車網(wǎng)互動下電動汽車的智能充電控制

摘 要：智能充電控制能夠優(yōu)化電網(wǎng)負(fù)荷，特別是在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期間。V2G技術(shù)允許電動汽車在非高峰時(shí)段存儲電能，并在電網(wǎng)需要時(shí)釋放這些電能。通過在非高峰時(shí)段為電動汽車充電，可以減少電網(wǎng)壓力，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率。本文詳細(xì)探討了車聯(lián)網(wǎng)下電動汽車的智能充電控制問題。通過使用V2G技術(shù)，對電動汽車充電和放電裝置中變流器的運(yùn)行機(jī)理以及電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)進(jìn)行分析，并提出智能充電控制的“虛擬電池”開發(fā)。研究中實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)的供需狀態(tài)，預(yù)測電動汽車的充電需求。通過這種方式，車網(wǎng)互動下的智能充電控制不僅能夠優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，提高能源效率，還能為電動汽車用戶提供更好的使用體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：車網(wǎng)互動 智能充電控制 電動汽車 實(shí)時(shí)監(jiān)測

0 引言

車網(wǎng)互動技術(shù)是電動汽車與電網(wǎng)之間進(jìn)行能量和信息雙向互動的一種新型電網(wǎng)技術(shù)。近年來，隨著電動汽車數(shù)量的迅速增加，車網(wǎng)互動技術(shù)已成為電動汽車與電力系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。這一技術(shù)能夠有效緩解電動汽車大規(guī)模無序接入電網(wǎng)會導(dǎo)致峰谷差增大，電能質(zhì)量下降，以及增加電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化控制的難度等問題，同時(shí)起到削峰填谷、平抑可再生能源的作用。根據(jù)國家發(fā)展改革委等部門印發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步提升電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見》，鼓勵(lì)推廣智能有序充電，加快車網(wǎng)互動技術(shù)創(chuàng)新、試驗(yàn)測試與標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)[1]。到2025年，中國已初步建立了車網(wǎng)互動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，充電峰谷電價(jià)機(jī)制全面實(shí)施并不斷優(yōu)化，市場機(jī)制建設(shè)也取得了重要進(jìn)展。預(yù)計(jì)到2030年，車網(wǎng)互動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系將得到進(jìn)一步完善，市場機(jī)制將更加健全，車網(wǎng)互動技術(shù)將實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，智能有序充電將得到全面推廣，新能源汽車將在電化學(xué)儲能體系中扮演重要角色。

1 電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)分析

電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分包括電動汽車（EV）、充電基礎(chǔ)設(shè)施、電網(wǎng)管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及用戶界面[2]。電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)圖如圖1所示：

電動汽車（EV）作為能量存儲單元，電動汽車的電池可以在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)向電網(wǎng)供電，而在負(fù)荷低谷時(shí)充電。充電基礎(chǔ)設(shè)施包括充電樁、充電站等，需要支持雙向充電，即充電和放電。充電基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)具備智能控制功能，能夠根據(jù)電網(wǎng)需求和EV狀態(tài)自動調(diào)整充電策略[3]。電網(wǎng)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控電網(wǎng)狀態(tài)，包括負(fù)荷、電價(jià)、可再生能源產(chǎn)出等。通過智能算法，優(yōu)化EV的充放電計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的平衡和效率最大化。通信系統(tǒng)支持EV、充電基礎(chǔ)設(shè)施與電網(wǎng)管理系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。用戶界面可以通過界面設(shè)置充電偏好，如充電時(shí)間、成本限制等。

在車輛對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行能量雙向傳輸電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)時(shí)，電動汽車在進(jìn)行充電或放電操作時(shí)，必須使用整流器。這種設(shè)備在電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其有助于減輕電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對整體系統(tǒng)的影響。其中，電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

在電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)中，電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過動力電池組的輸出電壓連接動力電池組和雙向DC/DC變換，通過變流器直流接口直流高壓連接雙向DC/DC變換和雙向DC/AC變流器，通過三相電壓電流連接雙向DC/AC變流器和電網(wǎng)。此外，電動汽車的車網(wǎng)互動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接著電動汽車、充電樁等各種設(shè)備。每一個(gè)設(shè)備都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電動汽車通過充電樁接入電網(wǎng)，把電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換成電動汽車可以使用的直流電。車網(wǎng)互動系統(tǒng)還可以通過一系列的通信和控制系統(tǒng)，監(jiān)測電網(wǎng)的負(fù)荷情況，如果電網(wǎng)負(fù)荷過重，就可以讓電動汽車暫時(shí)停止充電，或者甚至讓電動汽車向電網(wǎng)輸送能量，幫助電網(wǎng)平衡負(fù)荷。

2 智能充電控制的“虛擬電池”開發(fā)

智能充電控制的“虛擬電池”開發(fā)是指利用計(jì)算機(jī)模型和仿真技術(shù)來模擬電動汽車的充電行為和電網(wǎng)的互動過程。在這個(gè)過程中，“虛擬電池”概念被用來代表一定數(shù)量的電動汽車的總充電和放電能力。這種開發(fā)對于研究和評估智能充電控制策略的效率和可行性至關(guān)重要。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的初始電流值，對模擬電池進(jìn)行充電，并記錄其端電壓及負(fù)極過電勢[4]。首先檢查電池的端電壓，如果已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)的截止電壓值，那么應(yīng)立即停止充電；如果端電壓未達(dá)到設(shè)定值，則需要繼續(xù)檢查電池的負(fù)極過電勢。如果負(fù)極的電勢高于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)會增加電流；相反，如果電勢低于閾值，則減小電流，以得出新的充電電流數(shù)值。繼續(xù)使用這個(gè)新的電流值進(jìn)行充電，并重復(fù)上述步驟，直到電池端電壓達(dá)到截止電壓為止。在這個(gè)過程中，會生成一個(gè)周期性變化的電流序列，同時(shí)伴隨著隨時(shí)間變化的端電壓和負(fù)極過電勢曲線。因此，由此產(chǎn)生的電流序列即為經(jīng)過優(yōu)化的快速充電電流。智能充電控制算法開發(fā)策略流程圖如圖3所示。

智能充電控制算法開發(fā)策略流程是模擬電動汽車的充電需求、電網(wǎng)的供需狀態(tài)、電動汽車、充電基礎(chǔ)設(shè)施與電網(wǎng)管理系統(tǒng)之間的通信和控制過程[5]。將一定數(shù)量的電動汽車聚合為一個(gè)整體，模擬其總的充電和放電能力。電流變化量的增加與當(dāng)前負(fù)極的過電勢與閾值電勢之間的差異密切相關(guān)，這一差異是由控制器根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動確定的；電流變化周期可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活設(shè)定。智能充電控制算法實(shí)例如圖4所示。

如圖4可以知，在快速充電過程中，電動汽車的最大充電倍率可能高達(dá)接近5C。然而，實(shí)際充電時(shí)通常會受到電網(wǎng)負(fù)載、電纜容量等因素的影響，這些因素會限制電流倍率的上限[6]。隨時(shí)間的增加端電壓的電壓值在升高，到1500s時(shí)端電壓的值在4.6V波動。此時(shí)，負(fù)極過電勢的值不斷降低，也是在1500s時(shí)的電壓值在3.6V波動?！疤摂M電池”仿真開發(fā)不僅有助于研究和開發(fā)更高效的智能充電控制策略，還能為電動汽車和電網(wǎng)的集成提供重要的技術(shù)支持。

3 HPPC測試實(shí)驗(yàn)

HPPC測試將在不同溫度、不同SOC下測試電池對于脈沖電流作用的電壓響應(yīng)。通常將恒流電流作用1s時(shí)的內(nèi)阻作為歐姆內(nèi)阻。考慮電池的極化內(nèi)阻，則一般用10s內(nèi)阻、30s內(nèi)阻等多種測試結(jié)果表征電池的總內(nèi)阻。

本研究中采用的HPPC測試方法如圖5所示，具體為：

（1）將電池放電至截止電壓，置于溫箱內(nèi)，調(diào)整溫度為25℃并充分靜置；

（2）以1/3C恒流充電，充入10%SOC的電量，充分靜置；

（3）調(diào)整溫度至-10℃并充分靜置；

（4）在低溫下進(jìn)行混合脈沖實(shí)驗(yàn)：0.2C放電30s，暫停30s，0.2C充電30s；

（5）調(diào)整溫度至25℃并充分靜置；

（6）在常溫下進(jìn)行混合脈沖實(shí)驗(yàn)：1.5C放電30s，暫停30s，1.5C充電30s；

（7）重復(fù)（2）～（6）10次，完成HPPC測試。

上述過程為-30℃～30℃HPPC測試。0℃與-10℃測試與上述過程類似，在對應(yīng)溫度與25℃之間進(jìn)行測試，0℃時(shí)采用0.4C進(jìn)行混合脈沖，-10℃時(shí)采用0.3C。

本測試方法同時(shí)測試了不同溫度下靜置后的開路電壓，即可得到電池的熵?zé)嵯禂?shù)，反映電池開路電壓隨溫度變化的規(guī)律，該系數(shù)將作為電池反應(yīng)熱的影響因素。

4 車網(wǎng)互動下電動汽車的智能充電控制應(yīng)用

車網(wǎng)互動下電動汽車的智能充電控制應(yīng)用是指利用先進(jìn)的通信、控制、優(yōu)化和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動汽車與電網(wǎng)之間的高效互動。這種應(yīng)用旨在優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，提高能源利用效率，同時(shí)為電動汽車用戶提供更好的充電體驗(yàn)和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。車企已經(jīng)開始實(shí)施車網(wǎng)互動示范項(xiàng)目，探索車網(wǎng)互動在不同場景下的應(yīng)用，如電動汽車與園區(qū)、樓宇建筑、家庭住宅等場景的高效融合。

5 結(jié)論

本文就車聯(lián)網(wǎng)下電動汽車的智能充電控制問題進(jìn)行了深入探討。通過研究V2G技術(shù)，對電動汽車的車輛對網(wǎng)互動系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了發(fā)展“虛擬電池”來實(shí)現(xiàn)智能充電控制的建議。車網(wǎng)互動下電動汽車的智能充電控制目的在于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電動汽車之間的良性互動，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，促進(jìn)可再生能源的利用，同時(shí)為用戶和社會帶來經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]何顯忠.新能源汽車智能充電控制系統(tǒng)優(yōu)化分析[J].汽車測試報(bào)告，2023（19）：53-55.

[2]吳瑞增，王海雁.基于LoRa的汽車智能充電裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].裝備維修技術(shù)2023（05）：41-44.

[3]阮易，陳明錕，楊肖，等.基于智能充電控制的光纖供能系統(tǒng)[J].光通信技術(shù)，2023（06）：42-47.

[4]黃實(shí)批.新能源汽車中的智能充電控制系統(tǒng)優(yōu)化[J].集成電路應(yīng)用，2023（07）：334-335.

[5]王素芹.基于單片機(jī)控制的新能源汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品2023（10）：25-28.

[6]李云海.新能源汽車智能充電優(yōu)化控制系統(tǒng)研究[J].專用汽車，2022（11）：65-67.