電動(dòng)汽車V2H能源管理與優(yōu)化系統(tǒng)

李婉璐

(清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084)

0 引言

發(fā)展節(jié)能與新能源汽車是全球汽車工業(yè)應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的共同選擇［1］。根據(jù)去年底頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，我國(guó)新能源汽車發(fā)展的總體目標(biāo)是，到2015年，新能源汽車初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)保有量達(dá)到50萬(wàn)輛以上［2］。與普通燃油汽車相比，電動(dòng)汽車(electric vehicle，EV)可以有效減少CO2氣體的排放及尾氣污染，另一方面，提高電動(dòng)汽車電能利用率已成為當(dāng)今世界科技發(fā)展的重要課題之一。

V2H意為vehicle to home，即車輛入宅。它以電動(dòng)汽車電池作為分布式儲(chǔ)存電能的載體，在用電低谷時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，在用電高峰或特殊情況時(shí)為家庭供電。因此，它在一定程度上有效解決了電網(wǎng)幾乎不能儲(chǔ)存能量的缺陷，為電能的有效利用提供了一個(gè)新的途徑。本文從V2H系統(tǒng)的5個(gè)主要組成部分，工作進(jìn)程，影響電能使用效率的幾個(gè)因素，使用用途等方面分析了當(dāng)前國(guó)際上有關(guān)V2H系統(tǒng)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上對(duì)V2H系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展提出了建議。

1 V2H系統(tǒng)中幾個(gè)主要部分的作用

1．1 電池管理系統(tǒng)(BMS)

在后臺(tái)管理系統(tǒng)(EMS)和雙向智能充放電系統(tǒng)(EV－PCS)之間建立聯(lián)系。實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛電池運(yùn)行信息，準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)(SOC)，改變執(zhí)行策略及電流傳輸。從而實(shí)現(xiàn)電池的狀態(tài)控制，故障診斷及安全保護(hù)等作用，并可以有效防止電動(dòng)汽車電池過(guò)充電或過(guò)放電造成的損傷［3］。

1．2 雙向智能充放電系統(tǒng)(EV－PCS)

實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車能量的雙向流動(dòng)，通過(guò)外部控制器選擇工作模式。將裝置與家庭電網(wǎng)相連。當(dāng)選擇充電(charge)模式時(shí)，充電裝置向電動(dòng)車進(jìn)行充電，并由后臺(tái)管理系統(tǒng)控制其開(kāi)始與結(jié)束;當(dāng)選擇V2H(discharge)模式時(shí)，車輛根據(jù)已設(shè)置的SOC上下限閾值及后臺(tái)管理系統(tǒng)的整合數(shù)據(jù)判斷是否可以進(jìn)入V2H的工作狀態(tài)，并通過(guò)人機(jī)交互終端進(jìn)行工作進(jìn)程的顯示［4］?，F(xiàn)階段可采用三相全橋雙向PMW變換對(duì)電池進(jìn)行充放電;并在電網(wǎng)交流側(cè)與電動(dòng)汽車側(cè)采用隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離［5］。

1．3 后臺(tái)管理系統(tǒng)(EMS)

后臺(tái)管理系統(tǒng)包括充放電策略控制子系統(tǒng)和能量管理子系統(tǒng)。它用來(lái)采集，統(tǒng)計(jì)，計(jì)算車輛可充放電的實(shí)時(shí)容量，受控時(shí)間等信息，并將其反饋給安全監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)。并根據(jù)SCADA系統(tǒng)的調(diào)度指示，對(duì)雙向智能充放電裝置進(jìn)行充電或放電容量的二次分配指令。

1．4 人機(jī)交互終端 (UT)

主要由嵌入式控制器，觸摸屏，射頻卡讀卡器，CAN通信卡等組成?？梢赃M(jìn)行的功能主要有:界面顯示，數(shù)據(jù)信息管理查詢，參數(shù)設(shè)置，用戶操作提示，異常信息提示等功能。

1．5 智能電表

用于雙向計(jì)量，雙向通信，事件記錄(記錄電表斷相，失壓，過(guò)壓，失流，電流不平衡，超功率，超需量，逆相序等)等。

2 V2H系統(tǒng)的信息傳輸方式

圖1為V2H系統(tǒng)的簡(jiǎn)略信息流程圖，其中，車輛的充放電由雙向智能充放電系統(tǒng)(EV－PCS)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)BMS系統(tǒng)、后臺(tái)管理系統(tǒng)、人機(jī)交互終端進(jìn)行監(jiān)測(cè)和操控;家庭用電設(shè)備通過(guò)人機(jī)交互終端和智能電表進(jìn)行控制和顯示。從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與家庭之間雙向可控的能量傳遞。

圖1 信息流程圖

V2H系統(tǒng)充電流程如圖2所示(以充電為例，放電流程與充電相同)，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)啟后，通過(guò)人機(jī)交互終端設(shè)定充放電參數(shù)，通過(guò)BMS系統(tǒng)和后臺(tái)管理系統(tǒng)收集SOC數(shù)據(jù)并進(jìn)行整合，判斷充放電是否可行。在充放電的過(guò)程中，保持BMS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而判斷充放電是否完成，確定完成后系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一次命令。

圖2 充電流程

3 V2H系統(tǒng)效率的影響因素

3．1 電動(dòng)汽車SOC(state of charge)上下限閾值及家庭用電負(fù)載參數(shù)

過(guò)度充電與過(guò)度放電都會(huì)引起電池的故障。SOC閾值決定了電動(dòng)汽車可以充電及放電的容量，其范圍越大，可利用的電池能量就越大。而在V2H系統(tǒng)的應(yīng)用中，電動(dòng)車電池的放電功率等參數(shù)有一定限制，并不是所有的家用電器都可以應(yīng)用這類電池進(jìn)行供電。對(duì)于普通中等功率電器，如電視機(jī)，電腦，大部分低于200～300 W，通?？梢灾苯幼鳛閂2H的供電負(fù)載。但對(duì)于較大功率的用電負(fù)載，在現(xiàn)階段V2H系統(tǒng)的應(yīng)用中還并不完善［6］。

3．2 電動(dòng)汽車電能轉(zhuǎn)換效率

從V2H系統(tǒng)構(gòu)成來(lái)看，影響電能轉(zhuǎn)換效率的部分主要在于電池本身的性質(zhì)及雙向智能充放電裝置效率。因此，應(yīng)盡量選用適合電能轉(zhuǎn)化傳遞的電池種類，并在電池電能的DC－AC整流過(guò)程中盡量選取損耗較小的轉(zhuǎn)化裝置。同時(shí)，由于V2H系統(tǒng)在多數(shù)情況下并不是由多輛電動(dòng)汽車共同供電，而是由單獨(dú)的電動(dòng)汽車供電，因此整個(gè)系統(tǒng)不宜過(guò)于繁瑣且傳輸距離較長(zhǎng)。

3．3 家用電動(dòng)車通勤使用時(shí)間及距離。

電動(dòng)車的供電通常是在汽車閑置并保存有一定電量的情況下進(jìn)行的?？紤]到V2H過(guò)程本身的消耗，如果在電網(wǎng)正常無(wú)負(fù)擔(dān)供電時(shí)大量使用電池供電，會(huì)降低電能的利用效率。以上海為例，2009年最大的用電峰谷值為967×104kW，其中98%的高峰負(fù)荷不超過(guò)1 d，95%的高峰負(fù)荷不超過(guò)100 h，V2H系統(tǒng)的在減緩用電高峰效用是受到時(shí)間因素的限制的［7］。

根據(jù)英國(guó)華威大學(xué)對(duì)于每天通勤距離不同的電動(dòng)汽車對(duì)減緩家庭用電高峰壓力效果的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于普通電動(dòng)車，當(dāng)通勤距離為2～30 km/d時(shí)，V2H系統(tǒng)都可以有效的緩解家庭用電峰值;當(dāng)通勤距離達(dá)到80 km/d時(shí)，則不能達(dá)到此效果［8］。因此，平衡V2H系統(tǒng)本身的效用與客戶使用電動(dòng)車的需求是V2H系統(tǒng)在正式應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。

4 V2H系統(tǒng)的用途及前景分析

V2H系統(tǒng)可用于調(diào)節(jié)峰谷用電，減少用電高峰的電網(wǎng)壓力及家庭用電花費(fèi)。由于電動(dòng)汽車電池通常由電網(wǎng)供電，因此多在用電低峰時(shí)進(jìn)行充電，僅在中國(guó)，谷電就可以供給1 000萬(wàn)輛轎車和100萬(wàn)輛公家車充電，每天總共消耗電能3．4億kW·h，可替代20×104t石油［9］。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，90%以上的車輛有95%的時(shí)間處于停駛狀態(tài)，在用電高峰時(shí)，以每輛電動(dòng)汽車快速放電100 kW計(jì)，如果1個(gè)居民區(qū)內(nèi)有100輛電動(dòng)車同時(shí)放電，則可以解決1×104kW的電網(wǎng)負(fù)荷。而從花費(fèi)角度來(lái)看，假設(shè)用電高峰時(shí)電價(jià)約為峰谷時(shí)電價(jià)的2．2倍，那么考慮到電池的損耗(鋰電池可重復(fù)充放電1 000次左右)，V2H轉(zhuǎn)化的損耗，那么通常只要V2H系統(tǒng)本身的效率高于大約50%，就可以達(dá)到節(jié)約電能花費(fèi)的效果。

V2H系統(tǒng)可以用作應(yīng)急的備用電源。據(jù)調(diào)查，i－MiEV型號(hào)的電動(dòng)汽車已實(shí)現(xiàn)1 500 W的放電功率，其功用可為家庭電飯煲或微波爐充電。法國(guó)雷諾公司則表示，可行駛200 km的電動(dòng)汽車所使用的鋰電池所存儲(chǔ)的電能，可以供給普通家庭兩天的用電。從中可以發(fā)現(xiàn)V2H系統(tǒng)用于緊急供電的可行性。今年日本發(fā)生大地震后，核反應(yīng)堆發(fā)電的停用造成了日本嚴(yán)重的電力短缺，而根據(jù)兩大電動(dòng)汽車制造商尼桑和三菱的調(diào)查報(bào)告顯示，災(zāi)難的發(fā)生不僅促進(jìn)了電動(dòng)汽車的銷售，也凸顯了電動(dòng)汽車電池作為備用電力能源的地位［10］。同時(shí)，電動(dòng)汽車本身的可移動(dòng)性也使V2H系統(tǒng)具有了較強(qiáng)的靈活性。當(dāng)?shù)卣?，水?zāi)等造成電網(wǎng)大面積癱瘓時(shí)，將電動(dòng)汽車駛?cè)霝?zāi)區(qū)，或者利用災(zāi)區(qū)本身具有的V2H系統(tǒng)，可以為具有相應(yīng)V2H接口的民用、公用設(shè)施提供緊急供電，同時(shí)，也為緊急醫(yī)療服務(wù)提供了便利。

在V2H系統(tǒng)的未來(lái)建設(shè)中，可以在車庫(kù)等場(chǎng)所引入V2H系統(tǒng)的接口，可以更方便地進(jìn)行電動(dòng)汽車的充電放電;對(duì)于家庭用電設(shè)施的插座進(jìn)行IP編址，形成智能家庭電網(wǎng)，可以根據(jù)電動(dòng)汽車自身的放電容量，人為或智能地選擇單獨(dú)對(duì)某一設(shè)備進(jìn)行供電;而當(dāng)家庭無(wú)需用電而車輛又方便放電時(shí)，可以選擇將多余的電能回饋電網(wǎng)。另一方面，可以將多輛電動(dòng)汽車共同接入V2H系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電能的積少成多，共同為家庭或公共設(shè)施用電設(shè)備進(jìn)行供電。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，V2H系統(tǒng)可將節(jié)能減排的目標(biāo)落實(shí)到每輛汽車，將智能電網(wǎng)的規(guī)劃應(yīng)用到每個(gè)家庭，從近的效果來(lái)看有利于人民，從遠(yuǎn)的影響來(lái)看有利于國(guó)家。建議國(guó)家建立接口標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)的家庭V2H系統(tǒng)，以便為其未來(lái)的廣泛應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)及便利，并將V2H系統(tǒng)的研究及推廣正式納入國(guó)家科技發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略目標(biāo)和技術(shù)體系中，建立電動(dòng)汽車從智能快速充電，到節(jié)能環(huán)保使用，再到電能高效利用的有機(jī)整體。

［1］劉水發(fā)．中國(guó)新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略分析［J］．中國(guó)科技博覽，2009(31):252－253．

［2］陵龍．電動(dòng)汽車的V2G［J］．汽車與配件，2009(41):22－23．

［3］廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等．電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)［J］．汽車工程，2006，10(28):961－964．

［4］杜成剛，張華，李瑾，等．電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］．華東電力，2010，4(38):558－560．

［5］宋維庭，耿新民．基于PWM的電動(dòng)汽車V2G雙向充放電裝置研究［J］．電工技術(shù)，2011，7:9－10．

［6］廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等．電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)［J］．汽車工程，2006，10(28):961－964．

［7］滕樂(lè)天，何維國(guó)，杜成剛，．電動(dòng)汽車能源供給模式及其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的影響［J］．華東電力，2009(10):1675 －1677．

［8］Gareth Haines，Andrew McGordon and Paul Jennings．The simulation of Vehicle－to－Home System–Using Electric Vehicle Battery Storage to Smooth Domestic Electricity Demand［R］．EVER MONACO Ecological Vehicles ＆ Renewable Energies．2009 March 26－29．

［9］葉瑞克，歐萬(wàn)彬，呂琛榮，等．基于經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析的電動(dòng)汽車商業(yè)化模式研究［J］．未來(lái)與發(fā)展，2010，33(11):31－36．

［10］孫浩然．日本新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析［D］．吉林大學(xué)，東北亞研究院，2011．