當通信領域5G時代來臨時,也就是無人駕駛汽車主要是無人駕駛電動汽車遍布全球的時候,那時,道路不再擁擠,不再為沒有足夠的停車場而煩惱,全球汽車(那時主要是電動汽車)總量會減少三分之二左右。汽車不再是人人追求的奢侈品,它將回歸為一種普通的代步工具,就像現在的自行車一樣,主要以共享無人駕駛電動汽車為主,一段時間以后甚至是免費的。一個城市的絕大部分汽車通過一個智慧調度中心進行人工智能般的調度控制,滿足城市所有人的出行需求;城市間通過一個全國性的智慧汽車調度網絡進行城市間的出行調度滿足城際間的出行需求;國際間的出行也可以通過全球性的智慧調度網絡來滿足國際間的出行需求。

可以想象這樣一幕:當你走出辦公大樓時,門口的智能刷臉調度系統已經從你的語音、臉部表情或者腦電波知道你想要坐什么車,要去哪。無人駕駛車會以你想的時間與路線送你到目的地,您下車后會通過刷臉支付或刷臉記錄下整個行程。當你辦完你的工作后,車子已在相應的地方等你,帶你去你將要去的下一個地點。這種人工智能般的無人駕駛汽車又是如何補充能量的呢?我們可能結合目前能量供給的特點進行分析,根據技術發展的特點來提前規劃,減少不必要的彎路與不必要的中間過渡產品,達到有序發展與資源最大化利用的目的。
在分析未來的充電解決方案之前,我們必須要了解當前的充電需求與能量供給的特點,從現實的狀況出發,逐步得出我們的解決方案。基于我們對電動汽車充電能量需求分布特點和現有能量供給分布特點的分析,來解決電動汽車發展過程存在的或將會存在的一些問題。
電動汽車充電的能量需求是這樣的
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第一個特點是無序化,即電動汽車將會在什么地方充,需要在什么時候會去充電,要充多少的能量,對于充電設施來講基本都是未知的,有時連司機自己都不清楚,因為目前絕大部分的電動汽車的電池剩余能量的估算都是不準確的,越到電池生命周期的后期估算的誤差也越大,缺乏真正的大數據分析的支撐。
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第二個特點是無理化,主要體現為快速充和就地充。當電動汽車車主發現電量不足時車主都希望是快充,最好幾分鐘就能充滿電,另外,想到哪充就到哪充,車沒電了,最好邊上就有快充站,立馬插頭插上去就能充了。
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第三個特點是無恥化,主要體現為低價、智能化、無限化。車主總是希望低價充電,免費最好。車停在哪里能自動充上電,充好之后自動通知,整個充電過程最好不要車主去煩,通過人工智能達到自動快速無縫對接,以達到完美的程度。
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第四個特點,希望充電過程與開車過程(或乘車過程)絕對安全化,主要體現為無物理傷害、無化學傷害、無精神傷害。像電動車起火、觸電風險、電磁輻射等都是車主無法接受的,但就目前的電動車技術與充電技術來說,電動汽車的本身安全與充電安全在整個產品的生命周期里還是有較多不足的。
現有能量供給分布特點是這樣的
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第一個特點是分布不均衡,東西部地區不均衡,大量的能源集中在西部;城鄉不均衡,主要供電設施集中在城市;供電區域不均衡,主要供給方向為廠礦、工業區;需求主要集中在東部、城市的廠礦、工業區等。
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第二個特點是供給能量有限化,由于變壓器容量限制,輸配電網絡容量限制,包括現有的用電功率、調度能力、供給量等都有限的。現在充電樁布點很難,難在變壓器擴容;從調度能力來說,整個國家電網的調電能量調度能力也是非常有限的;供給量實際上也是不足的,尤其是大城市的需求大,但是電力供給通常都是嚴重不足的。
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第三個特點是壟斷化,國內主要是國網和南網,以利益為驅駛,客觀上限制了大量民間資本為電動汽車進行普及的積極性與靈活性。
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第四個特點是不安全,目前來說電磁傷害還是存在的,還有發電排放物污染、輸配電安全,目前都存在不同程度的安全問題。
如何解決呢?——分布式新能源+微電網+分布式儲能+智慧電網
這種出行需求帶來的能量供給矛盾如何解決呢?我們認為,基于分布式封閉能量供應網絡通過智慧電網的調度滿足無人駕駛電動汽車的智能充電能量需求是解決所有問題的關鍵。
首先是分布式新能源發電和微電網控制技術,新能源發電各種可能的新能源包括風能發電、太陽能發電、水力發電、生物質能發電、海洋能發電、地熱能發電等,在我國還是以西部廣闊的沙漠、灘涂、草原等建設大量的新能源發電如太陽能、風能等,并用現有的輸電網絡繼續實現西電東輸;東南部沿海大量發展風力發電、太陽能發電、潮汐發電等,實現沿海部分城市的自給自足;而城市本身則要大量發展各種中小型屋頂太陽能發電、小型風力發電、生物發電、垃圾發電等,包括電動車表面太陽能發電等,形成無數的城市微電網,在城郊部分能量供給量大些,則建設大量的中型新能源發電體系,結合西電東輸的補充,滿足各城市供電能量自身的需求,逐步實現能源供給的平衡。
其次是分布式儲能,對于任一城市而言,白天的各種新能源發電總電量除了能滿足白天各種用電需求之外,還要有少量的能源需要通過各種分布式儲能存貯起來,以滿足晚上的用電需求和陰雨天氣新能源發電減少時的需求。針對電動汽車的充電需求和城市用電需求,絕大部分新能源發電能量都會通過智慧電網直接被各種用能設施直接消耗了,盡量減少能量轉換帶來的不必要損耗,如熱能將直接轉換為熱水等方式存貯起來供生活所需,儲能方式也是各種各樣,城市中將以小型化的儲能為主。如在住宅小區的屋頂上建個水池,水池上部是太陽能發電,樓下建個游泳池,當白天有太陽的時候,能量在供給多余部分可以把水往上抽,當需要發電的時候,把樓頂上的水放下來,通過一個微型水力發電裝置進行發電,滿足晚上用電需求等。儲能模式有很多種,有機械類儲能、電氣類儲能、電化學類儲能、熱儲能和化學類儲能等,根據能量本身的特點進行靈活選用。
第三個是對各個微電網進行有效控制,結合原有大電網實現調度智能化,也就實現智慧電網。未來智慧電網的主要特點:
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直接用電,就近用電。直接用電是為了減少能量從不同狀態轉換帶來的效率損耗,就近用電是為了減少輸配電過程中帶來的線路損耗。
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定點、定量、定向的能量調度原則。假設A點需要能量,能量應盡量從最近的B點進行調度。其次要定向,能量需求在哪里,能量就要調到哪里。然后是要定量,電的輸送是要損耗的,多調了沒用,將來還得往回調。
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多點供應。儲能是分布式的,當一個點需要供電的時候,可從附近邊上好幾個點都可以為這個點供電,避免將一個點能量用完后,當這個點自身需要能量時,又得從其它點往這個點調能量,增加無畏的能量損耗。
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多種類供應。電的來源可能是電網,也可能儲能,新能源發電一定要就地取能,因地制宜,只要能發展起來的,哪怕能量再小,實質上都可以加以利用。
智能充電網——電動汽車的未來充電模式
能源供給是固定的,而電動汽車的充電需求是動態的,動態充電需求必須根據能源網絡的布局進行調度。根據前文所述,未來是以多種新能源發電為主,結合分布式儲能系統,形成無數的微電網,微電網建立起來以后,能量一定是通過智慧電網來調度,能量調度不可能再去建另外一張能量網,必然是借助現有的電網,進而形成能源互聯網,結合智慧電網調度系統,形成一個分布全國城鄉各個毛孔的、各個毛細血管的能源供給網絡。
而電動汽車對能量的需求大小是不一樣的,所以智慧調度系統就顯得相當重要,依托于現有的電力供應網絡和V2G(Vehicle-to-grid)、V2H(Vehicle-to-home)、V2V(Vehicle-to-Vehicle)的能量調度技術,形成一個分布在城市各個角落的智慧電網系統,滿足電動汽車的各種充電需求。所有電動汽車的電池管理系統或能量管理系統會根據車每次出行的能量需求,通過智慧電網調度系統,提前確定好了能量補充計劃;智慧電網會根據電動車的需求,哪里需要能量就往哪里調度。當電動汽車要從A點開到C點的時候,假設在B點充電的時候能量不足,就往B點輸送能量,保證在B點的能量能達到充電需求,電動車在B點補充能量時,會有其它類似的車繼續為車主或乘客提供服務,不存在充電時間的影響,也不會不存在快慢充之爭、充電換電之爭。

根據前面分析,為減少能量轉換不必要的損失,基本也不太可能簡單的把電動車的電池當做一種儲能的工具來進行削峰填谷,因為電池的成本是很高的,循環壽命有限,為了把車里的能源回饋給電網而減速車的壽命,增加能量轉換損耗,得不償失。只有極少數情況下,如一輛車的能源不足,當附近總能源供給也不足時,而其它車均有相當的出行任務,這種極端情況下,在保證其它車能完成各自的出行任務時,可以給能量不足的車勻少量的電,這種方式或許更可行一些。
因此,根據電動汽車的充電需求會形成一個遍布城市各街道與周邊公路網絡的智慧能量網,也就是形成城市的能量局域網,城市與城市之間通過公路網形成更大的能源供應網,通過全國的輸配電網絡形成全國性的能量供應網。也就是說,未來電動汽車充電能源供給的幾大特征:
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需求沿公路網展開,供給沿電力輸送網展開,通過遍布全國的各種微電網形成能量供給站滿足需求。
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未來新能源所占比重越來越大,最終達到全覆蓋。
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儲能是重要支撐手段,因為儲能可以把新能源的盲點充分利用起來。
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智慧調度是核心,要把復雜的全國的能源調度起來,每個城市能量達到平衡,這個系統一定是智慧的,甚至于超過人工智能的程度。
根據這個能量供給網絡的特點,未來充電模式也就躍然紙上。由于太陽能的連續性、可預測性和無窮供給量性,未來的新能源發電必然是直流供電為主,其它新能源發電為補充,為減少不必要的能量轉換,未來電動汽車自身帶有太陽能發電功能給能量存儲裝置充電,外部充電會直接利用車自身的充電裝置直接給車充電,各個微電網充電系統主要供應的也就是新能源發電系統直接產生的直流電能,白天就直接給各輛電動汽車充電,不用進行二次轉換,晚上有少量的充電需求則通過儲能的直流電能直接給電動汽車充電,也不需要二次轉換。
充電系統都是無樁充電系統,如充電墻,電動汽車通過定位系統直接往充電墻上靠,通過直接接觸進行直接充電。現在的大功率快充樁及將來可能的無線充電都存在充電轉換能量損耗,未來都將不太可能大規模應用。交流充電因電網存在,可能會是直流充電的一個補充,但基本上也是無樁充電,通過直接接觸模式進行充電,不會需要像現在這樣復雜的各種不必要的冗余功能。
所有電動汽車的儲能單元都會逐步被新技術所取代,石墨烯技術的發展和復合型超級電容技術的突破,目前的各種鋰離子電池都將被取代或二次創新,未來電池的充放電深度循環壽命將是幾十萬至幾百萬次以上,能量密度也將是十多倍于當今技術。電動汽車所有的充電放電管理都會由車內的電池管理系統(也可能是電容管理系統)與外部智慧電網進行無縫對接的信息交互系統形成一個能量管理系統,它具有大數據存儲功能、充放電管理功能、電池容量管理功能、定位導航路線分析、自動充電、供電系統故障自診斷能力、與智慧電網的通信等。而電動汽車管理系統則有自動駕駛系統、故障自診斷能力、客戶信息管理系統、全國交通調度管理系統等。
故未來電動汽車充電需求都是由車內的電容量管理系統與定位導航路線分析系統通過全國交通調度管理系統來通知智慧電網提前準備,智慧電網則根據將要來臨的充電需求規劃相應的充電地點、充電模式,滿足任一電動汽車的任意時候的充電需求。在整個充電事件中,必然形成幾個大數據:智慧電網能量供給數據與需求數據、電動汽車車輛管理數據與能量管理數據、全國電動汽車車主或用戶數據等;這些大數據也都包含著無限的商機和未來技術的發展之路。
萬馬布局——打造城市交通能源供應商
根據未來技術的分析,萬馬新能源在現有的城市快充網布局和新能源車輛運營之外,同時介入到儲能領域,利用浙江省省重點研究院的智慧充電項目和省重大科技專項馬斯充電曲線快速充電技術的研究,形成了舊電池的梯次利用與舊電池儲能、局域網智慧能量調度控制技術、超級電容與復合超級電容(復合電池)充電/儲能系統、雙向充電拓撲、電池成組與智能能量管理(包含BMS+CMS+大容量數據存儲與智能分析+定位與路線分析系統等)等不同方向的技術研究與積累,在將來實現智慧能量供應系統與智慧交流管理系統的一體化結合,在未來將萬馬打造成真正的智慧城市交通能源供應商。
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