山東市萊蕪市第一中學(xué) 陶春昊

電動汽車儲電站儲能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化設(shè)計(jì)

山東市萊蕪市第一中學(xué) 陶春昊

21世紀(jì)以來，燃油汽車數(shù)量急劇增長，能源消耗加劇，石油消耗量中汽車燃料消耗所占比重越來越大，目前已居于首位，嚴(yán)重的環(huán)境污染隨之產(chǎn)生。因此，電動汽車開始被人們關(guān)注，一些公司開始批量生產(chǎn)電動汽車，其自上市伊始便受到廣泛歡迎，電動汽車有朝一日將取代燃油汽車。但是，電動汽車也存在弊端。為了分析和研究如何使充電站更加經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，論文對電動汽車儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化進(jìn)行研究，研究結(jié)果對電動汽車充電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

電動汽車；容量優(yōu)化

1.研究背景及意義

由于近年來汽車數(shù)量的急劇增加，能源消耗和對環(huán)境污染的問題也成為不可忽視的重要問題。在全球汽車燃油消耗占石油消耗量的比重日益增長，在2015年這一比重達(dá)到了70.5%，然而全球的石油資源按目前趨勢將在100年內(nèi)消耗殆盡。所以傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)必須進(jìn)行改型尋求可替代石油資源的新型能源以支持產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。以電能作為能源的電動汽車，因?yàn)榫哂袩o污染、高效節(jié)能、無噪聲等特點(diǎn)，快速地得到了整個產(chǎn)業(yè)鏈和各個國家的青睞與認(rèn)同。

為使電動汽車充放儲電站的運(yùn)行成本降低，對資源更好地利用，我們有必要對電動汽車充放儲電站電池容量優(yōu)化進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.電動汽車儲電站儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化方案

（1）儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化原理

容量優(yōu)化的目的是使電動汽車儲電站能更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，所以我們將電動汽車儲電站成本作為優(yōu)化儲能系統(tǒng)容量的指標(biāo)。通過查閱資料，我們了解到儲能元件的壽命是電動汽車儲電站的成本的影響因素，而儲能元件的使用壽命是受儲能元件的日充放電次數(shù)決定的。

所以我們由此來構(gòu)建電動汽車充放儲電站的數(shù)學(xué)模型如式所示：

由于儲能元件的壽命是由儲能元件的充放電次數(shù)和充放電深度決定，儲能系統(tǒng)的充放電深度的定義是放電容量比上儲能元件的總?cè)萘?。本文參考美國TROJAN公司IND29-4V/7.64kWh深循環(huán)電池參數(shù)計(jì)算儲能電池的壽命，該電池的充放電深度與在該充放電深度下可允許的循環(huán)次數(shù)如圖1所示：

圖1 儲能電池循環(huán)次數(shù)與放電深度關(guān)系圖

由圖1可知儲能電池的可允許循環(huán)次數(shù)隨充放電深度的增加而減少，而且具有雙曲線的特性。本文根據(jù)《鉛蓄電池使用壽命與放電深度和充電條件的關(guān)系》一文中提出的經(jīng)驗(yàn)公式來解該曲線的數(shù)學(xué)模型。該經(jīng)驗(yàn)公式如下式：

式2中x為放電深度取值范圍（0,1），x1為過充電深度，k為過充電損耗常數(shù)，N為儲能元件的充放電循環(huán)常數(shù)。由于本文的研究中并沒有涉及過充電，所以可以設(shè)x1=0。所以可以得到只和放電深度有關(guān)的數(shù)學(xué)模型：

利用上述充放電壽命與放電深度的數(shù)學(xué)模型，我們就可以進(jìn)一步將儲能元件每天的不同放電深度下的放電次數(shù)等效到完全充放電條件下的放電次數(shù)。

（2）實(shí)例分析

本文對儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化案例分析，利用的重慶市渝北區(qū)空港電動汽車充電站數(shù)據(jù)。由文獻(xiàn)可知額定功率的儲能元件年維護(hù)費(fèi)用為55.78元/kw.h，額定功率的儲能元件價格為2640元/kw.h，額定容量的儲能元件單位價格為619.8元／kw·h，儲能電站的運(yùn)行年限為15年。

儲能系統(tǒng)的裝置維護(hù)和更換成本并不是單純地隨低通濾波器截止頻率降低而降低的，也不隨儲能系統(tǒng)儲能容量的增加而單調(diào)減小。這說明對于儲能系統(tǒng)存在最佳的容量大小確保儲能系統(tǒng)對電動汽車充放儲電站負(fù)荷功率波動的平抑效果，又使得電動汽車充放儲電站的投資成本最小。如當(dāng)?shù)屯V波器截止頻率取1/（6h）時，儲能容量為72.09Mwh的儲能系統(tǒng)儲能元件維護(hù)、更換成本為4.4億元每年。小于截止頻率為1/（30min）、1/（1h）、1/（3h）和1/（12h）時容量分別為7.52Mwh、28.15Mwh、38.68Mwh和132.24Mwh的儲能系統(tǒng)的投資成本。導(dǎo)致這個現(xiàn)象的原因是當(dāng)容量配置較小如截止頻率為1/（30min）容量配置為7.52Mwh時，儲能系統(tǒng)中儲能元件過于頻繁的充放電使儲能元件的壽命大大的降低壽命僅為19.13天，每年為維護(hù)儲能系統(tǒng)的安全運(yùn)行就必須更換較多的儲能電池。儲能元件的更換成本占去了電動汽車充放儲電站的大部分投資。然而當(dāng)截止頻率為1/（12h）容量配置為132.24Mwh時，儲能系統(tǒng)中儲能元件的每天充放電次數(shù)降低使儲能電池壽命延長的同時，由于儲能電池容量較大，需要為其增大維護(hù)費(fèi)用，而且單次更換儲能電池的成本也提升了。如當(dāng)截止頻率為1/（6h）容量配置為72.09Mwh時，儲能元件的壽命是152.79天，單次儲能電池更換成本1.75億元，每年維護(hù)成本275.56萬元，而當(dāng)截止頻率為1/（12h）容量配置為132.24Mwh時，儲能元件的壽命是193.18天，單次儲能元件更換成本為2.61億元，維護(hù)成本378.43萬元。當(dāng)壽命增加為1.26倍時，儲能元件單次更換成本增加為1.49倍，每年維護(hù)增加為1.37倍。明顯的如此增加儲能系統(tǒng)儲能電池容量的性價比降低了。

對濾波周期從1h到12h每隔0.5h間隔取值得出儲能系統(tǒng)裝置更新、維護(hù)成本，對于空港電動汽車充電站的儲能系統(tǒng)低通濾波器截止頻率取1/（6.5h），儲能系統(tǒng)容量為77.2MW·h時。電動汽車充放儲電站的儲能系統(tǒng)裝置更新、維護(hù)投資成本最低為2.68億。

3.總結(jié)與展望

隨著石油資源的日益枯竭和環(huán)境的逐漸惡化，電動汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型成為必然的趨勢，而具有零排放、高效節(jié)能、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)的電動汽車就具有了廣闊的前景。本文對電動汽車儲能容量優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，并基本完成了預(yù)期的目標(biāo)，得到了電動汽車充放儲能電站儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化方案。

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，世界日新月異。電動汽車替代了燃油汽車之后，人們或許會對汽車提出更高的要求，以求更加節(jié)能與環(huán)保。試想，能否做到汽車自身發(fā)電從而跳過容量優(yōu)化？能否利用車外殼收集風(fēng)能再轉(zhuǎn)化為電能？能否找尋一種新型能源，在無污染的同時給予汽車更充足的動力？盡管現(xiàn)在這些都還只是設(shè)想，但不久的將來，新型汽車走進(jìn)千家萬戶，或許真的會成為現(xiàn)實(shí)。

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