電動(dòng)汽車智能群充系統(tǒng)充電控制策略綜述

張亞萍，吳 冬，田振清，宋 波

（天津平高智能電氣有限公司，天津 300300）

0 引 言

隨著電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車群的研究成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。為了將電動(dòng)汽車極限充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的沖擊降到最低，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，提高大規(guī)模電動(dòng)汽車群的充電效率，必須采取合理有效的充電控制策略。歐美對(duì)電動(dòng)汽車群充系統(tǒng)有較深入的研究，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，處于領(lǐng)先地位。例如，美國(guó)特斯拉公司研制的250 kW群充電系統(tǒng)及Fastned公司研制的350 kW群充電系統(tǒng)。中國(guó)正在逐步趕上，像特來(lái)電已研制出360 kW的群充電系統(tǒng)，最大電流可達(dá)到600 A。本文在對(duì)現(xiàn)有的群充電系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，總結(jié)歸納群充電系統(tǒng)各種控制策略的應(yīng)用范圍和使用特點(diǎn)。

1 群充電系統(tǒng)控制策略分類

引入群充電系統(tǒng)的目的是在不影響電網(wǎng)質(zhì)量的前提下提高大規(guī)模電動(dòng)汽車的充電效率。因此，充電控制策略包可提升充電功率和減少充電時(shí)間。但是，由于充電模塊因電力電子器件自身的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率提升。提升充電功率涉及多個(gè)充電模塊并聯(lián)，需要對(duì)多個(gè)充電模塊進(jìn)行均衡控制，因此群充電系統(tǒng)控制策略涉及充電時(shí)段分配和功率控制。其中，充電時(shí)段分配可分為直接控制充電負(fù)荷法和引導(dǎo)充電負(fù)荷法。直接控制充電負(fù)荷法可按照充電優(yōu)化目標(biāo)與研究對(duì)象不同分為基于電網(wǎng)參數(shù)的控制策略、基于用戶需求的控制策略和基于充電模塊的控制策略；充電功率控制可以分為平均分配控制策略、按需分配控制策略和主動(dòng)柔性分配策略。

2 群充電系統(tǒng)充電時(shí)段分配策略

2.1 直接控制負(fù)荷法

直接控制負(fù)荷法是通過(guò)一些控制策略對(duì)充電負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化分配，以達(dá)到既降低對(duì)電網(wǎng)的影響又實(shí)現(xiàn)充電需求的目的。

2.1.1 基于電網(wǎng)參數(shù)的控制策略

基于電網(wǎng)參數(shù)的控制策略是以電網(wǎng)的損耗、負(fù)載率和負(fù)荷變化率等參數(shù)為目標(biāo)，建立充電模型，合理優(yōu)化電動(dòng)汽車充電順序，在實(shí)現(xiàn)充電要求的前提下達(dá)到降低配電網(wǎng)損耗的目的。

文獻(xiàn)[1]是以電網(wǎng)多時(shí)段總損耗及電壓越界之和最小作為最優(yōu)目標(biāo)，保證電動(dòng)汽車電池充滿及滿足潮流約束作為等式約束條件，利用最優(yōu)算法計(jì)算電動(dòng)汽車各時(shí)段的可充功率。這種方法可以在滿足用戶充電需求的條件下，令電網(wǎng)負(fù)荷曲線平滑，減少電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響，降低電網(wǎng)損耗。

文獻(xiàn)[2]是以電網(wǎng)的負(fù)荷變化方差、負(fù)載率以及饋線損耗為優(yōu)化目標(biāo)建立有序充電模型，仿真驗(yàn)證表明可以提高計(jì)算速度、降低配電網(wǎng)損耗。

2.1.2 基于用戶需求的控制策略

基于用戶需求的控制策略是充分考慮不同種類電動(dòng)汽車用戶的行駛需求，以用戶滿意度最大為優(yōu)化目標(biāo)，在保證電網(wǎng)的安全性前提下抑制負(fù)荷波動(dòng)。

文獻(xiàn)[3-4]根據(jù)用戶的出行起始時(shí)刻、出行結(jié)束時(shí)刻、充電時(shí)長(zhǎng)需求以及充電最大時(shí)延4個(gè)判別量建立電動(dòng)汽車群調(diào)度策略，可根據(jù)電動(dòng)汽車實(shí)際入網(wǎng)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行充電控制，進(jìn)而保證用戶的出行需求。

文獻(xiàn)[5]將不同行駛習(xí)慣的用戶分類并建立差異化模型，由模型得出對(duì)用戶友好的充放電時(shí)段，并以一天各區(qū)域充放電功率需求值作為目標(biāo)函數(shù)，將多時(shí)段潮流、節(jié)點(diǎn)電壓偏移量、線路潮流以及谷峰差作為約束條件，得到用戶有限的控制策略。但是，該策略屬于宏觀層面，并不是針對(duì)具體的充電群。

2.1.3 基于充電模塊的控制策略

基于充電模塊的控制策略原理是根據(jù)電動(dòng)汽車電池的特性和充電模塊的使用性能設(shè)計(jì)出既可滿足電動(dòng)汽車充電需求又可滿足充電模塊負(fù)載率的要求，提高充電模塊的使用壽命。

文獻(xiàn)[6]根據(jù)磷酸鐵鋰電池特性及馬斯曲線提出多段式變電流間歇充電方法與電池荷電狀態(tài)估計(jì)結(jié)合的控制策略，采用主充電模塊與從充電模塊共同控制的方式，其中主充電模塊采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，把充電機(jī)輸出電流作為反饋量，設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)控制器，對(duì)電池組進(jìn)行恒流充電；把充電機(jī)輸出電壓作為反饋量與均流充電參考值、恒壓充電參考值、并聯(lián)模塊優(yōu)化算法得出的參考值共同構(gòu)成電壓外環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)充電模塊的協(xié)調(diào)控制；從充電模塊采用電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，主模塊將電壓控制器的控制量發(fā)給從充電模塊。

2.2 引導(dǎo)控制負(fù)荷法

引導(dǎo)控制負(fù)荷法是通過(guò)制定充電電價(jià)對(duì)充電用戶進(jìn)行引導(dǎo)，讓用戶主動(dòng)選擇對(duì)電網(wǎng)友好的充電時(shí)間。

文獻(xiàn)[7]以用戶充電成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，將用電區(qū)域按用電用戶不同進(jìn)行分類，建立電動(dòng)汽車用戶響應(yīng)量對(duì)區(qū)域分時(shí)電價(jià)的響應(yīng)關(guān)系，最終建立最優(yōu)區(qū)域分時(shí)電價(jià)的計(jì)算模型。仿真結(jié)果表示，這個(gè)計(jì)算模型可以降低充電用戶成本，有效引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶進(jìn)行有序充電。

3 群充電系統(tǒng)充電功率控制策略

3.1 平均分配控制策略

充電功率平均分配控制策略即現(xiàn)下最常見(jiàn)的充電站使用的控制策略。每個(gè)充電站有N個(gè)充電樁，每個(gè)充電站按照實(shí)際輸入的總功率平均分配到每個(gè)充電樁，繼而控制每個(gè)充電樁的充電過(guò)程。不考慮不同電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能容量不同，每個(gè)電動(dòng)汽車都是即插即走的方式，適合充電請(qǐng)求不是很頻繁的區(qū)域，否則易出現(xiàn)電動(dòng)汽車需求功率低時(shí)充電樁設(shè)備利用率低的問(wèn)題。

3.2 按需分配控制策略

按需分配控制策略是根據(jù)充電需求實(shí)時(shí)分配充電功率。廣東興國(guó)新能源科技有限公司提出的充電站運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)線性分配充電功率。系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)充電站的實(shí)際輸入功率，根據(jù)有充電需求的電動(dòng)汽車的BMS信息了解電動(dòng)汽車實(shí)際需要，繼而根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際輸入功率分配給需要充電的電動(dòng)汽車，以提高電動(dòng)汽車的充電效率。

3.3 主動(dòng)柔性分配控制策略

主動(dòng)柔性分配控制策略即選取高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和智能監(jiān)控技術(shù)，通過(guò)采取電網(wǎng)負(fù)荷、待充電數(shù)量、待充電電池荷電狀態(tài)以及充電的時(shí)間需求，根據(jù)多維度數(shù)據(jù)分析計(jì)算動(dòng)態(tài)分配充電功率。

文獻(xiàn)[8]提出的CMS主動(dòng)柔性智能充電系統(tǒng)采用基于多維度數(shù)據(jù)分析的充電策略，以充電用戶為基數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得出動(dòng)態(tài)的柔性電流曲線，提高了動(dòng)力電池的使用壽命。

深圳奧特迅電力設(shè)備有限公司為了滿足社會(huì)各類電動(dòng)汽車的充電需求，提出了柔性充電堆技術(shù)。該技術(shù)以功率單元矩陣控制器為核心，將總的輸入功率分為固定功率區(qū)域和動(dòng)態(tài)功率區(qū)域。充電終端將檢測(cè)到的電動(dòng)汽車充電功率需求與對(duì)應(yīng)的固定功率區(qū)的模塊總功率進(jìn)行比較，若小于固定總功率則分配需求功率，若大于固定總功率則在輸出固定總功率的同時(shí)分配動(dòng)態(tài)區(qū)域的功率來(lái)滿足充電需求。這種充電控制策略提高了充電設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備利用率，能夠適應(yīng)車載電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

電動(dòng)汽車智能群充系統(tǒng)可以在滿足電動(dòng)汽車用戶充電的同時(shí)，把對(duì)電網(wǎng)的影響降到最低，提高充電設(shè)備的利用率和充電設(shè)備的使用壽命。但是，目前有些控制策略仍處于宏觀調(diào)控范圍，并沒(méi)有具體到每一個(gè)充電汽車群，或者優(yōu)化目標(biāo)較為單一，要么僅僅考慮電網(wǎng)側(cè)沒(méi)有考慮用戶群，要么僅僅考慮充電設(shè)施，可以在進(jìn)一步考慮、優(yōu)化發(fā)展。