充換電與新能源消納聯(lián)合運(yùn)行中電動(dòng)汽車狀態(tài)監(jiān)控的研究

熊 煒 王 凱 吳勝聰 鄒 宇 鮑 剛

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北宜昌 443002;3.三峽大學(xué) 新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002;4.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 欽州供電局,廣西 欽州 535000)

近年來(lái),世界各國(guó)逐步減少傳統(tǒng)燃油汽車的規(guī)模,促進(jìn)電動(dòng)汽車發(fā)展已達(dá)成共識(shí)[1].電動(dòng)汽車在無(wú)序充電狀態(tài)下,有可能導(dǎo)致電網(wǎng)容量不足,從而對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響.通過(guò)有效的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)手段引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶有序充換電,在不影響電動(dòng)汽車用戶使用的前提下,合理地分配電動(dòng)汽車的充電時(shí)間和充電地點(diǎn),不但可以降低對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷沖擊以及減少不必要的發(fā)電容量建設(shè)與電網(wǎng)建設(shè),還可以減小負(fù)荷峰谷差,提高電網(wǎng)運(yùn)行效益,使電動(dòng)汽車與電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展[2-3].另一方面,積極改變電力結(jié)構(gòu),增加新能源的開發(fā)使用.新能源分散性廣,具有很大的隨機(jī)性和間歇性,通過(guò)調(diào)度常規(guī)發(fā)電機(jī)組提高電網(wǎng)對(duì)其消納能力的空間有限.當(dāng)然前人在能源互補(bǔ)上[4],時(shí)空調(diào)度上[5],電網(wǎng)規(guī)劃上[6]都做了很多的研究提高新能源消納容量.分布式新能源既可以并入電網(wǎng),也可以以微網(wǎng)的方式運(yùn)行.而電動(dòng)汽車作為一種分布式儲(chǔ)能元件,充分利用電動(dòng)汽車充電與分布式能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)特性,對(duì)于擴(kuò)大電力終端用電市場(chǎng),降低需求側(cè)峰谷差,提高電力供需平衡和電力設(shè)備負(fù)荷效率,改善電網(wǎng)的負(fù)荷特性,減少為維持電網(wǎng)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的調(diào)峰費(fèi)用等,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.在此基礎(chǔ)上,研究電動(dòng)汽車充換電平臺(tái),前期工作就是研究對(duì)電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè),為后期的平臺(tái)建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)量規(guī)劃,配送站規(guī)劃,換電站規(guī)劃,物流規(guī)劃,新能源聯(lián)合優(yōu)化消納.

1 電動(dòng)汽車充換電與新能源消納聯(lián)合運(yùn)行

電動(dòng)汽車與新能源消納聯(lián)合運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)需要綜合平臺(tái)的建設(shè).平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)包含3個(gè)部分:電動(dòng)汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè);云數(shù)據(jù)綜合服務(wù)系統(tǒng);客戶終端APP.如圖1所示.

電動(dòng)汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)初步研究實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)采集:動(dòng)力電池實(shí)時(shí)電壓和實(shí)時(shí)位置,并且在緊急情況下的遠(yuǎn)程斷電控制.動(dòng)力電池實(shí)時(shí)電壓的采集目的是采用較高性價(jià)比的方法監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的實(shí)時(shí)電量,從而為電動(dòng)汽車充換電的時(shí)間調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).實(shí)時(shí)位置為經(jīng)緯度,為電動(dòng)汽車充換電的空間調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

圖1 電動(dòng)汽車充換電與新能源消納聯(lián)合運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

綜合處理及服務(wù)系統(tǒng)對(duì)于采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析交換,其采集的數(shù)據(jù)不僅包含電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),同時(shí)包含風(fēng)光能源的儲(chǔ)能數(shù)據(jù).風(fēng)光分布式電源的電量采集數(shù)據(jù)可直接通過(guò)電網(wǎng)的營(yíng)銷系統(tǒng),各分布式電源均有電能計(jì)量裝置,數(shù)據(jù)上傳至營(yíng)銷系統(tǒng),所以可在營(yíng)銷系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中直接讀取采集分布式電源的電能基礎(chǔ)數(shù)據(jù).并且建立時(shí)間空間上的目標(biāo)函數(shù)與約束條件,進(jìn)行有序調(diào)度.客戶終端APP讓終端用戶方便查看車輛及充換點(diǎn)的相關(guān)信息、實(shí)時(shí)充電的成本信息和推薦信息.

2 電動(dòng)汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作原理

2.1 動(dòng)力電池實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)

蓄電池是各類電動(dòng)汽車中最常用的儲(chǔ)能元件,其剩余電量的精確測(cè)量在電動(dòng)汽車的發(fā)展中一直是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題,因?yàn)橹挥袑?duì)電池剩余電量進(jìn)行精確測(cè)量才能使駕駛員及時(shí)掌握正確的信息,預(yù)測(cè)自己的后續(xù)行駛里程,并及時(shí)進(jìn)行充電.因此很有必要對(duì)電動(dòng)汽車電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),這樣就可以讓車主對(duì)電池剩余電量有了充分的了解,大大提高了電動(dòng)汽車的實(shí)用性.

運(yùn)用霍爾電壓傳感器采集電動(dòng)汽車電池的電壓信息,因電動(dòng)汽車電池電壓可以看作是電池SOC(荷電狀態(tài))的表征量,故可將采集到的電壓轉(zhuǎn)換成電池SOC,即電池電量.

霍爾電壓傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器.如圖2所示,霍爾電壓傳感器主要包括初級(jí)線圈、磁環(huán)、次級(jí)線圈、放大電路及與初級(jí)線圈串聯(lián)的限流電阻Rm.拋開限流電阻Rm,剩余部分相當(dāng)于一個(gè)閉環(huán)霍爾電流傳感器.

圖2 閉環(huán)霍爾電壓傳感器結(jié)構(gòu)圖

采用CHV-25P/400霍爾電壓傳感器.閉環(huán)霍爾電壓傳感器的輸入與輸出具有良好的線性關(guān)系(線性度為0.1%),且被測(cè)電壓為額定電壓400 V時(shí),輸出電壓為5V,由此可得輸入電壓Vi與輸出電壓Vo的關(guān)系為Vi=80Vo(1)

在原邊電壓輸入加上被測(cè)電壓,經(jīng)過(guò)閉環(huán)霍爾電壓傳感器,在輸出端使用單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換采集輸出端電壓,經(jīng)過(guò)換算得出被測(cè)電壓大小.

2.2 電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)位置檢測(cè)

在電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中,直流電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的電壓,并將收集到的數(shù)據(jù)信息以RS485通信方式傳遞到中央處理單元.同時(shí)GPS定位模塊將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)傳到中央處理單元,另外預(yù)留一路R485作為功能擴(kuò)展.無(wú)線通訊模塊將中央處理單元處理所得的電壓值與GPS定位信息通過(guò)GSM短信和GPRS通訊方式上傳至服務(wù)器中.服務(wù)器和終端手機(jī)一方面收集電壓和位置數(shù)據(jù),另一方面也可通過(guò)指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制繼電器開合.同時(shí)也添加了一個(gè)LCD屏和一個(gè)按鍵,可以即時(shí)采集電壓和位置信息并且顯示,便于測(cè)試,如圖3所示.

圖3 在線監(jiān)測(cè)功能結(jié)構(gòu)圖

實(shí)圖中開發(fā)板接線柱7個(gè)端子,含繼電器接口,RS485端子和供電端子.含一路繼電器,1個(gè)手機(jī)卡槽,GPS天線和手機(jī)天線接線柱,屏幕接線和按鍵,遠(yuǎn)程通訊模塊和中央處理單元,如圖4所示.

圖4 實(shí)物圖

在位置監(jiān)測(cè)中,暫未考慮地下車庫(kù)等情況的定位.后期根據(jù)需要,研究室內(nèi)WIFI輔助定位.

3 電動(dòng)汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)試環(huán)境

兩臺(tái)雙路直流電源,1張SIM卡.兩臺(tái)直流電源其中一臺(tái)作為供電,一路供電給電路板,一路供電給直流電壓采集器.均為12 V.另一臺(tái)直流電源接到直流電壓采集器上,作為輸入電壓測(cè)試用.

參數(shù)設(shè)置如圖5所示,設(shè)置數(shù)據(jù)上傳手機(jī)時(shí)間間隔為1 min;設(shè)置授權(quán)手機(jī)號(hào)碼;設(shè)置繼電器的開關(guān)指令為“設(shè)備1開”“設(shè)備1關(guān)”;由于室內(nèi)信號(hào)不好,容易使GPS定位不準(zhǔn)確,故采用了外接長(zhǎng)GPS天線.電壓和位置信號(hào)同步傳至服務(wù)器的時(shí)間間隔為固定500 ms.

圖5 參數(shù)設(shè)置

因設(shè)置1 min發(fā)送一次采集數(shù)據(jù),所以每隔1 min發(fā)一條短信到目的地手機(jī),信息內(nèi)容為電壓和地理經(jīng)緯度,測(cè)試結(jié)果如圖6所示.并且每隔500 ms,電壓和位置經(jīng)緯度信息發(fā)送到服務(wù)器,在服務(wù)器中的信息管理系統(tǒng)中標(biāo)注在地圖中.電壓信號(hào)因?yàn)榉祷刂禐榧拇嫫鞣祷氐碾娮柚?根據(jù)公式(2)

圖6 測(cè)試結(jié)果

換算為真實(shí)測(cè)量電壓值,該直流電壓傳感器最大可測(cè)量電壓為300 V,所以真實(shí)電壓為1 028×300×0.000 1=30.84 V,后期也將在服務(wù)器系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),顯示實(shí)測(cè)電壓值.手機(jī)發(fā)送指令“設(shè)備1開”,繼電器動(dòng)作聲音傳出.手機(jī)發(fā)送指令“設(shè)備1關(guān)”,繼電器動(dòng)作聲音傳出.

遠(yuǎn)程繼電器為預(yù)留功能接口.根據(jù)需求方要求,可實(shí)現(xiàn)特殊情況下的電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程斷電,遠(yuǎn)程開關(guān)空調(diào),遠(yuǎn)程開關(guān)后備箱收發(fā)快遞.

4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的通用性及擴(kuò)展性

通過(guò)RS485口可以連接各種傳感器進(jìn)行工業(yè),體育,電氣方面的應(yīng)用.如可以接入投入式液位傳感器,進(jìn)行水桶,廢油桶的定位及液位實(shí)施監(jiān)測(cè).可以接入加速度傳感器,裝在體育背心上,作為運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)步數(shù)的監(jiān)測(cè)等等.在電動(dòng)汽車狀態(tài)監(jiān)測(cè)中采集的電壓數(shù)據(jù)沒有直接換算,而是考慮將數(shù)據(jù)最終傳至綜合服務(wù)平臺(tái)服務(wù)器中進(jìn)行換算和分析,同樣是為了保持其在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)通用性.

圖7 擴(kuò)展及通用性

綜合服務(wù)平臺(tái)將采集的數(shù)據(jù)結(jié)合地圖信息系統(tǒng),形象地展示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和狀態(tài).在數(shù)據(jù)中,通過(guò)電壓判斷動(dòng)力電池電量,通過(guò)新能源的電能計(jì)量數(shù)據(jù)判斷所需消納新能源總量.結(jié)合距離約束條件,電價(jià)的靈敏性調(diào)節(jié),有序調(diào)度電動(dòng)汽車充電.

5 結(jié) 論

電動(dòng)汽車的充電具有隨機(jī)性,可調(diào)節(jié)性,分布性的特點(diǎn).新能源同樣具有隨機(jī)性和分布式的特點(diǎn).二者規(guī)?；l(fā)展后,一方面電動(dòng)汽車的無(wú)序性將帶來(lái)電網(wǎng)短時(shí)間內(nèi)的功率不平衡,負(fù)荷波動(dòng)大,另一方面,新能源消納存在困難.通過(guò)電動(dòng)汽車和新能源消納聯(lián)合運(yùn)行,優(yōu)化能源配置.則以大數(shù)據(jù)的采集為前提,有如下研究:1)通過(guò)綜合服務(wù)平臺(tái)有序調(diào)度電動(dòng)汽車,對(duì)接新能源,盡量就地消納;2)對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè),獲得動(dòng)力電池狀態(tài)和電動(dòng)汽車的實(shí)時(shí)位置,方便時(shí)間和空間上的調(diào)度;3)研究中充分考慮狀態(tài)監(jiān)測(cè)的通用性和擴(kuò)展性.

后期將進(jìn)一步研究電動(dòng)汽車調(diào)度的多目標(biāo)函數(shù)和約束條件,以空間電價(jià)和時(shí)間電價(jià)為手段引導(dǎo),完善綜合服務(wù)平臺(tái)的服務(wù)器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù).