電動汽車發(fā)展的困難、關(guān)鍵、過程控制與頂層設(shè)計—陳院士-復(fù)件

1、 郭春林 教 授 華北電力大學(xué) 陳清泉 院 士 香 港 大 學(xué) 電動汽車發(fā)展的困難、關(guān)鍵、過程控制與頂層設(shè)計電動汽車發(fā)展的系統(tǒng)化思維與方法探索革命性的中國發(fā)展新能源汽車之路報告內(nèi)容報告內(nèi)容一、系統(tǒng)角度下的電動汽車二、時間角度下的電動汽車電動汽車發(fā)展的過程控制三、電動汽車發(fā)展的困難與關(guān)鍵四、基于系統(tǒng)價值的頂層設(shè)計方法五、 小結(jié)一、系統(tǒng)角度下的電動汽車一、系統(tǒng)角度下的電動汽車 1、電動汽車運營體系的構(gòu)成和環(huán)節(jié)、電動汽車運營體系的構(gòu)成和環(huán)節(jié) 包括電動汽車、充電基礎(chǔ)設(shè)施與電網(wǎng)的三個基本部分 三部分在供能上是一種串聯(lián)關(guān)系 任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題或者配合不當，都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法有效運行。 電動汽車包括動力電池

2、、變流器、驅(qū)動電機、整車集成、兼容化等環(huán)節(jié) 總體上是串聯(lián)關(guān)系，相對獨立；主要是設(shè)備與技術(shù)層面的問題 其中動力電池是薄弱環(huán)節(jié)，也是整個系統(tǒng)的瓶頸問題。充電基礎(chǔ)設(shè)施部分包括接口標準化、布局建設(shè)、充電模式、商業(yè)運營、設(shè)備與控制等環(huán)節(jié) 主要是商業(yè)與運營層面的問題，耦合緊密 關(guān)鍵一：是充電方式、運行方式和商業(yè)模式不確定，決策困難；關(guān)鍵二：公共基礎(chǔ)設(shè)施投資大、周期長，涉及土地利用等，形成了復(fù)雜的利益與制約關(guān)系。 電網(wǎng)部分包括入網(wǎng)規(guī)范與配套建設(shè)、電價與用戶管理、協(xié)調(diào)調(diào)度、其它增值服務(wù)等環(huán)節(jié) 涉及技術(shù)、控制與運營等多個方面 也存在復(fù)雜相互關(guān)系，必須綜合解決。 用戶充電即有靈活可調(diào)的柔性需求，又有必須立即實現(xiàn)的

3、剛性需求，這為EV、充電設(shè)施、電網(wǎng)這一復(fù)雜大系統(tǒng)提供了實現(xiàn)全局優(yōu)化的調(diào)節(jié)能力，又要求其保持隨機性、分布式的實時動態(tài)響應(yīng)能力 一個控制上的新難題。2、電動汽車復(fù)雜大系統(tǒng)及其控制難點、電動汽車復(fù)雜大系統(tǒng)及其控制難點全局問題運營層設(shè)備層 不只是車輛設(shè)備的競爭，更是兩個大系統(tǒng)的競爭，包括車輛及其供能、支持維護體系等不是單一性能的競爭，而是包括便利性、環(huán)保性和經(jīng)濟性的綜合競爭 存在一個臨界點，一旦跨過臨界點，電動汽車將迅速代替大部分燃油車3、電動汽車與燃油車的競爭關(guān)系、電動汽車與燃油車的競爭關(guān)系電動汽車發(fā)展的特殊問題必須和傳統(tǒng)燃油車競爭4、“兩個友好兩個友好” 車網(wǎng)融合的巨大價值車網(wǎng)融合的巨大價值 以5

4、00萬輛EV計算，如果每輛能提供V2G充放電功率7kW，就能夠為電網(wǎng)提供7千萬kW調(diào)節(jié)容量，達到我國電網(wǎng)當前總裝機容量的5%左右，可滿足電網(wǎng)備用需要。 2014年我國機動車保有2.64億輛，如果其中1億輛為EV，1/5可提供V2G服務(wù)，可提供調(diào)節(jié)容量2.8億千瓦，完全可以滿足當前新能源消納的需要。EV成為友好負荷： l 促進新能源消納l 提供備用保障l 提高設(shè)備利用率電網(wǎng)成為友好平臺：l 提供通暢可靠的接入l 為用戶提供附加收入l 運營結(jié)算、轉(zhuǎn)移支付國務(wù)院關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見,到2020年，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，滿足超過500萬輛電動汽車

5、的充電需求；二、時間角度下的電動汽車二、時間角度下的電動汽車電動汽車發(fā)電動汽車發(fā)展的過程控制展的過程控制復(fù)雜大系統(tǒng)早期發(fā)展以閉環(huán)修正為主，隨著知識積累逐漸過渡到以開環(huán)分析為主。 由于與燃油車的競爭，電動汽車必須采用階躍式發(fā)展方式，從而需要開閉環(huán)結(jié)合即理論與實踐緊密結(jié)合，以保證發(fā)展方向和模式的正確性；1、從時間維度看電動汽車協(xié)同發(fā)展過程控制、從時間維度看電動汽車協(xié)同發(fā)展過程控制在時間維度上，電動汽車及充電設(shè)施建設(shè)是一個過程控制問題，是大系統(tǒng)發(fā)展的共性問題協(xié)同發(fā)展/過程控制協(xié)調(diào)控制/運行控制2、階躍式發(fā)展帶來的巨大挑戰(zhàn)、階躍式發(fā)展帶來的巨大挑戰(zhàn) 當前我國政策力度空前強大，新一輪5年內(nèi)上萬億元的投資

6、過程已經(jīng)迅速啟動，其投資效率每提高一個百分點，就能避免資金浪費上百億元。與此同時，無論在頂層設(shè)計還是應(yīng)用技術(shù)層面，都還存在相當大的不確定性和風(fēng)險。 這是人類歷史上，首次需要在幾乎毫無經(jīng)驗的條件下，一步到位地設(shè)計和建設(shè)這樣大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)，在理論和實踐上都帶來了空前巨大的挑戰(zhàn)，迫切需要我們行動起來，全方位參與這些問題的研究和解決。 國內(nèi)外數(shù)十年的實踐清楚地表明，單一科研機構(gòu)或企業(yè)都不可能獨自解決如此宏大復(fù)雜的問題；傳統(tǒng)的科學(xué)問題與應(yīng)用技術(shù)分開研究的模式也不能滿足快速發(fā)展的需要，理論研究必須與技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)業(yè)建設(shè)緊密協(xié)同，引領(lǐng)官產(chǎn)學(xué)研用體系。 2007年創(chuàng)立，主推換電模式 在燒掉約10億美元后，于2

7、013年宣告破產(chǎn)三、電動汽車發(fā)展的困難與關(guān)鍵三、電動汽車發(fā)展的困難與關(guān)鍵1、電動汽車發(fā)展的主要困難、電動汽車發(fā)展的主要困難成本難以下降，而環(huán)保效益不緊迫、不直接、難以量化，使得推動力不足，發(fā)展決心、決策難以確立。動力不足不確定性強利益復(fù)雜具有多種可行的充電方式、運行方式和商業(yè)模式，發(fā)展路線難以確定。運營與產(chǎn)業(yè)鏈條長，利益主體眾多、關(guān)系復(fù)雜，協(xié)調(diào)非常困難。缺乏經(jīng)驗缺少大規(guī)模系統(tǒng)化的示范項目，因而缺少反映實際情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不能支撐與驗證各項研究分析。2、電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵抓手、電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵抓手（1）針對整個EV大系統(tǒng)開展深入的、全面的、貼近實際的發(fā)展路線研究。（2）積極開展全局效益分析和頂

8、層設(shè)計，建立適當機制，增加EV發(fā)展的動力，協(xié)調(diào)利益關(guān)系，促進商業(yè)模式的建立。（3）有目標、有計劃、有規(guī)模地開展多種模式的綜合示范，探索和驗證發(fā)展方向，完善分析模型和方法。（4）盡可能借鑒燃油汽車、電力系統(tǒng)等方面的相關(guān)方法和經(jīng)驗。（5）加強行業(yè)之間的交流和討論，形成互惠合作共識，落實到基本政策、規(guī)范和具體行動。新一代高能量密度、高功率密度、高安全度的動力電池技術(shù)的研發(fā)和量產(chǎn)合理發(fā)展路線、利益機制和技術(shù)體系的制訂即頂層設(shè)計需要政策體系和技術(shù)平臺共同支撐生產(chǎn)力和技術(shù)方面生產(chǎn)關(guān)系和系統(tǒng)建設(shè)方面3、電力行業(yè)面臨的核心問題、電力行業(yè)面臨的核心問題 由于電力工業(yè)的專業(yè)性、電網(wǎng)體系與制度的復(fù)雜性，電力行業(yè)對電

9、動汽車發(fā)展負有不可推卸的責(zé)任，并且是非常核心、難以替代的責(zé)任者之一。 車網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的綜合分析與頂層設(shè)計方法 提高電動汽車消納能力的充電設(shè)施和電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)與運行方法 源網(wǎng)荷車的協(xié)調(diào)調(diào)度方法與控制策略 車網(wǎng)融合中復(fù)雜智能的綜合應(yīng)用方法互聯(lián)網(wǎng)+的核心內(nèi)容 電動汽車與分布式能源、微網(wǎng)的互動與控制方法對上述問題，不僅需要我們深入開展理論研究，而且需要我們切實推動相應(yīng)的技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)業(yè)建設(shè)、生產(chǎn)運營等各個環(huán)節(jié)。需要電力行業(yè)參與解決的核心問題包括：四、基于系統(tǒng)價值的頂層設(shè)計方法四、基于系統(tǒng)價值的頂層設(shè)計方法 1、系統(tǒng)替代的可行性規(guī)律、系統(tǒng)替代的可行性規(guī)律能夠滿足用戶的剛性需求剛性需求剛性需求準則準則

10、更大全局更大全局效益準則效益準則效益均衡效益均衡準則準則替替代代可可行行性性具有更大的全局效益均衡配置使得各環(huán)節(jié)均具有更大效益隨著霧霾問題日益突出，環(huán)保問題逐漸成為一種社會層面的、新的剛性需求，使得電動汽車發(fā)展從柔性的效益驅(qū)動變?yōu)閯傂孕枨篁?qū)動，剛性需求準則成為主導(dǎo)準則。2、頂層設(shè)計的基本步驟、頂層設(shè)計的基本步驟分析用戶群剛性需求特點，確定能否滿足剛性需求。剛性需求的剛性需求的可行性分析可行性分析全局效益的全局效益的可行性分析可行性分析剛性需求實剛性需求實現(xiàn)設(shè)計現(xiàn)設(shè)計通過概略性分析系統(tǒng)運行范圍，估計全局效益的變化規(guī)律，初步確定發(fā)展路線和商業(yè)模式的可行性。結(jié)合剛性需求和各種技術(shù)約束，提出系統(tǒng)必須具

11、備的基本功能、性能要求和具體實現(xiàn)方式。效益均衡與效益均衡與優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計對局部效益進行詳細分析，合理設(shè)計系統(tǒng)運行、管理、價格、補貼等方案與政策，建立均衡的效益分配機制。3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.1 剛性需求的可行性分析私人乘用車的用戶需求用戶對EV的總體要求大約84%的用戶購買EV時只要求用于日常出行或者近郊旅游出行，要求能夠長途旅行的只有16%。3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.1 剛性需求的可行性分析0%20%40%60%80%100%0100200300400500600700800Driving distance (km)POP

12、2134出行里程人群比例曲線。1：工作日出行，2：周末出行，3：郊游出行，4：長途旅行（1）日常工作/生活行駛需求111bSDRR其中 為保障天數(shù)， 為目標群體每天平均工作/生活行駛距離， 為保障性需求。例如，在北京要滿足60%的人群連續(xù)3天使用的需要，由圖5曲線得到工作日行駛距離為23公里，非工作日為35公里，因此續(xù)駛里程為335+30=135km。1D1RbR3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.1 剛性需求的可行性分析0%20%40%60%80%100%0100200300400500600700800Driving distance (km)POP2134出行里程人

13、群比例曲線。1：工作日出行，2：周末出行，3：郊游出行，4：長途旅行（2）郊游出行的行駛需求2212223bSRRRR其中 為郊游出行距離， 為目的地游覽距離， 為意外繞行距離。例如，在北京按照滿足中心城區(qū)到達所有郊區(qū)縣和主要風(fēng)景區(qū)為標準，行駛距離為：100120+2030+2030+30= 170210km。21R22R23R3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.1 剛性需求的可行性分析0%20%40%60%80%100%0100200300400500600700800Driving distance (km)POP2134出行里程人群比例曲線。1：工作日出行，2：周末

14、出行，3：郊游出行，4：長途旅行（3）長途旅行的行駛需求33bSRR其中 為單次充電續(xù)駛里程，取250300km。根據(jù)圖5，如果續(xù)駛里程為250+30= 280km，則休息1次時可以行駛500km，可以滿足63.5%用戶的長途出行需求。3R3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.1 剛性需求的可行性分析0%20%40%60%80%100%0100200300400500600700800Driving distance (km)POP2134出行里程人群比例曲線。1：工作日出行，2：周末出行，3：郊游出行，4：長途旅行（4）需求排序與組合 三種需求程度依次減少、里程依次增加，

15、因此應(yīng)該逐漸增加需求類型和里程。 選擇350+30=180km，能夠達到86.1%日常出行和76.1%郊游出行的需求。 在充電需求方面，用戶在工作/生活出行時有足夠時間充電，因此可用分散慢充為主、少量快充為輔的總體方案。 上述方案可以滿足大部分用戶的剛性需求，具有剛性需求的可行性。3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.2 全局效益的可行性分析燃油車改用EV后增加的全局效益arg_EVfuelchingNEEVpICEVpBCCVVV式中 為燃油車加油成本， 為EV充電的邊際供電成本， 為增加新能源利用的價值， 為充電所產(chǎn)生污染的價值， 為所替代ICEV污染的價值。fuelC

16、argchingCNEV_EVpV_ICEVpV充電時間 邊際成本 促進新能源 減少污染合計谷期00.230.280.841.242.91 1.293.75峰期1.201.242.91 0.041.71電動汽車單位充電量的效益（元/kWh）3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.2 全局效益的可行性分析電動汽車使用的全局效益與環(huán)保效益 充電時間使用里程100%谷期充電50%谷期+50%峰期充電100%峰期充電全局效益 環(huán)保效益全局效益環(huán)保效益全局效益 環(huán)保效益10萬公里9.515.33.07.38.313.32.76.57.111.32.45.720萬公里19.030.6 5

17、.914.616.626.75.413.014.222.7 4.811.3 在質(zhì)保里程10萬公里時，全局效益與車輛差價812萬元達到平衡點；當使用里程更長時EV比ICEV效益更好。 全局效益中有1/3以上來源于環(huán)保效益，其受益主體是全社會，需要用價格和補貼機制將其轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟價值以激勵用戶購車并實現(xiàn)全局優(yōu)化，這正是制訂激勵政策的理論基礎(chǔ)。3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.3 架構(gòu)設(shè)計概要 EV架構(gòu)設(shè)計的基本內(nèi)容方案剛性需求實現(xiàn)效益均衡與優(yōu)化續(xù)駛里程充電設(shè)施補貼政策電價和調(diào)度制度充電設(shè)施運營制度一般方案135km一比一建設(shè)補貼購置差價的一半分時電價、不調(diào)度市場自由競爭激進方

18、案180km在集中區(qū)域超前建設(shè)補貼全部購置差價分時電價和調(diào)度電價，建立調(diào)度系統(tǒng)BOT或特許經(jīng)營3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.3 架構(gòu)設(shè)計概要1） 剛性需求的實現(xiàn)（1）續(xù)駛里程。 根據(jù)北京市數(shù)據(jù)，一般方案135km可以滿足60%的日常出行需求，激進方案180km可以滿足86.1%的日常出行需求和76.1%的郊游出行需求。 各汽車企業(yè)也可以根據(jù)其發(fā)展戰(zhàn)略，選擇其它目標群體開發(fā)相應(yīng)性能的電動汽車。（2）充電設(shè)施。 采取分散慢充為主、分散快充為輔的方式。一般方案為一比一建設(shè)，激進方案還選擇集中示范區(qū)域進行超前建設(shè)。 其位置和建設(shè)方式應(yīng)該與希望滿足的行駛需求對應(yīng)。例如，日常出行需要主要在住宅區(qū)、辦公區(qū)和公共場所安裝充電設(shè)備 快充設(shè)施只是一種補充充電方式，在開始時可以按照一定密度或者0.1左右的比例進行建設(shè)，再根據(jù)實際使用情況進行靈活調(diào)整。3、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計、私人乘用車發(fā)展的頂層設(shè)計3.3 架構(gòu)設(shè)計概要2）效益均衡和優(yōu)化（1）補貼政策。可以根據(jù)財政能力選擇補貼車輛購置差價的一半、全部或者其它方案，更合理的方式是與其它方面一起設(shè)計綜合解決方