按照國家新能源汽車產業發展規劃, 2010～2015年是電動汽車產業化和大規模推廣應用的關鍵5年。相關研究表明, 2016年是電動汽車產業化發展的拐點,電動汽車發展進入高速成長期,預計到2020年,上海市電動汽車市場規模預計可達約35萬輛(按市場滲透率15%計算) 。大量的車輛充電將帶來新一輪的負荷快速增長,以每輛車配置12 kW·h電池計算,這些電動汽車日充電所用電量約為336萬kW·h (按0. 8同時率計算) ,這對用電負荷峰谷差日益加大的電力系統而言,增加了巨大的發、輸、配電壓力。

　　智能電網的核心價值是提高能效,利用各種高科技手段提升發、輸、配、用電各環節的運行管理水平,節約資源,保護環境;智能電網更加適應多種能量單元發電、配電、用電方式的需要,更加適應市場化的電力交易的需要,更加適應客戶的自主選擇需要。

　　電動汽車入網(Vehicle to Grid,簡稱V2G)技術就是電動車輛的能量在受控狀態下實現與電網之間的雙向互動和交換,是“智能電網技術”的重要組成部分,應用V2G和智能電網技術,電動汽車電池的充放電被統一部署,根據既定的充放電策略,在滿足電動汽車用戶行駛需求的前提下,將剩余電能雙向可控回饋到電網。

1 　V2G系統信息流程

　　V2G體現的是能量雙向、實時、可控、在車輛和電網之間流動,充放電控制裝置既有與電網的交互,又有與車輛的交互,交互的內容包括能量轉換信息、客戶需求信息、電網狀態、車輛信息、計量計費信息等。因此,V2G是電力電子、通信、調度和計量、需求側管理等眾多技術的高端綜合應用,圖1所示為V2G系統信息圖。

　　SM:智能電表,雙向計量、本地信息存儲,以RS485與EV2PCS通信,通過EV2PCS向UT傳送電量信息;

　　EV2PCS:雙向智能充放電裝置,由低壓控制器和本地管理機組成,用于實現車輛和電網之間的雙向能量交互,是V2G系統的關鍵裝置;

　　UT:人機交互終端,是電動汽車用戶與電網交流的界面,用戶從中獲取用電量和電費信息;

　　BMS:電池管理系統,用于車輛電池數據的采集與傳輸,電池運行狀態的監控,以CAN總線與EV2PCS通信,通過EV2PCS向后臺傳輸車輛信息;

　　EMS:后臺管理系統,對上與電網調度系統通訊,獲取電網負荷信息并執行電網調度指令,對下與EV2PCS通信,獲取車輛狀態信息,分配并下發電網調度指令。

2 　V2G系統各部件

　　2. 1　雙向智能充放電裝置

　　雙向智能控制裝置作為V2G技術中的關鍵功率部件,用于實現電網與電動汽車間的能量雙向流動,可工作在充電模式和V2G模式:如果選擇充電工作模式,即只是對車輛進行充電操作,不將車輛電池能量回饋至電網;如果選擇V2G工作模式,裝置根據用戶在人機交互終端上選擇的車輛SOC上下限門限值,或裝置默認的SOC上下限門限值,將連接車輛可充放電的實時容量、受控時間等信息提供給后臺管理系統,后臺管理系統下發充放電控制指令,裝置根據車輛電池當前SOC進行充、放電操作,實現能量的雙向流動。圖2所示為雙向智能控制裝置主回路拓撲。

　　其拓撲特點如下:

　　(1) 采用三相全橋雙向PWM變換,能對電池進行充放電;

　　(2) 電網交流與電動汽車電池側采用隔離變壓器進行電氣隔離

　　(3) 同時隔離變壓器可進行交直流之間的電壓匹配;

　　(4) 交流側和直流側配置過載過流斷路器;

　　(5) 交流直流側均配置有預充電回路,啟動方式靈活;

　　(6) 采用一級變換器,拓撲簡單,可靠性高。

　　2. 2　人機交互終端

　　人機交互終端系統結構如圖3所示,主要由嵌入式控制器、觸摸顯示屏、射頻卡讀卡器、CAN通信卡、遠程監控通信擴展卡、微型打印機等部分組成。主要功能有:界面顯示、身份識別、EV2PCS控制模式、票據打印、數據管理和查詢、個性化參數設置、語言切換、以及用戶操作幫助和異常信息提示等。

　　2. 3　后臺管理系統

　　后臺管理系統包括充放電策略控制子系統和能量管理子系統;充放電策略控制子系統主要功能是根據能量管理系統提供的可充放電總容量、電價以及當前電網的實時負荷信息,采用適當的充放電策略算法,計算出電網實際允許的充電或放電容量,從而動態地實現車輛車載電池組與電網的雙向能量交換;能量管理子系統主要功能是實時監測車載電池組工作狀況、提供充放電策略基礎數據、為每臺EV2PCS提供充電或放電容量二次分配指令。

　　2. 4　車輛電池管理系統

　　電池管理系統(BMS)是對車輛電池性能和狀態了解最為全面的設備,將BMS和EV2PCS之間建立聯系,使充電裝置實時了解電池信息,改變自己的執行策略和輸入輸出電流,以保障車輛運行、電池安全和延長使用壽命。BMS主要功能包括:實現電池運行狀態的實時監控;電壓、電流、溫度、SOC等數據采集、顯示、傳輸;電池故障診斷、告警和安全保護;故障自檢和診斷;充放電均衡;與車輛控制系統和智能充放電充電裝置雙向通訊等。

　　2. 5　智能電表

　　智能電表作為作為V2G應用的重要技術組件,工作原理如圖4 所示,主要功能包括雙向計量、雙向通信、事件記錄(記錄電表斷相、失壓、過壓、失流、電流不平衡、超功率、超需量、過壓、開蓋、逆相序等事件,記錄時鐘對時、記錄數據清零、參數設置、電表上下電等事件)等。

3 　V2G充放電流程

　　V2G充放電流程分別見圖5、圖6。

　　用戶首先插入IC卡, UT終端通過射頻卡讀卡器讀取用戶信息,在人機操作界面上顯示卡上剩余電量和上次消費記錄情況,待用戶設置工作模式及其相關信息后,提示用戶正確連接充電插頭,并確認啟動充電模式或V2G模式。

　　工作模式確定好后,UT將與EV2PCS確認充放電接口是否正確連接,確認后發送控制信號給EV2PCS,啟動充電裝置EV2PCS的工作為待機狀態,等待后臺控制指令。

　　EV2PCS按用戶選擇的運行模式執行后臺充放電指令,在運行過程中,UT定時獲取電表數據、電池組數據并進行計費以及保存數據。當達到用戶設置的參數或用戶自行終止時,發送停止指令給EV2PCS,控制EV2PCS斷電,在人機操作界面上提示用戶充放電完畢,用戶拔下插頭后,可以進行打印票據操作。

4 　V2G應用場景及充放電控制策略

　4. 1　V2G應用場景

　　未來電力發展模式是向分布式發電、交互式供電的分散智能電網過渡,更加強調對環境的保護和可再生能源發電的應用,這要求建設更多更高效的分布式儲能設施。儲能技術是實現智能電網的關鍵技術之一, 2009年1月美國能源部電力咨詢委員會咨詢報告中,將儲能作為智能電網容量管理的戰略工具,由此可見儲能技術的重要意義。電動車輛作為既有的分布式移動儲能單元,通過智能電網技術,對車輛充放電進行長期、成功管理,V2G技術將在智能電網中得到廣泛應用。研究表明,“與智能車輛和智能電網同步進展,插電式混合電動汽車( PHEV)和電動汽車( EV)將在20年之內成為配電系統本身不可分割的一部分,提供儲能,緊急供電和電網的穩定性。”設想的V2G可能的應用模式和應用場景有:

　　(1) 居民小區(V2H,Vehicle to Home) ;

　　(2) 辦公樓宇(V2B,Vehicle to Bulding) ;

　　(3) 大型專用停車場;

　　(4) 超市、大賣場或購物中心;

　　(5) 政府、學校辦公樓;

　　(6) 利用清潔能源對車輛充電等。

　　4. 2　V2G充放電控制策略

　　電動汽車作為移動儲能接入電網,實現與電網能量雙向互動的前提是保障用戶使用的便利性不受影響。當前純電動小型乘用車的最大續駛里程一般都小于200 km,電池實際使用壽命小于1000次循環,遠遠低于傳統燃油車,因此采取適當的控制策略至關重要。

　　策略的考慮涉及電網側、車輛側、用戶側,電網側需考慮電網實時負荷、電價、調度中心指令;車輛側需要考慮電池能量狀態、輸入輸出功率、可用時間等;用戶側主要是考慮用戶的行駛習慣、行使里程及特殊需求等。以充放電容量、電網負荷、電價等為基礎數據,使用適當的充放電策略控制算法,得到轄區內電網所需要的能量信息和車輛電池可提供的能量信息,進行策略分配和發出調度指令。

5 　結語

　　電動汽車是汽車產業的最終發展方向,智能電網是經濟和技術發展的必然趨勢,將電動汽車和智能電網結合的V2G,既解決了電動汽車大規模發展帶來的充電壓力問題,又可將電動汽車作為移動的、分布式儲能單元接入電網,用于削峰填谷、應急安保,旋轉備用等,在提高電網供電靈活性、可靠性和能源利用效率的同時,延緩電網建設投資。上海市電力公司技術與發展中心是國內最早開展V2G技術研究的機構,收集掌握了大量V2G相關技術研究和進展動態,與國內外科研機構、企業建立了廣泛合作關系,著手開展了V2G應用試點和示范。目前V2G的研究及應用尚處于起步階段,其發展與電動汽車、儲能、分布式電源等相關技術發展密切相關。