《金砖充电论坛》叶旭电动车充换电设施生命周期质量提升技术研究

发布日期:2020-12-08

核心提示:由中国充电桩网组织的“2020中国国际充电基础设施产业发展大会”(金砖充电论坛)于11月2日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新基建、新发展、新趋势”为主题,推动企业交流发展。

由中国充电桩网组织的“2020中国国际充电基础设施产业发展大会”(金砖充电论坛)于11月2日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新基建、新发展、新趋势”为主题,推动企业交流发展。

上海电器科学研究院 --叶旭在本次中国国际充电基础设施产业发展大会做了《电动汽车充换电设施全生命周期质量提升技术研究和典型案例分析》的主题演讲,以下为会议未删减实录:


 

 刚刚大家讲了那么多关于公司的介绍,今天主要讲我们对电动车辆充换电设施全生命周期提升技术介绍及典型案例分析。

这是目前基于我们自己理解做的充电设施在电力系统中的一些应用,包括从电能生产端的风光储和水火的电能产生的过程,包括它们经过ACDC转换之后包括到电能传输这块的电压交流输电、直流输电这块,再到我们电能使用到工业、商业楼宇、居民住宅、轨道交通、电动汽车还有一些港口,基于我们的想法作出了这个图,目前据我们调查统计,在上海市的电动汽车充电最高峰阶段,充电站的电荷比是总电荷的1/5,这是很大的占比。这是我们在电动车辆和电网通过充电设施满足用户侧还有电力系统调度需求和车辆需求,电力系统的调度需求可能是充电设施与电网能量互补,起到削峰填谷,平滑负荷,提高电网运行稳定性和经济性,然后充换电设施可以对电网输出侧电能质量进行调节,例如负荷电网波动补偿,减少对电网不利的影响,在不增加电网负荷的前提下,通过改变充换电设施的储能能量,满足不同车辆的一些充电需求,换电设施可以有效提高电动车辆的运行效率,这是我们基于充换电设施的应用场景做出来的图,充换电设施到电动车辆再到特种车辆再到电动自行车再到储能再到电网,它有一个密切的联系关系。

我们基于充换电设施应用关键系统和设备分了三类场景,一个是充换电方面,通过需求应用可以动态的去控制输出功率,在放换电方面通过储能应用进行削峰填谷以及调频,在充放换电结合通过储能和需求响应,可适用于配电不足或需求复杂的一些应用场景。我们基于这个行业领域分为几个典型应用,从电动汽车+充换电设施,电动汽车+储能系统,电动汽车+储能系统+充换电设施,电动汽车+V2V/V2G/V2H,电动二轮车+充换电设施,电动二轮车可能更多的涉及储能方面的一些内容,还有一些行业领域的,还有一些电能转换模块、储能传导充电设备,就是储能充电一体式设备,还有特种车辆充电设施,特种车辆充电设施适用于机场、港口、环卫、物流一些车辆的充电设施,充电连接装置就是平时所说的一些耦合器,交流充电口、直流充电口这种,还有一些换电设备,换电站之类的,还有公交、机场、港口、物流、旅游场、矿山所需要的低压充电桩,在电动车辆这块就是电动车辆还有特种车辆的一些通信、互操作、OBC,还有充电系统的一些免拆卸评估、评价,包括我们现在所说的V2G、V2L、V2H,还有电动自行车的充换电柜。

这是我们设想的充换电设施在未来系统的应用场景,包括电动汽车+交流微电网、电动汽车+直流微电网、电动汽车+交直流混合微电网,电动汽车+中压配电支线微电网,电动汽车+低压微电网,通过这些应用系统我们分了几个典型场景,从工商业区域和城市片区,工商业地区分为工商业直流供电+电动汽车的场景,变频器直流节能+电机系统+储能电站,城市片区就是直流微电网、直流楼宇,我们所说的直流输电站还有混合储能,像燃气、余热、储能的一些混合储能充电站,还有直流家庭供电,V2H的技术,还有偏远地区像海岛地区分布式发电、储能+电动车辆,通信基站+电动车辆也是我们目前在研究的方向。

目前充电设施有很多痛点,我们先说对电网的影响,大概有六点,电动汽车具有非线性负荷特性的,大规模随机无序接入电网充电会影响电力系统的一些安全还有可靠运行,交直流高频转换装置会产生谐波,这些谐波会对电网产生很大的影响,这个影响可能就会让充电桩停止充电,或者让电动汽车识别到它已经充满了。还有相对于集中的大负荷接入电网,会对线路的载流量、电压偏差和线损等产生交大影响,在电网原始负荷的高峰进行充电,导致负荷峰上加峰,若增加发电量,会导致用点谷值时刻,发电机和配便线路低载运行,降低设备利用率。这是我们充电设施行业的一个比较大的痛点,就是一些标准化平台和一些大数据平台的缺失,我们经过一些整理,分析出来其实现在目前缺少的平台、标准还是很多的,特别是在电动二轮车还有电动车辆的检测平台都是没有的。

充换电设施还有一个痛点就是电动汽车安全质量的问题,根据近两年充电设施的一些产品风险监控结果显示,五成样品存在安全隐患,这是每年国家质监局委托我们做充电产品领域的风险监控,我们会到市场上去抽取主流产品在售产品的主要型号到我们公司进行检测,然后把这些结果全部上报给国家质检总局,充电设施和车辆都是符合标准的,但是因为互操作性和兼容性差的原因,无法经常充电和充电过程中的误操作,我们去年帮助了很多车企做了互操作性和兼容性的测试,全国大规模的做互联互通的测试,我们去和本地的一些充电桩运营商还有一些设备厂商进行沟通测试,正是我们基于储能方面涉及到电动自行车质量安全问题,上海九百万台电动二轮车,广泛分布于公共和私人区域的通勤、快递、外卖和物流场景,在本市投入运营并已经投放充换电柜的运营商有二十家以上,总共投放的充换电柜有一千多台,以每台充放电柜可以充锂电池大约在五十只以上,未来三到五年,本市投放的充放电柜数量预计有十万台以上,使用充放电柜的90%以上是快递人员,全国现有的电动自行车是2.5亿辆,90%以上搭配充电线,安全问题很突出,这是我们基于到今年十月份全国电动自行车和充换电设施数量的统计,可以看到充放电柜投放还是比较少的,这对于电动自行车的车主还有外卖、快递的保障还是比较少的,这是我们对于动力和储能电池的后市场评价,在储能系统的容量衰减到80%以下,将不能完全满足电动汽车动力的需求,可梯次利用其他储能领域,2020年全国累积报废电动电池将达到20万吨,到2025年动力电池年报废量会达到35万吨,储能及电动二轮车应用成为梯次利用的主要方向,目前这一领域标准尚不完善,以及监管缺失,导致事故频发,阻碍了行业的发展。

接下来我跟大家分享一下全生命周期的一些质量研究内容和方案,从标准上来看,现有技术标准梳理的分析梳理了大概227项标准,围绕基础、设计、设备、工程验收、运营运维和退运评估等六个关键环节,对国家、行业、团体、地方、企业以及政府的标准、规范、制度和政策等227项相关文件进行梳理和分析。

接下来我要讲充换电现有标准及检测技术问题,现有标准可能出现更新问题,技术要求可能需要更新,需要按照应用场景进行细化,比如有些公用专用场站的标准细化还有特种车辆的标准细化,包括我们现在一些股权问题,没有覆盖一些关键环节,有些技术要求还不够细化,还有关键的检测技术包括这边提到的选址规划、设备选型、运维检测、这些综合起来的话它就考虑了电动汽车充换电设施检测技术研究的话分为关键环节检测技术研究和标准细节补充的工作。这样才能建立整个电动汽车充换电设施全生命周期检测的技术方案。

全生命周期质量提升技术方案分为三块,研发设计及规划,还有设备选型、质量提升、验收及运维质量提升。通过现有技术基本是从地理位置、环境、交通情况等方面进行充电设施的选址、规划,并没什么从电网角度对充换电设施考虑选址规划,并缺乏关键影响因素的检测检验工作。换电设施涉及上下游企业比较多,普遍未建立完善的正向研发企业标准体系,目前行业也缺少元器件,设备和系统的可靠性评价流程、方法和模式。需求就是综合考虑电动汽车负荷特性、接入点的一些接纳能力,所在电池负荷情况,未来负荷预测情况,充电设施接入对配电网影响的一些电气因素,对关键影响因素进行检验,通过数据支撑相关的选址规定,综合考虑影响,换电设施关键材料、组件还有设备、服役寿命设计的一些可靠性,电网适应性、电磁兼容性和使用工况,通过这些我们再去制定研发验证方案并开展一些阶段性的验证。

第二是针对负荷增长的一些选址规划及检测技术,这可能是高峰负荷增长,线路负载率增加,我们可以做的是给它增加电能供给,控制线路负载率,做一些电网仿真评估,报装容量超过40MVA的充电场站应配建变电站,并开展整站检验工作,在技术及经济论证合理情况下,将电动汽车充电设施与储能装置等设备配合使用,并开展光储充设备标准、整站高低电压测试和整站电网适应性检验技术。在控制线路负载率的情况下,充电站负荷所在限阻高峰负荷日线路最高负载率算出平均值不大于70%,针对充电站负载能力开展大功率电网适应性测试验证工作,单回路10千伏、20千伏线路所接入的充电站负荷不宜超过6到12MVA,单个节点所接入的充电负荷不宜超过2(4)MVA,针对实际接入负荷开展测试验证工作。第三选址规划,主要是针对电能质量的选址规划和检测技术。目前电动汽车充电设施影响配电网的电能质量,这个问题还比较大,从三相不平衡问题,从谐波问题,从电压问题,我们下面提出了一些解决方案,三相不平衡控制要求可以加装三相不平衡和一些调节器,自动分相开关等设备。从谐波控制可以增加一些化油装置,加装无功补偿装置,滤波装置等设备,从电压控制要求,加装动态电压负荷器、统一电能质量,调节器,然后不间断的电源等,针对以上要求可以开展整站现场电能质量检测验证工作,这是我们充换电场站电能质量的一些试验项目,综合分析了电能质量的一些国家标准还有充电设备的标准,我们新增了几个电能质量方面的技术要求,从谐波、电压偏差、频率、电压波动和闪变和三相电压不平衡提出了一些具体测试方法。现有标准对于一些特殊地区特殊气候环境以及多类新型应用场景下的设备选型要求缺乏具体考虑,现有的设备安全、功能、电磁兼容以及互操作性问题较突出,实际出货样机的关键元器件和拓扑结构与型式试验报告中样机差异很大,且无法保持一致性,需求是针对不同地区的气候环境条件,多类新型应用场景制定具体的新型设备选型要求,并开展检验检测工作,这是我们从一些特殊气候问题上去进行分析,从高低温、高湿、高盐、太阳辐射、台风/大雨做出的分析和解决方案。这是我们基于新型应用场景提出来的一些解决测试,可能就是智慧停车+充放电设施、变电站+充放电设施,停车场+充放电设施,加油站+充电站新型的一些应用场景,这些应用场景每个对充电设施的要求和影响比较大,加油站和加电站合并的话有很大的一些技术因素需要考虑。

这是我们在验收和运维质量提升的一些问题和需求,目前充换电的实验室检测、现场验收检验和运维检验缺乏统一的权威标准,缺乏具备较强的实操性的设备运维检验标准,运维标准无法真正落地作为检验依据,缺乏对运营管理、缺少在运充电站整体服务评价的标准和服务认证类别。需求就是整理、归纳相关标准,形成统一的标准或者技术导则,针对运维实际需求,编制实操性强的设备运维标准,建立有效的运维检测管理规范,开展整站评级和服务认证工作,这是我们在上海已经在做的。

针对验收和运维质量提升我们提了几个方案和验收目的还有一些检测方案,结合区域充电设施数量基数,兼顾验收检测方案的合理性、时间周期、费用经济性、质量控制、非破坏性试验等要求,确保验收后的充电设施符合招标产品技术要求下的基本安全、性能、互操作性和其他核心功能。检验方案,设备供货前,联合多方对到货安装前产品实施随机抽样,检测类型,实验室抽样试验。设备安装调试完毕,根据抽样试验结果协调供应商在完成现场产品的整改、安装、调试、实施现场检验。现场检验比较侧重基本功能、安全、充电的互操作性和一些核心功能。

这是我们在运维检测的一些标准现状的问题分析,这里有两个标准,NB/T33019和Q/DB102101—2019,我们也提出了一些关于充电产品的检测项目,包括交流充电桩、非车载充电机、换电站的一些检测项目强有充换电站整站运维的检测项目。这是我们目前在做的两个标准,电动汽车充换电设施状态评价及鉴定导则,电动汽车充电桩在线计量检定技术规范,这个规范目前我们基于真正的产品运维来做的规范。

状态评估一般分为一般性运行评估和退运申请评估,退运鉴定分为初选鉴定与复核鉴定两个步骤。通过初选鉴定确定退运设备进入报废流程,不需进行负荷鉴定,经过初选鉴定不能进入报废流程的退运设备必须进行负荷鉴定,然后确定处置意见。

下面我给各位领导分享一下我们一些典型案例,这也是我们目前这几年在做的标准化工作,有团标、地标、企标、国标,大部分已经做完了,目前集中在搞的是电动二轮车集中充换电设施技术规范,这是我们目前在做的国标。还有就是地标,电动汽车智能充电桩和平台技术规范,这是我们一直在弄的技术规范。2019年召开了特种车辆充电设施的研讨会,特种车辆的一些厂家、充电设施的生产、运营企业还有一些电池企业,参加内容就是特种电动车辆的高低电压充电技术、充电安全、技术要求以及实施互操作性的一些技术要求,2019年9月21号我们成立了特种车辆标准化工作组,这个工作组归口单位现在放在电科所。2019年10月到现在我们已经帮多家机场做了很多的技术服务,包括一些民航设计院等等机场。这是我们对于一些标准化工作的一些探索,即插即充的一些标准和我们设想的探索,可能有一些不对的要各位领导各位专家指正。目前我们还是通过充电服务应用的一些CA服务中心做整合,然后做车辆的出厂申请证书、证书认证还有申请用户证书之类的几个方向,这几个方向还是离不开主机厂、充电服务运营商,支付账户就是银行、保险公司之类的。这是我们关于私人智能充电设施的一些标准探索,目前我们分三块,一个是充电设施负荷,充电设施负荷分两块,安全类和功能类的;还有一块是软件类的,还有平台类的,平台类的可能是联联充电负责的。

特种车辆充电设施的技术评价,从2019年5月份到七月份我们构建了特种车辆充电设施全生命周期的标准体系,建立了机场、特种车辆应用场景下的规划选址、设备选型、系统验收、在线检测和状态及退运评价系列标准,包括2019年7到12月份我们做了实验室检测、现场验收还有包括2020年1到4月份我们做的在线计量平台的搭建和检测数据的增值服务,因为这些服务我们也跟很多的保险公司和金融公司聊了,他们对这些数据很感兴趣。

还有我们对换电设施检测技术的研究,2018年开始与相关的业主方还有主机厂、换电运营商和制造商合作,开展实验室检测和现场检验技术的研究,关键元器件按照既定的可靠性研发验证方案进行正向开发,规划设计阶段换电设施具有与所在区域环境极端特性相匹配的防强雨、雪、风、沙、高低温、盐雾机、太阳辐射等防护措施,同时具备相应等级的抗震和冲击能力。设备选型和运维阶段,明确关键设备功能及指标,明确了换电设施组成包括充电机系统、电池枪、更换系统、监控系统、以及消防系统,按照既定时间从车辆进入换电到离开换电站的时间,开始启动换电到换电结束时间,对车辆电池进行快速更换,充电和储存,明确运行平稳要求,运行平稳、协调、准确、无卡阻和异响,具备启动、停止、加减速功能和多项行走动作功能,具有精度定位和限位功能,具备行走前后限位功能,精确可靠并具备高度检测功能,最关键的就是急停功能,电池转运设备应具备硬件急停功能,人员等待区、监控区、设置停急功能,然后在设备运行失误和故障时实现实时的急停操作。

 2017年到2019年一直在做的大功率充电设施的技术评价,2017年6月份到2019年底做了多个群管群控充电堆配套大功率充电弓试点站陆续在上海投运。该充电形式可实现十分钟内约五十度电的补给效果,提高了公交运营效率,包括2017年我们做了大量的技术工作和标准工作,包括现场验收和检测。还有典型案例是我们和主机厂、整车场还有充电设施做的研发验证工作,目前像奔驰、宝马、蔚来、保时捷、比亚迪、吉利等十余家车企委托起草并为万邦、联桩、安悦、特来电、康尼等二十余家充电桩供应商提供研发测试和认证服务。我们目前还联合了戴姆勒、特斯拉开展对公共充电设施进行第三方评价分级,帮助车企建立移动出行服务商业模式,这个评价分级跟联联充电对场站的评价分级是不一样的,我们是通过实际的检测对场站进行分级,这个分级所得出来的数据是直接给车企在他们运营APP中所显示的,并且对车主进行推荐去充电的一些场站。并且我们还为CCIC、CGIC、保时捷提供技术咨询。平台结束和绿牌的一些备案及充电设施、筹建服务和派驻技术人员去客户公司长时间的进行技术交流,提供了包括技术研发、双向储能技术研发和技术咨询服务,2018年到2019年我们联合了十二家车企的四个车型开展上海、苏州、杭州、宁波、青岛、郑州、西安、成都的八个城市的实车实桩互操作测试活动,2019年初到现在为戴姆勒、华为、PSA、宝马、上汽乘用车、特斯拉等十余家车企和设备集成商做的五款车型提供了实验室互操作性和和25个城市的现场路测。

这是我们和三菱合作的V2X的研发试点,2019年到现在我们和三菱电机、日产制订了V2X设施研发标准和试点现场检验技术规范,并在实验室和常熟工厂完成了两轮验证测试,包括V2H、V2G、V2V等等一些验证。标准性上目前国内的V2X没有统一的标准和规范,我们要做的话其实也是帮助日产还有三菱做统一的规范,主要的项目可能也有V2G并网谐波、V2G并网功率、通讯协议一致性、完整充电系统、可靠性验证、车辆侧及充电兼容性等。这是我们做的电动汽车和在运充电兼容性的技术研究,研究目的主要是通过对电动汽车和在运充电设施进行实验室检测和现场路测来发现电动车辆和充电设施存在的一些充电互操作性的问题,以及实际充电过程中可能发生的一些充电兼容性的问题,从而促进解决其车辆和充电设施自身的一些充电缺陷以及车桩不兼容的问题。那个表格是我们去年做的帮助PSA做的,就是我们在全国做了331个测试站点数,充电桩数做了五百个,充电桩厂家做了184个,运营商做了140个,设备型号做了367个。

我们去年帮PSA做的一些问题分享一下,比如说充电输出控制异常的话可能就是一些波形的异常,可能是桩根本就没有输出,总结分析就是桩侧没有闭合交流输出继电器,还有就是充电桩应该等待三秒或者等待车端断开两秒之后,就是断开S2之后再断开输出。

我的分享到此结束,谢谢!


 
 
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