相当高。据电力部门估算，仅架空高压电网线缆每公里的费用就高达数百万元，100座充电站站内设施、架空线缆、变电站改造、发电厂扩容等全部投资至少数十亿元，且从规划、设计、施工到管理，整个工程十分浩大。另外，电力网络一向由国家电网专营，民间资本也难以进入
5、。4、充电站投资收益问题以西安市（含所属区县）为例，初期至少要建100座公用充电站才能基本覆盖整座城市。城市人口密集区的充电站建设最大的问题是建站场地和专用电力网络系统费用高昂，每座充电站场地、送变电等投资相当巨大。以市场初期的前三年平均有1万辆乘用车上市，平均每个用户每3天到充电站充电一次。考虑到休息日和多数天数的路程较近，及在家（或单位）补充部分电能，则每天约有3000辆需要充电。每辆车每年行驶3万公里，耗电4千5百度（平均百公里耗电15度），除去在家和单位等充电约1500度，每辆车平均在充电站充电3000度。按充电增值费1元/度（充电站充电售出价1.5元/度减去普通进电电价0.5元/度）
6、计算，则充电站在每辆电动车的总充电收入为3000度x1元/度=3000元，为1万辆电动车充电的年总收入为3000万元，中期（310年）平均上市35万辆车，总收入为9000万元到1.5亿元，远期（10年以后）平均上市10万辆电动车，总收入100000x3000元=3亿元。按每座充电站投资3000万元计算，考虑到利息、管理费用以及上市电动汽车达到10万辆以上时，充电站的数量还要增加2-3倍。届时不用说收回投资，就是连利息也付不起了。 一个城市的投资规模尚且如此，全国性的投资就更不用说了。在投资基本没有回报的情况下，现在就投入巨资搞电动汽车的充电站网络是不现实的。而且回报期长且投资风险巨大，无论是国
7、家、国企或个人都难以承受，尤其是电动汽车市场还未形成的时候。更何况电力网络一向由国家电网专营，民间资本也难以进入。5、集中更换蓄电池的充电更换站方案更不可行集中更换蓄电池的充电更换方案更是存在场地、电池所有权与管理、电池安装标准化、更换过程的安全性等诸多问题，同时容易造成蓄电池的垄断经营，制约行业发展。总之，集中更换电动车电池不仅存在极大的安全隐患，占地大、而且面对电动汽车和蓄电池的实际情况，在经营管理上也无法实现。二、电动汽车充电站的新思路电动汽车虽然是未来的发展方向，但初期的拥有量毕竟不多，充电站的建设要符合“点多面广投资小”的原则。常规的思路难以解决，需用新技术新方法来实现突破。投资小则
8、必须要依靠常规电网，只要涉及专业电网，费用就会居高不下。使用常规电网就必须找到一种既能从现有电网取电，又不能干扰常规电网的办法，最好的办法就是采用一种储能单元，向电动车快速充电，由于有储能单元的缓冲，为电动车快速充电时不会对现有电网造成任何干扰。新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一，各国都在用各种手段逐步加大对可再生能源和清洁能源的开发利用,并努力提高其在整个能源使用中的比例。在这些清洁和可再生能源中,太阳能和风能是其中最重要的能源。太阳能和风能是清洁、高效和永不衰竭的新能源。为此我们可以利用风光互补发电系统，再结合普通电网取电的方法，建立安全可靠、无噪声、无污染的储能
9、式太阳能充电站，以达到稳定地为电动车充电并实现节能减排的目的。三、储能式太阳能充电站简介（一）工作原理储能式太阳能充电站的原理是将太阳能或风力发的电用高能锂电储存起来，在需要时对外充电或供电，在太阳能发电不足时可以从电网中取电存储，智能控制系统会根据实际需求自动在电网低谷时接通电网储存电能。储能式太阳能充电站组成结构如下图所示：从结构图中可以看到，储能式太阳能充电站主要包括光伏发电单元、风力发电单元、智能控制器、高能铁锂电池组、逆变器及耗能负载等。1、光伏发电单元利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电； 2、风力发电单元利用风
10、力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电； 3、智能控制器根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；（待修改）4、逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的110v和220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。 5、铁锂电池组由多块高能锂电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统、光伏
11、发电系统输出的电能及必要时从国家电网获取的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。 （二）主要特点介绍1、不需要专门建设电站或电网供充电站使用，甚至不需要增加电网容量，太阳能发电系统除了可以自身发电外，如果供不应求可以选择在电网低谷时从国家电网购电，这样可以支持国家电网低谷时电力的有效利用，可以快速给电动汽车充电，快充时不会对电网构成安全威胁，可以有效避免与国家电网用电冲突，还可以在国家电网用电高峰时段，利用储能电站的优势向电网反向供电，具体实施方案可以变更为在电网用电高峰时段，可以由充电站来替代电网公司向局部客户供电。为了保证次日用电，在用电低谷的后半夜将电池充满。2、储能式太阳能充电
12、站是由多个储能单元结合而成，如果出现供不应求的状态，充电站的扩容也非常简单，只需增加电池组，而不用重新建设。有条件的党政机关、企事业单位都可以自建储能式太阳能充电站，充电站除自用外也可以对外充电，电网用电高峰时段单位用电可改由充电站供电，国家电网故障时充电站可以作为一个应急发电系统向本单位临时供电。（三）关键技术研究储能电站每天利用夜间低谷（或调峰电）进行储电。不管是峰谷用电，还是公共电网瞬间停电，都不会对负载充电带来影响。拥有配套的快充电接口就可在用电高峰期内自由地对负载随时充电。如果是在用电低谷时，通过智能系统识别自动选择电网充电，避免了储能电站充放电的损失。高能锂电池储能电站与风能和光伏
13、发电等不稳定的可再生能源的配合是将来发展的热点方向，是绿色能源接入电网的最佳选择。1、高能锂电池组高能锂电池是本世纪初发明的一种高能量密度、高安全可靠、长寿命、快充电电池，具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长（可反复冲放电3000次以上）、无记忆效应及无公害等优点。表一 各种电池性能比较电池类型酸性电池镍镉电池镍氢电池铁锂电池安全好好好优秀工作电压（ ）21.21.23.6重量能量比（ ）354150-80140体积能量比（ ）80120100200320循环寿命30050030050050010005000工作温度（ ）-20 6020 6020 60-40 80记忆效应
14、无有无无自放电 0% 10% 30% 5%毒性有毒有毒轻毒无毒形状固定固定固定任何形状高能锂电池储电柜可做成上兆瓦级固定式储能电站，储能站可采用高能锂大功率单体电池（一般单体电池为7000Ah）串并联成电池组，可将电池组设计在地下。高能锂电池储能电站具有工况转换快、运行方式灵活、效率高、安全、可靠、环保、运行维护费低、建设工期短、可扩展性强等特点。高能锂电池储能电站的扩展性好，规划时可以预留空间，由小到大逐步建设发展。2、风光互补发电系统由储能式太阳能充电站的组成结构图可以看出，该系统采用了风光互补发电系统。白天在太阳光的照射下,太阳能电池组件产生的直流电流与风力发电机组发出的交流电经整流后,
15、通过智能管理器对蓄电池组进行充电；夜晚，风力发电机组发出的电通过智能管理器对蓄电池进行充电。蓄电池的电能既可直接对直流负载充电，又可通过逆变器转化为交流电供交流负载使用。该发电系统充分利用了太阳能资源和风力资源并使这两种资源相互补充，有效利用。该系统的系统优点：太阳能和风能资源取之不尽，用之不竭，无枯竭危险、绝对干净（无公害）；绿色环保，发电本身不需要燃料，没有CO2的排放，不污染环境；无机械转动部件，不产生噪音。应用范围广，只要有光照和风的地方就可以使用风-光互补发电系统，不受地域、海拔等因素的制约，可在用电处就近发电。能源质量高、使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。独立供电，建设
16、周期短，规模大小随意；拆装简易、移动方便、工程安装成本低，可以方便地与建筑物相结合，无需预埋架高输电线路，可免去远距离敷设电缆时对植被和环境的破坏和工程费用；维修保养简单，维护费用低；运行可靠性、稳定性好，故障率低、寿命长；根据需要很容易扩大发电规模。哪里有停车的地方，哪里就可以建立电桩（站），大小任意。3、电池管理技术电池管理系统（Battery Management System,BMS）由微电脑技术、检测技术等构成，是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的剩余电量，同时对电池进行充放电保护，具有过压、欠压、温度、漏电报警及保护功能，以及过流报警功能，并使电池工作在最佳状态
17、，达到延长其使用寿命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性。该系统集成于智能控制器中，其组成结构如下： 电池管理系统电池管理系统采用中央处理模块（Central Electric Control Unit,CECU）和本地测量模块（Local Electric Control Unit,LECU）组成两级控制结构，LECU和CECU之间的通信通过CAN总线实现。（1）中央处理模块是一台上位机，它对本地测量模块进行管理，建立用户交互界面，通过CAN总线发送控制信息以及接收电池状态信息，保证风电、光电向蓄电池充电及向负载供电的同时保证各种必要参数的计量、检测和显示；当蓄电池过充电或过放电时
18、，可以报警或自动切断线路，保护蓄电池；当铁锂电池组有故障时，可以自动切换，接通备用铁锂电池组，以保证负载正常用电。（2）本地测量模块负责电池组的充电，主要由充电模块、均衡模块、数据采集模块（包括电压、电流、温度数据采集）和电量计算模块组成。各模块独立工作，由中央处理器（MCU）控制，通过CAN总线与中央处理模块进行通信。l 充电模块：在实行充电前进行系统的初始化，然后由MCU编程实现自动充电。该模块在初始化阶段对自身进行初始化和自检，已确定自身是否工作正常，同时检测当前条件是否符合充电要求。l 均衡模块：接收数据采集模块传来的电压信号，在适当的时候开启充电装置，是电池组内个单电池的电压更加均匀
19、和一致。l 数据采集模块：负责采集电池的各种状态参数，如电流、电压、温度。l 电量计算模块：分析采集过来的状态参数，对电池的当前电量进行估算。l CAN总线通信模块：负责在CAN总线上收发数据。电池管理系统能够有效地实现以下功能： l 能够准确估测并显示铁锂电池组内各单电池的剩余电量,进行电池信息实时采集，包括单电池电压、电池组总电压、温度和充放电电流；l 动态监测铁锂电池组的工作状态，在电池充放电过程中，实时采集电池组中各单电池的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压，防止电池发生过充电和过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保证电池组运行的可靠性和高效性。除此以外，还要
20、建立各单电池的使用历史档案，为进一步优化和管理蓄电池组提供依据。l 有效进行各单电池间的均衡，是电池组中各单电池都达到均衡一致的状态。3、智能控制技术智能控制器负责监控整个充电站系统的运行，其设有人机交互界面，内部集成算法控制部分、通讯控制部分以及驱动控制部分，用以根据人机交互界面输入的命令控制风光互补发电及电网取电的切换管理系统、电池管理系统和电动车动力电池充电计费管理系统的运行。智能控制器组成结构如下：l 电池管理系统该功能已经在电池管理技术中做了介绍。l 风光互补发电机电网取电切换管理该系统利用光伏发电单元和风力发电单元将太阳能和风能发的电用高能铁锂电池储存起来，在需要时对外充电或供电，
21、在太阳能和风能发电不足时可以从电网中取电存储，切换管理系统会根据实际需求自动在电网低谷时接通电网储存电能。该系统实现了智能化全自动监控，使系统具有过充电、过放电、输出短路延时保护等功能，故障消除自动恢复供电、故障报警和交流逆变等劝能。并且使控制电路简单、工作可靠、自耗能少、转换效率高、免维护。系统还可以根据用户所在地的风、光资源，任意改变风力发电单元和光伏发电单元的容量，获得用卢所需的控制方式。l 电动车动力电池充电计费管理系统 该系统对电动车动力电池的充电电量及应缴费用进行实时计算并在电子显示屏上进行显示，甚至与银行系统的刷卡消费终端相连接实现刷卡缴费。4、快速充电技术为了能够最大限度地加快
22、蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态时间，同时保证蓄电池正、负极板的极化现象尽量地减少或减轻，提高蓄电池的使用效率，快速充电技术近年来得到了迅速发展。目前比较流行的几种快速充电的方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的是使充电曲线尽可能地逼近最佳充电曲线。快速充电是在大电流充电过程中，自动进行短暂的停充电并在停充电中自动加入放电脉冲(或以一定的电流差值递减)的充电方式。在充电过程中，只要充电电流不超过蓄电池的可接受充电电流，蓄电池内部就不会产生严重的析气现象。该方法具有充电时间短、空气污染小、省电节能以及不需专人看管等优点，一般适用于要求在极短的时间内对蓄电池实施快速充电的场合，也普
23、遍应用于电动车在停歇、休息时间内对蓄电池的补充充电，因此我们在建设储能式太阳能充电站时采用这样的快速充电技术。四、未来电动汽车充电站的定位1、在阳光充足、风力资源丰富的区域，屋顶可以建风光互补发电站，夜间用低价市电补充。从能源的利用角度上考虑，“储能充电站”的诞生，可以使太阳能和风能这种可再生能源的利用更趋稳定。今后，无论天气是阴是晴，“储能充电站”都能把分布不均或断断续续的太阳及风能转变为电能储存下来，让清洁的“绿电”随着电动车用电实际需求的变化适时、适量地输出，与传统电网配合默契。2、建设时可以考虑增加维修服务等功能，也可以建咖啡厅、杂货店、维修中心等，不仅解决了很大一部分的就业问题，还会
24、带来非常可观的经济效益。充电站可进行广告位出租，可以统一租给广告公司，一个普通中小型充电站收益10万元左右。在一些大型的4S店或电动自行车、电动摩托车销售中心附近也可进行配套，形成联动机制，吸引更多消费。3、采用储能式太阳能充电站，就有可能灵活组建大小不一的充电站，在允许停车的路边、商铺门前地、单位、小区、购物中心、停车场、高速公路服务区等都可以建立小型的储能式太阳能充电站，以供应急充电使用。从根本上也解决国家能源安全问题，全国数百万个充电站就等于建了同等的电站，战时国家电网遭到破坏，但太阳能到处都是，随时随地可以为战时用电提供能源之需。4、社会资金也可进入，社会资金的进入就会大大增加项目的活力，目前电动汽车项目基本上是社会资金在唱主角。国家只需出政策，并象征性的每年拿出数十亿元的补助款，就会引起社会资金数百亿元的快速跟进，并在数年后形成每年数万亿元以上的大市场。5、迅速推动电动车普及，充电站的建设可以拉动电动汽车的建设，此过程中由于关键部件高能锂电的产能提升，使电池成本大幅下降，促使电动汽车及充电站成本下降，进而加快了普及的速度。6、对主要的储能式充电站在用电高峰期可以进入国家电网智能控制网络，为用电高峰电网平峰出力。