5月22-24日，由充电桩网、充换电百人会、光储充换产业联盟联合主办的2024第三届中国国际充电桩及换电站展览会、2024第十届中国国际电动汽车充换电产业大会在上海汽车会展中心盛大举办。
在分论坛的设置上，11大专场论坛紧紧围绕充换电产业的热点话题展开，涵盖车桩可信认证、新品发布、超充技术、区域运营、车网互动、社区充电、市场趋势等多个方面，从技术创新到市场应用进行全方位探讨，引领政府部门、专家学者及充换电上下游企业高层等2000+参会代表，一同探讨充换电产业的无限机遇。
5月23日，「车网互动」专场论坛聚焦“创新、协调、绿色、开放、共享”作为车网互动标准化的理念，深入探讨如何通过技术创新、市场管理，推动车网互动标准化，助力打造互利协同的充换电产业高质量发展生态。清华大学助理研究员 李亚伦以《电动汽车车能互动的充电机理、系统设计与智能调控》为主题进行演讲。
演讲整理
01
电动汽车的互动需求分析
随着新能源汽车市场的迅速增长，今年4月上旬新能源汽车销量占出口总销量的50%，成为出口主力“新三样”之一，市场地位不容小觑。
李亚伦表示，未来如何进一步发展成为重中之重。2022年，欧美推出了“贸易北约”标准化信息机制，重点关注电动汽车基础设施，而中国则在去年提出了“构建车能路云协同产业生态”，并于12月发布了新能源汽车与电网融合的实施意见。
在该情况下，分析车能互动主要有两个角度：首先是能源角度。当前，中心城市小区充电桩的安装面临严峻挑战，迫使他们从无序充电转向有序充电和车网互动的发展。其次是车辆角度。近年来，电池技术发展迅猛，三元电池的循环寿命可达1000次，对应600公里的续航，全生命周期使用寿命可达60万公里，但用户仍感受到电动汽车衰退快，续驶里程不足的问题。
他指出，事实上其内部原因在于，电池内部存在两种衰减：循环衰减和日历衰减。日历衰减现状不容乐观，而循环衰减和日历衰减耦合到一起，会产生进一步的耦合反应。车辆的使用过程正好是这种相互作用的过程，例如在家充满电后可能要等到第二天才开车，中间会产生充电搁置的阶段，这会将日历寿命对电池的衰减影响耦合到循环寿命上。
鉴于此，可以预见未来电动汽车充电将朝两个方向发展：一方面，居民小区从无序充电过渡到双向充电，以解决电网容量不足的问题，同时降低电池使用过程中的衰减。另一方面，道路充电将朝着大功率充电方向发展，以应对临时出行的紧急补充需求。只有这两方面的协同支持，才能实现电动汽车充电生态的长期发展。他强调，要解决这些问题，需要从技术创新的机理到系统层面进行相应的改进。
02
电动汽车充电机理
他指出，充电机理可以分为三个方面：
1. 双向充电的延寿机理
根据电池内部材料的负反应过程，如负极SEI的增长和正极高镍三元材料的相变异性，结合文献中的SEI生长和电位的关联公式以及正极晶格应力和SEI的公式，得出了电池在SOC和电压范围内的衰减定性曲线。发现这曲线实际上是一个明显的上凸函数特性。
利用上凸函数的特性，可以进行相应的工作。这种函数的特征是中值比两侧的平均值更高，因此可以通过双向脉冲电流将单点电压的搁置过程延伸到两侧，从而降低平均衰减速率比初始衰减速率更低。
通过设置正负脉冲电流，可以实现这种功能。对电池而言，充电内阻低于放电内阻，进一步降低衰减速率。
基于以上原因，实验室设计了相应的试验内容。比较了家庭充电后直接搁置的过程和充电过程中采用脉冲电流调节对电池寿命的影响分析。研究发现，采用合理的脉冲电流提高电池的总体寿命，但是要避免电池内部存在的其他副反应。
2.超快充电的安全机理
根据实验室数据统计，大约四分之一的电动汽车火灾事故与充电有关，而充电时间仅占不到总时间的10%。这表明充电过程中的安全风险更为突出。
他们观察到，在高倍率充电过程中，通过显微镜观察，发现了负极表面出现锂枝晶生长的现象。此外，在电池充电后的搁置和放电过程中，金属锂可以重新嵌入到负极，但重新嵌入材料反应的特性分析经常被忽视。
为了解决这一问题，设计了卡片电池的测试方法。在电池充电完成后，立即进行不同反应体系的分解，快速确定每个反应体系内的反应，以便在锂重新嵌入之前捕捉到安全特征。
通过这种反应分析，揭示了电池快速充电时着火的机理。其核心是锂在重新嵌入负极之前与电解液快速产生热反应，同时还可能产生气体，导致电池迅速膨胀、破裂，内部压力升高并最终打开阀门。
3. 电位测量传感器技术
无论双向充电还是超快充电，其机理都与电池内部单个电极的电位密切相关，包括正负极的SCI衰减、颗粒破碎，以及析锂等过程，这些都由内部的电极位置决定。因此，需要开发一种传感器来实时监测电池内部的电极位置。这种传感器称为参比电极，比如将铜丝镀锂嵌入电池内部以进行测量。然而，早在2018年，就有研究发现参比电极在测量过程中存在反常极化现象，这表明误差来源于非均匀的局部电化学反应过程，难以精确量化。
为了应对这一情况，他们进行了局部液相电位偏差机制的建模研究，并通过局部放大获取了参比电极误差的电化学模型。进一步分析了影响误差的因素，包括传感器尺寸、液相扩散和充电倍率等，无法直接通过Map图进行精确标定误差。由于发现这些因素同时影响去极化电压，于是采用间接估计方法，通过去极化电压来估计误差的大小。
有了精确的内部定位测量，可以将电池内部的正负极反应分析拓展到更大范围和整个电池生命周期的充电过程中。这种技术还结合了模型预测算法，开发电池充电电流的控制方法。
在产业应用方面，他们孵化的企业昇科能源基于这些技术开发了超充电桩，实现了超级快速能源补给、低温脉冲加热和超强冷却，保障了充电过程的安全性。
03
能源设施构型设计
为了实现前述的充电机制，必须将配置与能源系统进行整合。他介绍了团队在能源系统方向所做的工作。
1、车载方面
通过对于如何实现双向电流以延长电池寿命和加热分析发现，在车辆上激励电池的双向电流研究一直存在，典型的研究是利用驱动电机产生正负电流以激励电池。然而，由于电流幅值低、电机噪声大以及加热效果不佳，这项技术一直未能实际应用。
认识到电机和电池长期解耦分析存在的问题，他们开发了包括电池系统、电机系统、控制器系统耦合仿真分析的平台。在电机系统上分析电机的噪声，在电池系统上分析电池的衰减和电池的温升，控制系统分析变流器构型及控制对电机和电池两个之间的耦合关系。
基于这一分析平台，最终发现传统方法未能实现有效的双向电流激励的原因在于电机控制中的零电压向量。具体来说，在高频条件下，较少的零电压向量能够实现电流的高频变化，这能产生相对较大的电池电流。然而，由于零电压向量不足，电机频繁的电流换向导致电机噪音。降低频率增加零电压向量的比例，会降低电池侧的电流，这是一直未能解决的问题。
相应地，他们开发了一种新的构型——“双模组架构”，将电池包内的电池分成两组，分别与逆变器连接。这种设置使得在零电压向量下能够产生双向电流，在低频下维持双向电流，并在其他电压向量下增加双向电流的赋值。
通过整车动力系统测试，发现该方法能够实现80%以上的双向电流能量利用效率。通过零电压矢量的优化能提升加热电流，比传统的方法实现加热电流的均方根值提高2-3倍的水平。电流形态的优化降低了电机噪音，测试结果显示大约能降低14分贝。
2、车下方面
光储充换系统主要用于满足高功率超快充电的需求，具体称为光储充换耦合系统，利用换电电池包作为储能系统，支持乘用车的快充功率，参与电网调度并消纳光伏发电。由于长途行驶，如高速公路或省道，高速重型卡车换电站和乘用车超充电站的交汇处，这项技术的实施具有重要意义。相应研究成果发表在能源领域顶级期刊《Joule》上，重点建立了服务模型，考虑电池规律进行综合系统配置，并获得了一系列优化结果。
他重点介绍了其中两个优化结果：首先是降低电网的配容，通过分析实际乘用车快充站的功率需求和换电站的车流分析，最终实现了2.5MW的快充站，并降低了0.7MW的入网功率效果。其次考虑到电池衰减，通过集中调度提高设备利用率，分析系统运行全寿命周期的现金流。由于双向设备带来的成本增加，能够在两年内完全回收，从而实现良好的经济效果。
2022年，团队与壳牌及三家孵化的企业链宇、昇科、智锂物联在张家口示范了集合超充换电、光伏发电智能微网为一体的能源系统。为此，链宇科技推出了一系列硬件和软件平台，包括零碳园、AC/DC和DC/DC模块，以及支持结算和增值的各种服务。
04
车能互动智能控制
针对车能互动的智能调节，他表示，在硬件基础建立的同时，仍需要软件将整个系统协调起来。
在车能互动方面，长期以来的一个挑战是如何选择示范场景。通过一系列探索，发现与农村光伏耦合是实现具体车能互动的有效途径。建筑内配备热泵，建筑外有电动汽车，建筑屋顶安装光伏板，工业园区也采用这种场景推动车能互动的实际落地，是一种较好的突破点。
因此，整个系统的设计包括屋顶光伏、电动汽车储能和柔性电力分配。目前，电网也在大力推广区域储能，特别是工业园区和农村区域。利用电动汽车储能作为能量单位和台区储能作为功率单位，形成混合动力系统，实现车辆和建筑负荷之间的灵活互动，提高能效。
在农村场景分析中，通过冬季热泵的柔性能源利用，可以实现约17度的等效储能容量，并扩展到电动汽车上考虑电动汽车的衰减，也有较好的SOC范围，能够实现系统的经济运行。
具体来说，考虑到不同车辆和建筑的调度，团队提出了基于优先级的调度算法，能够在考虑到车辆行驶和充电行为的随机性后实现实时调度，大约减少了17%的用电峰值。
李亚伦总结道，目前团队的孵化企业链宇科技已在天津、青岛、义乌和上海等多地开始打造光储充换和光储直流园区系统，并进行了具体示范工作。
