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黑螞蟻：充換電站怎樣才有“高智商”?有了“高智商”的充換電站能做什么?國家電網(wǎng)許繼集團(tuán)有限公司(文內(nèi)稱“許繼集團(tuán)”)牽頭完成的“電動汽車充換電智能化關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”項目給出了自己的答案。項目組研發(fā)出完全自主知識產(chǎn)權(quán)成套智能充換電設(shè)備，包括電池循環(huán)壽命提升技術(shù)、通用快換電池箱技術(shù)、充換儲放一體化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營監(jiān)控技術(shù)等。項目的5個技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，也為電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定了更加廣泛的實(shí)用化基礎(chǔ)。
利用電池“剩余價值”
不能滿足電動汽車要求的動力蓄電池，在一定條件下可以作為儲能蓄電池來利用，或作為低速電動車的動力源。不能再繼續(xù)使用后，才會被回收、拆解、再生。
在日常生活中，會過日子的主婦常常會把電池“多用”：兒童玩具用過的電池，可以再裝在鬧鐘、遙控器里。作為電動汽車的核心部件之一，成本相對較高的電池如何得到充分的利用，也是“電動汽車充換電智能化關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”項目組關(guān)心的問題。
陳天錦是許繼集團(tuán)電動汽車充換電事業(yè)部總工程師，也是該項目的參與者。陳天錦介紹，電動汽車的動力電池有一定使用壽命。以鋰離子蓄電池為例，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的是，當(dāng)電池只能充滿原有電容量80%的時候，就不再適合繼續(xù)在電動汽車上作為動力電池使用，這個時間為5年左右。“如果直接報廢、回收處理，顯然不能實(shí)現(xiàn)物盡其用，后來我們就研究，從電動汽車上退下來的動力蓄電池，能不能在其他地方繼續(xù)發(fā)揮作用，或者能否延長動力電池的使用時間。”陳天錦說。
在研究動力電池的損耗規(guī)律后，項目組提出對電動汽車廢舊動力蓄電池的“梯次利用”。不能滿足電動汽車要求的動力蓄電池，在外觀完好、沒有破損、各功能元件有效的情況下，可以作為儲能蓄電池來利用，或作為電動場地車等低速電動車的動力源。當(dāng)動力蓄電池在這些場合使用一段時間不能再繼續(xù)使用后，才會被成批回收、拆解、再生。
理念簡單，但需要一整套的系統(tǒng)來支持。項目組研發(fā)出“電動汽車充換電站充換儲放一體化系統(tǒng)”，利用雙向的智能化充放電裝置，實(shí)現(xiàn)動力電池的充放儲一體化控制。在此基礎(chǔ)上，項目組依據(jù)電動汽車行駛需求和動力電池充放電特性，建立動力電池在包括電動汽車、不間斷電源、儲能等不同應(yīng)用場景的梯次利用策略，使動力電池使用效率最大化。這套系統(tǒng)和對電池的梯次利用，使得如今電動汽車對動力電池剩余容量的要求，由80%降低到60%，動力電池使用成本降低50%。
設(shè)備自己上報狀態(tài)
無線射頻、紅外感應(yīng)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，將具有身份標(biāo)識的電動汽車、動力電池、充電設(shè)施、換電設(shè)備等相關(guān)主體互聯(lián)，讓它們可以主動將狀態(tài)信息實(shí)時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中。
根據(jù)電池的“梯次利用”方案，在電池只能充滿原有電容量80%甚至于60%時，會被用在其他地方，那么我們首先必須知道，電池的狀態(tài)何時已達(dá)到了從電動汽車上退役的標(biāo)準(zhǔn)。
一個充換電站有幾百、幾千個電池，依次一一檢測并不容易，這就需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)了。
許繼集團(tuán)技術(shù)中心工程師李洪峰介紹說，應(yīng)用“電動汽車充換電智能化關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”項目成果的充換電站，采用無線射頻技術(shù)，通過部署于車輛和電池箱上的電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)身份標(biāo)識與自動感知。
利用網(wǎng)絡(luò)化的信息臺賬、充電過程中的自動故障檢測、配送過程的追蹤與追溯等手段，充換電站可實(shí)現(xiàn)動力電池的采購、倉儲、充電、換電、使用、配送、檢修、維護(hù)、報廢等全壽命周期管理。通過這套系統(tǒng)，一旦有電池不再適于在電動汽車上使用，它自己就會“告訴”系統(tǒng)，十分快捷、準(zhǔn)確。
同時，項目組研發(fā)了電池物流調(diào)配的自動優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，以及衍生出的一體化調(diào)度的輔助決策算法。在電池終端的自動識別、出入庫管理、遠(yuǎn)程無線監(jiān)控的基礎(chǔ)上，同時考慮電池配送站配送能力、充換電站的需求、充電中心的充電能力，交通運(yùn)行狀況等多個領(lǐng)域進(jìn)行一體化協(xié)同調(diào)度。
當(dāng)然，項目所應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可不僅是電池感知這一點(diǎn)。無線射頻、紅外感應(yīng)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，將具有身份標(biāo)識的電動汽車、動力電池、充電設(shè)施、換電設(shè)備等相關(guān)主體互聯(lián)，讓它們自己將狀態(tài)實(shí)時傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中，一目了然。
機(jī)器人幫咱換電池
只要把車開進(jìn)換電車道，剩下的就交給換電機(jī)器人吧。換電機(jī)器人遵循智能、高效、便捷、安全的設(shè)計原則，一次可以更換4箱電池，能夠在短時間完成換電。
2011年7月11日，薛家島智能充換儲放一體化示范電站(下稱“薛家島站”)投入試運(yùn)行。這座位于山東省青島市膠州灣海底隧道黃島側(cè)出口的充換電站，應(yīng)用了“電動汽車充換電智能化關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”項目成果，主要為電動公交車提供充換電服務(wù)。司機(jī)將車開進(jìn)換電車道，剩下的交給換電機(jī)器人就可以了。
“在運(yùn)行過程中，換電工位無需人工干預(yù)，即可實(shí)現(xiàn)電動汽車的電池更換�！痹S繼電源公司總工程師董新生介紹說，項目組研發(fā)出的換電機(jī)器人，遵循智能、高效、便捷、安全的設(shè)計原則，整個換電過程由兩部分組成，分別是全過程車輛自動導(dǎo)引系統(tǒng)和全自動無人換電系統(tǒng)。
全過程車輛自動導(dǎo)引系統(tǒng)是由物聯(lián)網(wǎng)感知導(dǎo)引系統(tǒng)和地面導(dǎo)引系統(tǒng)組成。當(dāng)車輛駛?cè)霌Q電站入口時，它就會被射頻識別系統(tǒng)感知，系統(tǒng)就會“認(rèn)出”這輛車的身份，后臺監(jiān)控通過對電池和工位的有序調(diào)度，用站外導(dǎo)引屏通知司機(jī)駛?cè)氲趲淄ǖ�、第幾工位進(jìn)行換電。地面導(dǎo)引系統(tǒng)通過斑馬線、車道線、減速帶盡可能地引導(dǎo)車輛的�？孔藨B(tài)。
當(dāng)汽車�？亢螅瑩Q電操作員或司機(jī)將電池艙門打開，然后發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號，全自動無人換電系統(tǒng)就開始工作。“如果今后電池艙門設(shè)計成氣動的，艙門都不需要人去打開，整個換電過程完全無人化�！倍律f。
項目組研發(fā)出的換電機(jī)器人，有一個最大的特點(diǎn)，就是自適應(yīng)性，即換電過程對司機(jī)沒有特殊要求，對車輛�？孔藨B(tài)也沒有特殊要求。要換電的電動汽車，每箱電池重約275公斤，在抽取和放置電池的過程中，車身會上下浮動。換電機(jī)器人利用高速機(jī)械視覺定位系統(tǒng)和換電架隨動控制系統(tǒng)，能夠自己調(diào)整電池架來適應(yīng)這種浮動，保證精準(zhǔn)換電。
為保證電池箱在車載電池艙和電池架之間的可靠鎖止和可靠抓取，項目組設(shè)計出一套獨(dú)特的全機(jī)械推拉鎖止機(jī)構(gòu)，保證電池箱不會從車上摔出和脫落。
另外，換電機(jī)器人采用“多箱批量作業(yè)”方式，一次可以更換4箱電池，能夠在短時間完成換電。以薛家島站為例，每輛公交車的換電時間為6~8分鐘�！半姵叵鋼Q電機(jī)器人完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)，已經(jīng)申請專利29項�！倍律f。
智能調(diào)度，充電不用排隊
通過智能調(diào)度，能夠使充換電站在降低電池備用數(shù)量的同時，提高充換電站設(shè)施使用效率，實(shí)現(xiàn)充換電站運(yùn)行管理系統(tǒng)與公交運(yùn)營管理系統(tǒng)的有效互動和信息共享。
司機(jī)們一定碰到過這樣的情況——同一家加油站，有時候排長隊，有時候卻空無一車。電動汽車充換電站也會遇到這種情況。為充分利用充換電站的資源，“電動汽車充換電智能化關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”項目研發(fā)人員在充換電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“物物相連”的基礎(chǔ)上，開發(fā)出智能運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)。
李洪峰介紹說，智能運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)，是通過研究充換電站與電動公交公司的運(yùn)行模型，在兩個運(yùn)行管理系統(tǒng)之間進(jìn)行有效、及時的信息互動，對電動汽車運(yùn)行狀態(tài)、動力電池充放電特性、換電站工況等相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)施綜合處理，通過必要的統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電動公交車與電動汽車充換電站的高效有序運(yùn)行。這就能夠使充換電站在降低電池備用數(shù)量的同時，提高充換電站設(shè)施使用效率，實(shí)現(xiàn)電動汽車充換電站運(yùn)行管理系統(tǒng)與公交運(yùn)營管理系統(tǒng)的有效互動和信息共享。
城市的交通狀況隨時在變，即使有固定路線、固定發(fā)車時間的公交車，也不能保證每次進(jìn)入充換電站的時間有規(guī)律，更不用說普通的乘用車，它們運(yùn)行的隨機(jī)性很強(qiáng)，這就意味著會有扎堆充換電的可能。
怎樣消除這種不確定性呢?項目組經(jīng)過研究后，選擇采用隨機(jī)建模分析及隨機(jī)動態(tài)優(yōu)化策略，描述電動車輛的不確定性動態(tài)行為，包括動力電池的變化過程、電動車輛始發(fā)及回站時間、動力電池箱換電需求量等，通過與電網(wǎng)供給能力和動力電池充放電特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一體化站的各種運(yùn)營和調(diào)度策略評估，指導(dǎo)一體化站內(nèi)電池箱的有序充電及換電過程的運(yùn)營調(diào)度。
因此，在應(yīng)用該系統(tǒng)的電動汽車充換電站，你既不會看到排著長龍的汽車等待換電，也不會看到充換電站長時間空置的狀態(tài)，提高了充換電站的效率。
讓充換電站形成網(wǎng)絡(luò)
跨區(qū)域、全覆蓋、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，其合理布局能夠增大電動汽車行駛范圍，讓駕乘人員不必再時刻擔(dān)心電池電量，過足駕乘癮。
如果要時刻盤算著剩余電量能不能撐到充換電站，不敢長距離出行，那駕乘電動汽車可真不過癮。
解決這個問題其實(shí)不難：讓充換電站形成服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，開到哪都可以充換電。董新生介紹說，一個合理布局的智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，可以促進(jìn)電動汽車的普及，這不僅將改變現(xiàn)有的化石能源消費(fèi)格局，還將成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，同時作為一個儲能系統(tǒng)，為風(fēng)電、太陽能等清潔能源的消納提供平臺。他特別介紹了青島電動汽車換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。
青島電動汽車換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)由薛家島站、深圳路充換電站、延安路充換電站、珠江路充換電站、流清河充換電站以及萊西充換電站組成，服務(wù)公交車輛已達(dá)450 輛，服務(wù)線路逐步跨越青島主城區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)以及萊西市。在形成換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)之前，電動汽車要預(yù)留出返回充換電站的電量，單次換電平均運(yùn)營行駛里程僅 90公里。網(wǎng)絡(luò)形成后，電動汽車單次換電平均運(yùn)營行駛里程增大到150公里，最大里程達(dá)到225公里。根據(jù)規(guī)劃，青島在“十二五”末將建設(shè)公交車充換電站近20座，電動公交車保有量預(yù)測達(dá)1500輛。
“電動汽車充換電智能化關(guān)鍵技術(shù)、成套設(shè)備及工程應(yīng)用”項目組還提出由集中充電站和配送站組成的“集中充電統(tǒng)一配送方案”。集中充電站有集中充電系統(tǒng)，還配備有配送車。配送站的電池由集中充電站或充換電站配送，利用市區(qū)較小的空間建設(shè)。或許，在不遠(yuǎn)的未來，居民在小區(qū)門口就會看到電池配送站。
項目成果還以動力電池在電動汽車、集中充電站、充換電站、配送站等相關(guān)主體的流轉(zhuǎn)為紐帶，構(gòu)建以省級數(shù)據(jù)中心為核心，包括運(yùn)營總部、省級運(yùn)營中心、地市級(縣區(qū)級)運(yùn)營機(jī)構(gòu)在內(nèi)的運(yùn)營管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、全覆蓋，基于物聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。一旦這種網(wǎng)絡(luò)能夠大范圍建成，電動汽車遠(yuǎn)距離行駛就不用再擔(dān)心電池電量，人們可以過足電動汽車駕乘癮。
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