儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站研究進(jìn)展

朱金衛(wèi)， 鄭正仙，2， 蘇 芳 ， 蔣燕萍 ，2， 周 斌

（1.杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州 310052；2.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站研究進(jìn)展

朱金衛(wèi)1， 鄭正仙1，2， 蘇 芳1， 蔣燕萍1，2， 周 斌1

（1.杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州 310052；2.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

電動(dòng)汽車作為重要的用電側(cè)用能群體，在智能電網(wǎng)研究領(lǐng)域有非常重要的意義。儲(chǔ)能環(huán)節(jié)接入電力系統(tǒng)后，可以通過有效的需求側(cè)管理，進(jìn)一步降低甚至消除晝夜間峰谷差，平衡電動(dòng)汽車等大規(guī)模集群負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的沖擊和影響，同時(shí)還能降低供用電成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性?；诖耍瑢?duì)近年來電動(dòng)汽車儲(chǔ)能型充電站的發(fā)展進(jìn)程、電動(dòng)汽車儲(chǔ)能型充電站的主要組成部分等研究進(jìn)行了重點(diǎn)綜述與展望。

電動(dòng)汽車；充電站；儲(chǔ)能；發(fā)展；綜述

1 國內(nèi)外電動(dòng)汽車儲(chǔ)能型充電站建設(shè)現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車及其配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力、電信等部門的重視，電動(dòng)汽車儲(chǔ)能型充電站的發(fā)展也是日新月異。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀[1-2]

歐美和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展高度重視，從汽車技術(shù)變革到產(chǎn)業(yè)升級(jí)，制定了一系列的優(yōu)惠政策措施，推動(dòng)本國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)和充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

在新能源汽車的技術(shù)研發(fā)和扶持政策方面，美國一直走在世界前列。早在2013年，美國就在圣地亞哥國際機(jī)場部署了太陽能遮陰停車場試驗(yàn)，并獲得成功，這是由美國發(fā)明、設(shè)計(jì)并且制造成功的世界首個(gè)光伏發(fā)電站。

日本電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起步較早，發(fā)展較快。在1992—2001年，日本政府投入172億日元用于電力儲(chǔ)存技術(shù)項(xiàng)目的開發(fā)，并計(jì)劃到2020年建成5 000座快速充電站與200萬個(gè)充電樁。

同時(shí)，歐洲國家對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施尤其是充電站的建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行。截至2015年底，全球充電設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀如表1所示。

表1 全球充電設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，我國加快了充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐。截至2015年底，全國已累計(jì)建成充換電站3 600座，交直流充電樁4.9萬個(gè)，為超過30萬輛電動(dòng)汽車提供充換電服務(wù)。但目前電動(dòng)汽車發(fā)展迅猛，充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量仍然不能滿足日益增長的充電需求，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后。從2014年至今，國家相關(guān)部門已經(jīng)陸續(xù)出臺(tái)了一系列支持充電設(shè)施建設(shè)的政策和標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，以進(jìn)一步改善目前的困境[5]。

在新能源的建設(shè)和推廣方面，通過政策引導(dǎo)和示范效應(yīng)，我國取得了一些可喜的成績。新能源汽車產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，我國充放儲(chǔ)一體化充電站投資規(guī)模達(dá)到11.5億元左右，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到103.7億元。目前我國已投入運(yùn)營的充放儲(chǔ)一體化電動(dòng)汽車充電站主要有：2011年8月投入運(yùn)行的青島薛家島電動(dòng)汽車充換放儲(chǔ)一體化示范電站[6]，2015年1月建成投入使用的上海嘉定安亭集中充換放儲(chǔ)一體化電站，2015年6月投入運(yùn)行的青海海北光儲(chǔ)一體化電動(dòng)汽車充電站。

2 儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站的研究

儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站主要包括：充電樁、儲(chǔ)能裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)控制策略等。儲(chǔ)能型充電站作為一個(gè)系統(tǒng)性工程，許多學(xué)者在此方面開展了很多卓有成效的工作。賈龍等[7]通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電站與配電網(wǎng)擴(kuò)展的聯(lián)合規(guī)劃的研究，分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響因素，建立相應(yīng)的聯(lián)合規(guī)劃模型。研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車充電站和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)接入可以延緩配電網(wǎng)的投資，降低配電網(wǎng)規(guī)劃的成本。劉寶其[8]通過對(duì)充放儲(chǔ)一體化電站內(nèi)PCS（功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)）并網(wǎng)運(yùn)行控制策略、孤島運(yùn)行控制策略、并聯(lián)式PCS的功率分配策略及環(huán)流抑制方法、并聯(lián)式PCS的孤島檢測(cè)技術(shù)的研究，解決了充放儲(chǔ)一體化電站內(nèi)功率的能量變換和控制中存在的問題。

目前，國內(nèi)外電動(dòng)汽車充電站領(lǐng)域開展了諸多研究，但儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站整體處于初步發(fā)展階段，還要加強(qiáng)在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)、充放電安全預(yù)警系統(tǒng)等建設(shè)，為充電站規(guī)劃、管理、數(shù)據(jù)、安全等提供全方位支持。此外，深入研究充電站儲(chǔ)能的不同實(shí)現(xiàn)方式，充電站、儲(chǔ)能裝置與可再生能源集成等都是今后研究的重點(diǎn)。

2.1 充電樁

目前儲(chǔ)能型充電站以直流充電樁為主。直流充電樁作為充電站給電動(dòng)汽車能量輸出的重要載體，安裝在電動(dòng)汽車車體外，采用傳導(dǎo)方式，為電動(dòng)汽車提供電源。直流充電樁一般采用三相四線制或三相三線制供電，輸出的電壓和電流可調(diào)范圍大，充電時(shí)間從10 min到1 h不等，滿足緊急續(xù)航的需求。

在充電樁研究方面，段明亮等[9]設(shè)計(jì)了一種儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁，在充放電控制上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，并且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。張商州等[10]設(shè)計(jì)了一套基于DSP的儲(chǔ)能式電動(dòng)汽車充電樁模擬裝置，通過儲(chǔ)能式充電樁的總體結(jié)構(gòu)、軟/硬件系統(tǒng)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證傳統(tǒng)充電樁的功能下，可以有效降低對(duì)電網(wǎng)的功率要求。

直流充電樁未來將圍繞用戶需求，進(jìn)一步提高充電樁的可靠性和便利性，進(jìn)行功能優(yōu)化，提升直流充電樁品質(zhì)?？s小充電樁的尺寸和體積，實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)和安裝，降低對(duì)安裝地點(diǎn)的場地要求。

2.2 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置是儲(chǔ)能型充電站的關(guān)鍵組成部分。隨著大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是近幾年電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，該技術(shù)逐漸被應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，建設(shè)相應(yīng)儲(chǔ)能裝置和系統(tǒng)可以顯著緩沖對(duì)電網(wǎng)的沖擊負(fù)荷，減輕輸配電網(wǎng)系統(tǒng)阻塞，實(shí)現(xiàn)低儲(chǔ)高發(fā)獲利。

儲(chǔ)能裝置已經(jīng)在電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)、熱備用和分布式發(fā)電等領(lǐng)域得到應(yīng)用。趙梟梟[11]分析將電動(dòng)汽車作為移動(dòng)儲(chǔ)能單元微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特征，搭建充電站微電網(wǎng)仿真模型，制定了相應(yīng)的繼電保護(hù)方案。張穎達(dá)等[12]綜合考慮了風(fēng)光系統(tǒng)、充放電機(jī)和動(dòng)力電池的影響，對(duì)電動(dòng)汽車充電站的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量優(yōu)化進(jìn)行配置。黃騰[13]分析了儲(chǔ)能電站接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性、電壓及調(diào)峰、電能質(zhì)量等方面的影響，研究了儲(chǔ)能電站對(duì)配電網(wǎng)潮流和調(diào)壓的作用。

儲(chǔ)能裝置未來將有針對(duì)性地對(duì)即將退役的動(dòng)力電池，通過篩選、分裝、重組等方式，組建不同能量等級(jí)的儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的梯次利用。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于儲(chǔ)能型充電站的安全運(yùn)營，監(jiān)控系統(tǒng)必不可少。電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)主要通過對(duì)充電樁的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，充電站配電設(shè)備狀態(tài)、電動(dòng)汽車充電過程中參數(shù)和狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以及將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至充電站監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)充電過程的全過程監(jiān)控和管理。

楊新華等[14]對(duì)光伏儲(chǔ)能電動(dòng)汽車充電站的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立了基于ZigBee和4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)汽車光伏儲(chǔ)能充電站的在線監(jiān)控系統(tǒng)。胡勇等[15]以IEC 61970/61850系列標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)前提，建立了汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)及相關(guān)模型，并實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)智能電子設(shè)備信息集成以及系統(tǒng)方案的應(yīng)用。

通信軟件是電動(dòng)汽車儲(chǔ)能型充電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，唐明等[16]使用UML和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)通信軟件。

硬件設(shè)計(jì)方面，朱帥[17]根據(jù)用戶反饋的電動(dòng)汽車充電站充電時(shí)間過長的問題，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的分布式電動(dòng)汽車充電站控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)總體方案優(yōu)化合理設(shè)計(jì)，達(dá)到了快速充電的目的。

國內(nèi)外學(xué)者在充電站監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能及關(guān)鍵技術(shù)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件實(shí)現(xiàn)等方面做了深入研究，但在電動(dòng)汽車通信協(xié)議和通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化等方面還處在初步研究階段，有的甚至還是空白，這將是未來研究的重點(diǎn)。

2.4 系統(tǒng)控制策略

作為儲(chǔ)能型充電站的核心之一，系統(tǒng)控制在快充站中起著關(guān)鍵作用。國內(nèi)外對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的研究工作主要集中在儲(chǔ)能系統(tǒng)的電網(wǎng)層控制策略、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能變流器的電流層控制策略、儲(chǔ)能機(jī)組的能量層控制、儲(chǔ)能機(jī)組的功率層控制策略等方面[18]。

周念成等[19]研究了含儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)的電動(dòng)汽車快速充電站結(jié)構(gòu)，結(jié)合電動(dòng)汽車快速充電功率特性、快充站的脈沖功率充電對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響，有針對(duì)性地提出了充電站中儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)的控制策略，解決了儲(chǔ)能緩沖系統(tǒng)自動(dòng)電流補(bǔ)償和低功率慢速充電切換的問題。程啟明等[20]介紹了混合光儲(chǔ)式充電站直流微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)在維持直流微網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定和提高微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益方面的意義。通過混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制、直流母線電壓分層控制，實(shí)現(xiàn)新能源的入網(wǎng)和就地消納，以及電動(dòng)汽車和電網(wǎng)之間的互動(dòng)。

此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善充換電站負(fù)荷穩(wěn)定性上有非常明顯的作用。黃梅等[21]提出了考慮負(fù)荷平抑和用電經(jīng)濟(jì)性雙重目標(biāo)下的儲(chǔ)能系統(tǒng)出力優(yōu)化策略，充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用。

未來的儲(chǔ)能型充電站在系統(tǒng)控制策略方面需要具備較強(qiáng)的功率調(diào)節(jié)能力，以及能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流補(bǔ)償和低功率慢速充電的切換，并實(shí)現(xiàn)單向或雙向車輛到電網(wǎng)的技術(shù)。此外，針對(duì)儲(chǔ)能裝置容量和規(guī)模的大型化需求，建立和完善與之適應(yīng)的充放電控制策略，同時(shí)深入研究儲(chǔ)能裝置、配電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制策略。

3 儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站展望

縱觀國內(nèi)外儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站的發(fā)展，結(jié)合我國的國情，儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站今后有可能在以下兩方面有新的發(fā)展：

（1）綜合利用退役動(dòng)力電池，實(shí)現(xiàn)梯次利用。

隨著動(dòng)力電池在車輛上的長期使用，電池性能呈現(xiàn)規(guī)律性的衰減，此時(shí)的電池已不適應(yīng)在車輛上繼續(xù)使用，電池殘存80%左右的容量，經(jīng)過更換、整修、重組的方式可以在其他領(lǐng)域使用，實(shí)現(xiàn)二次利用。通過動(dòng)力電池的梯次利用，能夠有效緩解大量電池進(jìn)入回收階段所產(chǎn)生大量壓力的問題。進(jìn)一步發(fā)揮鋰電池的容量價(jià)值，分?jǐn)傠妱?dòng)汽車消費(fèi)者的使用成本，更好地培養(yǎng)和推廣電動(dòng)汽車市場。

（2）采用直流母線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

針對(duì)目前公共充電站的供電系統(tǒng)母線結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)有儲(chǔ)能快充站存在設(shè)備利用率低、體積大、建站成本高、對(duì)電網(wǎng)存在沖擊等問題，可以研究基于公共直流母線的儲(chǔ)能快充站典型主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)仿真模型，從系統(tǒng)運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等多個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估分析，提出建設(shè)大容量、寬范圍、高效能的適合于公共充電站的通用型直流快充設(shè)備的主電路方案。

4 結(jié)語

目前，電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期，儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站作為重要的能源補(bǔ)給形式之一，未來將發(fā)揮日益顯著的作用。此文通過對(duì)國內(nèi)外儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站現(xiàn)狀的介紹，以及對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置、控制策略、充電樁的分析，提出儲(chǔ)能型電動(dòng)汽車充電站未來可能發(fā)展的方向，為將來電動(dòng)汽車充電體系的建設(shè)提供思路。

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2017-07-30

朱金衛(wèi)（1983），男，工程師，主要從事動(dòng)力電池研究工作。

（本文編輯：徐 晗）

Research on the Development of Electric Vehicle Charging Station with Energy Storage

ZHU Jinwei1， ZHENG Zhengxian1，2， SU fang1， JIANG Yanping1，2， ZHOU Bin1
（1.Hangzhou Dayou Science and Technology Development Co.， Ltd.， Hangzhou 310052， China；2.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

As a key energy consumption group at power consumption side，electric vehicles take a significant part in research areas of smart grid.With the integration of storage links with power system，the peak valley difference during the day and night can further be reduced by effective demand side management to balance the impact and effect of the clustered loads like electric vehicles on power grid； in the meantime， the power supply and consumption cost can both be reduced to improve operation stability.Therefore，this paper summarizes and forecasts the research on key components of electric vehicle charging station with energy storage.

electric vehicle； charging station； energy storage； development； summarize

10.19585/j.zjdl.201710002

1007-1881（2017）10-0007-04

TM910.6

A

國網(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目（5211HZ15018V）