电动汽车作为电力系统储能应用潜力研究

３．２ 电动汽车储能容量
等车型的累计销量都超过了 ２ 万辆。目前市场上的
美国交通运输部 ２ ０ ０ １ 年居民驾驶调查数据反
电动汽车单次充电的续驶里程大约在 ２ ０ ０ ～４ ０ ０ ｋ ｍ 映了汽车在一天 ２４ ｈ 当中行驶里程的平均分布。从
左右，较燃油汽车仍有一定差距。
早 ８ 点到晚 ７ 点的 １２ ｈ 的行驶里程占到了全天行驶
２０２０ 年 ２０３０ 年
２４７
１０９８
wk.baidu.com
１８５
８２６
２２４
９９８
１６８
７３２
２０１
日俱增的能源压力和环境污染问题，对我国经济社 进电动汽车的推广和应用，最终实现交通能源电力
会的可持续发展具有重要战略意义。电动汽车大规 化的同时，提高电网运行的稳定性和经济性，提高
模接入电网后，既可作为电力系统消费侧的分布式 可再生能源接入比例，促进智能电网发展。
储能设施，帮助分布式可再生能源发电的接入，调
关键词： 电动汽车； 储能； 可再生能源； Ｖ２Ｇ； 充电设施； 商业模式 中图分类号： U469.72 文献标识码： A 文章编号：1003-2355(2013)07-0032-06 doi:10.3969/ j.issn.1003-2355.2013.07.007
Abstract: Electric vehicles (EVs) have been widely regarded as a key energy storage infrastructure in the future smart grid system that integrates a high share of distributed renewable energy sources. Nevertheless, the high cost of EV batteries currently is an obvious obstacle of the EV penetration and its energy storage application.
ａｍｏｏｒｔｈｙ（２００９）在设定汽车总量、停车场容量、每 要动力电池技术，但镍氢电池目前生产成本仍然较
天充放电频率的条件下，评估了停车场内电动汽车 高，自放电率高，较少被应用在纯电动车型上。锂
Ｖ２Ｇ 对降低系统发电成本的作用。Ｖ２Ｇ （Ｖｅｈｉｃｌｅ－ 离子电池比能量和比功率都很高，原材料丰富，但
of EV application in transport sector and eventually accelerate the electrification of road transport. This paper
therefore will investigate the current EV storage and V2G technological status, and estimate the future EV
３ ０ ７ ． ２ ４ ～３ ７ ５ ． ５ ２
７４６８．７４ ～９１２８．４６
１５９１４．７ ～１９４５１．３
表 ３ ２ ０ ３ ０ 年电动汽车储能容量
容量（Ｇ Ｗ ） 小型乘用车 中型客车
能量（Ｇ Ｗ ｈ ） 小型乘用车 中型客车
２０１５ 年
１ ０
５ １
２０２０ 年
５ ０
３６ ５
２０２５ 年
动力电池是指为电动汽车动力系统提供能量的 总里程的 ８０％ 以上，而其余 １ ２ ｈ 的行驶里程仅占不
蓄电池，主要包括铅酸电池、超级电容器、镍氢电 到 ２ ０ ％ ，其中凌晨 ０ 点到 ５ 点之间的行驶里程只占
池、锂离子电池和燃料电池。 铅酸电池技术成熟、成本低、 安全性好，但能量密度较低， 自放电率较高，一般应用在 低速和城市短途电动汽车上。 超级电容比功率较高，充放
Business model; Charge and discharge prices
１ 技术背景
向提供电力，起到削峰填谷的作用，并为电网提供
随着我国汽车保有量的不断攀升，传统化石能 调频和备用等辅助服务。电动汽车储能与电力系统
源消耗也将持续增长，发展电动汽车将有效缓解与 的结合，将在降低电动汽车使用者的出行成本，促
３．１ 电动汽车规模
提供可靠的备用容量。Ｒｏｇｅｒｓ 等（２０１０）分析了在
目前中国机动车产销量居全球第一，且增长速
智能电网环境下，电动汽车可为电网提供无功支持 度快，平均机动车拥有量仍然较低，这为中国电动
和电压支撑。Ｋｅｍｐｔｏｎ（２００５）和 Ｂｅｓｓａ（２０１１） 汽车的快速发展奠定了基础。表 ２ 列出了《中国汽
The integration of EVs and the power grid through V2G configuration could offer a cost-efficient way of establish-
ing energy storage for the energy system. The large potential benefits of EV storage could in turn reduce the cost
国外在电动汽车储能应用研究方面起步较早，
节电网用电负荷，又可作为分布式电源向电网反方 Ｋｅｍｐｔｏｎ 和 Ｔｏｒｕ （２０００ ）首先分析了电动汽车作
收稿日期： 2013-07-13 作者简介 ： 刘坚（1983－），男，博士，研究方向为电动汽车、储能技术等。
第 ３５ 卷 第 ７ 期 ２０１３ 年 ７ 月 ３２
中国 ２００７ 年轻型民用车辆的年均行驶里程为 ２６９１ ０ ｋｍ，日均行驶里程为 ７３． ７ ｋｍ。但这一统计 未按照用途分类。例如，家庭轿车的年行驶里程可 能不足 １５０００ ｋｍ。按每辆电动汽车 ２４ ｋＷｈ 容量，每 日平均行驶里程 ５０ ｋｍ，每百公里消费电力 １２．５ ｋＷｈ 计算，则电动汽车每日充电需求为 ４ ｋ Ｗ ｈ ，单次充 电约可满足 ５ 天的行驶需要（考虑电池的剩余容量 Ｓ Ｏ Ｃ 下限为 ２ ０ ％ ）。假设电动汽车占到全北京市 ５ ０ ０ 万辆机动车保有量的 １ ０ ％ ，则每天充电总需求量大 约为 ２００ 万 ｋＷｈ，仅占 ２０１１ 年全市全社会用电量的
等研究了电动汽车参与旋转备用、调频等辅助服务 车产业发展报告》所预测 ２０２０ 年及 ２０３０ 年全国公
的成本和收益，计算结果表明，电动汽车参与旋转 交车、公务车、出租车、私家车的保有量规模。假
备用时具有较高的经济效益。
设私家电动汽车在 ２０２０ 年和 ２０３０ 年占私家车总量
２ 电动汽车及动力电池
研究与探讨 Research and Approach
电动汽车作为电力系统储能 应用潜力研究
刘 坚 1，胡泽春 2
（１．国家发展和改革委员会能源研究所，北京 １ ０ ０ ０ ３ ８；２． 清华大学，北京 １ ０ ０ ０ ８ ３）
摘要： 基于 Ｖ ２ Ｇ 技术的电动汽车储能为可再生能源、分布式发电、微电网以及智能电网提供 了巨大发展空间。目前储能技术较高的成本阻碍了其在电力系统中的大规模应用。电动汽车动力 电池在为传统交通工具提供动力的同时，还可作为电力系统的储能装置，为电力系统提供备用电 源。通过智能充放电控制和动力电池的梯次使用，电动汽车可作为电力系统灵活调峰和调频电源， 加强电网运行稳定性与安全性，提高可再生能源接入规模，加快智能电网的构建和交通能源消费 的电力化。本文在对电动汽车储能的相关技术及基础设施进行综述的基础上，对我国未来电动汽 车储能规模进行了分析并对相关政策进行了探讨。
公交车 公务车 出租车 私家车
表 ２ 我国汽车保有量预测结果 单位： 万辆
２０２０ 年
２０３０ 年
７ ８ ． ４ ６ ～９ ５ ． ９ ０
１ １ ５ ． ５ ６ ～１ ４ １ ． ２ ４
８０２．２ ～９８０．５２
１３１０．９６ ～１６０２．２８
１ ８ ７ ． ７ ６ ～２ ２ ９ ． ４ ８
Vol. 35 No. 7 July. 2013
Research and Approach 研究与探讨
为分布式储能的可行性，发现通过协调控制充放电 电速度快，循环寿命长，但能量密度非常低，一般
过程，使之在系统负荷高峰时放电、低谷时充电，可 用在混合动力汽车作辅助电源。镍氢电池技术相对
实现系统调峰的经济效益。Ｓ ａ ｂ ｅ ｒ 和 Ｖ ｅ ｎ ａ ｙ ａ ｇ － 成熟，安全性好，是目前混合动力汽车所采用的主
ｔｏ－Ｇｒｉｄ） 指电动汽车与电网的能量管理系统通信， 成本较高。燃料电池比能量高，能量转化效率高（系
实现电动汽车与电网间的双向能量传输（充放电）。 统整体效率可达到 ７ ０ ％ ），燃料来源丰富，但制造成
根据电动汽车调频响应速度快的特点，Ｈａｎ 等（Ｈａｎ， 本高且储运非常困难。综合各种电池技术来看，锂
的比例分别为 １ ０ ％ 和 ３ ０ ％ ，其余类型电动汽车在
当前国际上主要电动汽车生产厂商包括日产、 ２０１５、２０２０、２０３０ 年分别占 ５％、１５％ 和 ３０％，则
通用、丰田、宝马和特斯拉（Ｔｅｓｌａ）等，其中日产 ２０３０ 年电动汽车总规模将接近 ６５００ 万辆。
Ｌｅａｆ、通用 Ｃｈｅｖｙ Ｖｏｌｔ、丰田 Ｐｒｉｕｓ ｐｌｕｇ－ｉｎ
表 １ 锰酸锂和磷酸铁锂负极材料比较
锰酸锂 Ｌ ｉ Ｍ ｎ ２Ｏ ４ 磷酸铁锂 ＬｉＦｅＰＯ４
晶体结构 理论容量（Ａ ｈ ） 工作电压（Ｖ ）
优势
劣势
尖晶石
１４８
原材料丰富，常温低温 材料制备技术尚不成 ３．７
循环性能佳，环保安全 熟，理论容量较低
橄榄石
１７０
原材料丰富，常温高温 存在专利保护，导 ３．３
风 电 机 组 出 力 不 确 定 性 的 随 机 经 济 调 度 模 型 。 力电池充放电性能直接影响电动汽车储能的技术经
Ｄａｌｌｉｎｇｅｒ 等（２０１１）考虑了电动汽车用户随机性 济性，下文将对此进行进一步分析。
下的电动汽车为电网运行提供备用的可能性，研究
３ 电动汽车 Ｖ２Ｇ 储能
表明 Ｖ２Ｇ 可以在不损害电池寿命的前提下，为系统
循环性能佳，环保安全 电率、振实密度较低
Vol. 35 No. 7 July. 2013
第 ３５ 卷 第 ７ 期 ２０１３ 年 ７ 月 ３３
研究与探讨 Research and Approach
１ ． ４ ％ 。这使得调度电动汽车在夜间负荷低谷时段 充电成为可能。电动汽车的充电概率与交通流量分 布近似互补，与停车概率吻合。潜在充电高峰更多 集中在夜间等电网负荷低谷时段，为电动汽车提供 电力系统调峰提供了条件。
storage potentials and the formulation of EV charging/discharging prices.
Key words: Electric vehicle; Energy storage; Renewable energy; V2G; Charging infrastructure; Smart grid;
ｅｔ ａｌ， ２０１０）分析了电动汽车参与系统调频的控 离子电池技术是目前各国电池研发的重点，特别是
制方法。此外，在满足充电需求约束条件下，通过 锰酸锂和磷酸铁锂正极材料技术较多被电动汽车所
引入中间运营商，对电动汽车的充放电功率、时间 采用。
进行集中优化控制，还可平抑风电、太阳能发电波
总体来看，我国动力电池技术以磷酸铁锂为主
１７ ０
１４１ １７
２０３０ 年
６８ １
６３９ ６５
表 ４ 充电负荷峰荷及日均充电量
高预测情景 常态预测情景
低预测情景
工作日 节假日 工作日 节假日 工作日 节假日
充电峰荷（Ｇ Ｗ ）
２０２０ 年 ２０３０ 年
４０
２２７
２９
１７１
３７
２０６
２６
１５５
３３
１８６
２４
１３９
日均充电量（ｋ Ｗ ｈ ）
动，提高可再生能源发电利用率和电网消纳新能源 要发展方向并已基本形成动力电池产业体系，但仍
的能力。文献 Ｌｕｎｄａ 和 Ｋｅｍｐｔｏｎ（２００８）分析了 存在诸如磷酸铁锂电池制造工艺控制困难，批次稳
Ｖ ２ Ｇ 对提高风电接入能力和降低 Ｃ Ｏ ２ 排放的作用。 定性差，隔膜材料依赖进口，电池组一致性差，系 赵俊华等（２０１０ ）建立了考虑电动汽车接入电网和 统循环寿命低和电池管理系统设计不足等问题。动