电动汽车~退役电池~电网协调运行的创新尝试:宝马联手PG&E让充电更聪明

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在近年来,能源转型可以说是全世界范围内最为赚眼球的话题。可再生能源、储能技术、电池与电动汽车、能源互联网都是行业聚集的中心。可以说,在以锂电为代表的先进储能技术和互联网-信息技术的支持下,绿色化、智能化、大众参与化几个特点是交通领域(电动汽车)与能源领域(能源互联网)共演化发展的方向。而随着电动汽车的发展,电气化程度提高的交通网与能源网络的耦合和互动也就越来越强,动力-储能电池做为沟通两网之间的桥梁的重要性也会不断凸显。

众所周知,电动汽车的发展需要储能、通信、电力等多种技术的支持,而其顺利的使用又离不开与电网的互动(充电)。如果电动汽车发展到了一定数目,其与电网/能源网络的协调必然将成为焦点:

· 对其进行有序充电/管理可以支持可再生能源更低成本的消纳

· 实现需求响应降低电网负担,提高稳定性,甚至可以降低扩容改造调峰电站的需求

· 退役的电池可以为电网提供最直接的储能电池来源

· 而未来的V2G反向向电网送电的技术还可以为各种服务、商业模式的实践提供无限的可能。

在这样的背景下,实践电动汽车与电网/能源网络的良性互动,必将是一个非常有意思也是非常重要的方向。笔者日前在网络上无意中看到了宝马(BMW)公司在美国加州与PG&E等公司合作开展的iChargeForward项目(https://www.bmwchargeforward.com/),感觉这就是一个电池支持的交通与能源网协同运行尝试的创举,特此撰文介绍,与大家分享。

项目简介

近年来能源转型其实是汽车、能源、电力领域企业的共同发展方向。iChargeForward项目的初衷是通过现代信息技术,统一调配优化电动汽车与退役动力电池的充电行为,从而为电网提供需求响应服务和支持可再生能源消纳,最终达到多方共赢的效果。

该项目始于2015年7月,第一阶段结束于2016年12月,从400名i3车主中招募了100名参与者,通过给接入电网的车辆发送延迟充电的命令,降低高峰时段的电网负荷,同时更好地利用可再生能源。因为参与项目的车主的充电行为受控,为电网的负荷调节做出了贡献,第一阶段每位车主可以得到最多900$的补贴,因此最终还可以为电动汽车车主降低使用成本。

主要的参与者

BMW

他们开发了几款代表性的电动汽车(i3,i8),在市场上受到了良好的欢迎。在此项目中,他们有100辆i3接入网络进行有序充电管理。不仅如此,他们还调用了之前使用的电动汽车的退役电池来参与该项目的运行,因此是汽车动力电池有序充电+退役电池储能共同支持电网的需求响应,动力电池与退役储能电池合计的服务功率有100kW——任何时候都可以让电网灵活调用的100kW。

PG&E(Pacific Gas and Electric Company)

即太平洋燃气电力公司,目前是加州主要的能源企业,在转型综合能源供应商方面做了很多开创性的工作,值得中国企业、政府等学习。在该项目中,BMW汽车与退役电池接入PG&E的电力网络,100kW的储能资源受到PG&E统一的管理调配。

Olivine公司

提供了分布式能源管理平台和在线监测系统,进行实时的基准计算,为派发响应指令提供依据,保证能量服务的精确性,可以说是为PG&E与BMW的对接提供了接口。

Whisker公司

提供了计量系统。

CEC(California Energy Commission)

即加州能源委员会,该委员会批准了该项目,并给予了支持资金来促进工作的开展。

车主们

当然啦,很重要的还有热心报名的i3车主们。他们积极报名参与其中,并且在该项目过程中积极的参与提供服务。统计结果表示,车主们积极响应了绝大部分需求响应(调整充电行为)的命令请求,选择退出(opt-out)的比例极低,从而为电网提供了稳定可靠的支持。

项目阶段 I 的介绍

· 算法

在该项目中,需要按照电网的要求,对于充电行为进行管理,因此车主就不能想什么时候充,就什么时候充了——PG&E制定了算法来管理。但是该算法也是有优化原则的:通过计算分析用户的出行模式,尽可能在满足系统需求响应的同时又不影响用户随后的出行需求(保证电池电量里程)。当然了,考虑到参与车主可能临时会有各种情况需求,系统也提供了灵活的选项:他们可以随时选择退出(opt-out)。

· 退役电池的使用

因为考虑到电动汽车数目少,提供的服务可能不太稳定,出力不见得总是能够满足需求响应需要的100KW,为了补缺,BMW又了8组用过的BMW电池(100KW 225KWH)做备用补充,汽车+储能电池合力保证永远有100kW的容量供PG&E调用来满足需求响应。在这里需要强调一点,该退役电池的使用得到了PG&E的批准,可见该项目在梯次利用电池上的实质性进展。

· 支持可再生能源消纳

下图是连续三天的光伏出力(绿色)和储能电池出力(橙色)曲线。可以看出,橙色曲线随着白天光伏的出力积极的提供了服务。而到了夜间的正轴上的突起(Spike)则是电池在晚上为电网提供电能服务,以解决此时可再生能源等发电量偏少的问题。

image002.png项目中可再生能源发电与储能电池的配合 

· 电动汽车池(Car-pool)的有序充电——通信调控

该系统对于电动汽车的充电进行了有序化管理。车主被要求停车时只要有充电桩(不管是家里,还是工作场所),都要接入电网,并且通过手机APP接受有序充电的调控指令。为了与电网的电能提供有良好的配合,系统会根据实时供需平衡来发送延迟指令,让电动汽车在一定时间后再进行充电,并且全面记录了数据用于分析总结。该通信系统基于GSM技术开发,延迟大约为10-30秒,满足加州电网对于提供电网服务的要求。

· APP的支持

BMW专门开发手机APP来支持有序充电-需求响应工作,该APP允许参与者100%控制自己的车的充电行为,但是默认的是自愿服从系统的充电优化指令。系统会为参加活动的车主每天发送推送,如果用户认为时间不合适有别的需求,可以自愿选择退出本次活动(opt-out)。

image003.png

充电APP界面

· 法务支持

不仅如此,BMW、PG&E还认真的起草了合同,其中对于参加需求响应的权利、义务做了明确的规定,让参与者有一本明账算,活动开展的自然会更顺利。 

项目阶段I的运行情况

· 工作日汽车池的充电情况

从下图可以看出,经系统优化,电动汽车在白天虽然也接入电网,但是充电较少。经系统统一控制的充电行为将在夜间逐渐提升,在凌晨(电网负荷最低时)达到顶峰,这与我们一般认识中的削峰填谷的效果是一样的。image004.png

工作日汽车池的充电情况,其中中心的白色线代表汽车池充电功率的中值,绿带代表四分位数的范围(25~75%),浅蓝色带则代表最小和最大的需求

该项目通过激励补贴政策,让参与响应的电动车优先在凌晨充电,在不同时段参与服务的车的数量以及提供的容量服务如下图所示。image005.png

不同时段参与服务的车的数量以及提供的容量服务(功率)

· 增程式电动车、不同行驶行为驾驶者的区别

该研究还涉及了i3配备增程器后车辆充电行为,以及频繁使用/不频繁使用/家用三类车主的充电行为的区别。

其中增程式车主因为一般开的比较远,因此其接入电网后,充电行为发生的更早,能量要的更多一点。

频繁使用者的充电行为较为有规律,不频繁使用者每天开车的里程较少,充电不规律,家用车主则开的多且无规律。

image006.png频繁使用/不频繁使用/家用三类车主的充电行为的区别

 image007.png增程式电动车(REV)与纯电动汽车(BEV)充电行为的区别

 

需求响应服务情况

这一年半中,BMW的电池+电动汽车资源响应了209次。每次要进行服务前,为了检验资源是不是可用,系统会在进行日前(发推送24小时前)以及实时建模(发送推送4MIN前)测试。

PG&E要求提供100KW*1h的响应能力。在这209次服务中,BMW达标189次,在每次服务中平均20%功率由汽车有序充电提供,80%是退役电池储能提供。image008.png

动力电池与退役电池对需求响应服务的贡献占比

尤其是在夏天,需求响应要求的频次会比较高,用户会频繁接到参与服务的推送(似乎官方也承认,频繁推送有点烦……)但是即使如此,在PG&E每周三到四次的要求响应中,最多的一次也只有三个人选择退出,95%受访者认为,参与该有序充电活动,他们的驾驶行为没受影响。据调查,92%的人都是被动式参与需求响应的,即系统发了推送请求,他们就选择默认接受请求,生活没受什么明显影响(汽车续航)也不操心。

下图是每次需求响应中,被系统调配成功参与服务的电动汽车的数目,可见一次最多29辆车参与。研究表明:参与最多的前10%的车使用习惯都是相似的,都是频繁使用者,充电规律,习惯性的晚8点开始插上充电,一般充3h。因为系统的一大需求响应活动集中发生在晚上8-9点,因此它们的车可以频繁的参与。image009.png

每次需求响应被系统成功调配参与服务的车的数目

项目后续阶段(II、III)的介绍

刚刚结束的阶段I的目标是探索参与该项目的主要驱动力,调查了解参与者对于项目进展的体验和看法。因为项目进行的成效显著,BMW收到了CEC的进一步资助以开展该项目的第二阶段的工作。

该项目阶段II已经开始,将于2018年12月结束,在该阶段中,汽车池的数量会提升到250辆,项目将进一步试图理解电动汽车司机对于有管理的充电系统的舒适性和信任,研究让第三方控制方加入的门槛,探索有哪些因素会影响参与者对项目的信心,探索更多种提供服务的可能性,从而让公用事业与电网运营商有更大的灵活性以在时间、地点上来支配电动汽车的充电负荷。电网得到的服务收益可以返回一部分用于补贴电动汽车拥有者,支持电动汽车的发展。

启示

(1)最多900美元/车的补贴是通过鼓励车主参加为电网提供服务来分发的,这对于我们的电动汽车补贴体系是不是有一定的借鉴意义呢?

(2)BMW使用自家的退役电池,解决了很多企业不敢梯次利用电池的问题——还是自己的用起来可靠放心。而使用该退役电池还得到了PG&E的批准——现在在国内,退役电池还常常处于没人敢批准用的状态,很多公司都抱着多一事不如少一事的态度。

(3)本项目中的车电互联服务仅仅是有序充电-需求响应,还没有涉及到汽车向电网反向输电。随着技术的发展,相信还有更多的服务、更多的能源运营模式可以被开发出来。

(4)为参与项目的车主算一比清楚明白账,在法律上有据可循,让他们可以放心参与项目,也是我们推行新的能源商业模式的成功要素——朝令夕改会使人失去信心更多地观望,效果也会大打折扣。

(5)此项目中储能电池在服务中提供的占比达到了80%。一方面是因为电动汽车接入网络时间不固定,另一方面的本质原因仍是退役电池的体量非常大,随着电动汽车动力电池退役潮的到来,梯次利用电池真的是必须重视和提上日程的工作。

(6)根据项目调查结果:虽然加州人民环保意识高,但是如果二选一,一个是可再生能源为车充电,一个是给你补贴充电,还是有更多的人选择了……补贴,所以在经济上开发适合的制度以促进可再生能源的发展仍是重中之重地,情怀虽然好,也得有真金白银的激励。

(7)在此项目中,汽车企业-电网公司-通信服务商-政府(能源部门)共同合力做成了这样一件事,如果在中国我们想推进一个类似的项目,是不是也可以有几方一起来做呢?欢迎有识之士来信探讨。

感谢清华大学电机系胡泽春副教授为本文提出的意见和建议

参考文献:

1、PGE-BMW-iChargeForward-Final-Report

2、【跨专业科普+长文】储能——能源互联网的关键支撑技术

3、光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓


来源:第一电动网

作者:刘冠伟

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