按照國(guó)家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃, 2010～2015年是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵5年。相關(guān)研究表明, 2016年是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的拐點(diǎn),電動(dòng)汽車發(fā)展進(jìn)入高速成長(zhǎng)期,預(yù)計(jì)到2020年,上海市電動(dòng)汽車市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)可達(dá)約35萬(wàn)輛(按市場(chǎng)滲透率15%計(jì)算) 。大量的車輛充電將帶來(lái)新一輪的負(fù)荷快速增長(zhǎng),以每輛車配置12 kW·h電池計(jì)算,這些電動(dòng)汽車日充電所用電量約為336萬(wàn)kW·h (按0. 8同時(shí)率計(jì)算) ,這對(duì)用電負(fù)荷峰谷差日益加大的電力系統(tǒng)而言,增加了巨大的發(fā)、輸、配電壓力。
智能電網(wǎng)的核心價(jià)值是提高能效,利用各種高科技手段提升發(fā)、輸、配、用電各環(huán)節(jié)的運(yùn)行管理水平,節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境;智能電網(wǎng)更加適應(yīng)多種能量單元發(fā)電、配電、用電方式的需要,更加適應(yīng)市場(chǎng)化的電力交易的需要,更加適應(yīng)客戶的自主選擇需要。
電動(dòng)汽車入網(wǎng)(Vehicle to Grid,簡(jiǎn)稱V2G)技術(shù)就是電動(dòng)車輛的能量在受控狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的雙向互動(dòng)和交換,是“智能電網(wǎng)技術(shù)”的重要組成部分,應(yīng)用V2G和智能電網(wǎng)技術(shù),電動(dòng)汽車電池的充放電被統(tǒng)一部署,根據(jù)既定的充放電策略,在滿足電動(dòng)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(wǎng)。
1 V2G系統(tǒng)信息流程
V2G體現(xiàn)的是能量雙向、實(shí)時(shí)、可控、在車輛和電網(wǎng)之間流動(dòng),充放電控制裝置既有與電網(wǎng)的交互,又有與車輛的交互,交互的內(nèi)容包括能量轉(zhuǎn)換信息、客戶需求信息、電網(wǎng)狀態(tài)、車輛信息、計(jì)量計(jì)費(fèi)信息等。因此,V2G是電力電子、通信、調(diào)度和計(jì)量、需求側(cè)管理等眾多技術(shù)的高端綜合應(yīng)用,圖1所示為V2G系統(tǒng)信息圖。
SM:智能電表,雙向計(jì)量、本地信息存儲(chǔ),以RS485與EV2PCS通信,通過(guò)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(jī)組成,用于實(shí)現(xiàn)車輛和電網(wǎng)之間的雙向能量交互,是V2G系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置;
UT:人機(jī)交互終端,是電動(dòng)汽車用戶與電網(wǎng)交流的界面,用戶從中獲取用電量和電費(fèi)信息;
BMS:電池管理系統(tǒng),用于車輛電池?cái)?shù)據(jù)的采集與傳輸,電池運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控,以CAN總線與EV2PCS通信,通過(guò)EV2PCS向后臺(tái)傳輸車輛信息;
EMS:后臺(tái)管理系統(tǒng),對(duì)上與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)通訊,獲取電網(wǎng)負(fù)荷信息并執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)度指令,對(duì)下與EV2PCS通信,獲取車輛狀態(tài)信息,分配并下發(fā)電網(wǎng)調(diào)度指令。
2 V2G系統(tǒng)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(shù)中的關(guān)鍵功率部件,用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電動(dòng)汽車間的能量雙向流動(dòng),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(duì)車輛進(jìn)行充電操作,不將車輛電池能量回饋至電網(wǎng);如果選擇V2G工作模式,裝置根據(jù)用戶在人機(jī)交互終端上選擇的車輛SOC上下限門限值,或裝置默認(rèn)的SOC上下限門限值,將連接車輛可充放電的實(shí)時(shí)容量、受控時(shí)間等信息提供給后臺(tái)管理系統(tǒng),后臺(tái)管理系統(tǒng)下發(fā)充放電控制指令,裝置根據(jù)車輛電池當(dāng)前SOC進(jìn)行充、放電操作,實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。圖2所示為雙向智能控制裝置主回路拓?fù)洹?/p>
其拓?fù)涮攸c(diǎn)如下:
(1) 采用三相全橋雙向PWM變換,能對(duì)電池進(jìn)行充放電;
(2) 電網(wǎng)交流與電動(dòng)汽車電池側(cè)采用隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離
(3) 同時(shí)隔離變壓器可進(jìn)行交直流之間的電壓匹配;
(4) 交流側(cè)和直流側(cè)配置過(guò)載過(guò)流斷路器;
(5) 交流直流側(cè)均配置有預(yù)充電回路,啟動(dòng)方式靈活;
(6) 采用一級(jí)變換器,拓?fù)浜?jiǎn)單,可靠性高。
2. 2 人機(jī)交互終端
人機(jī)交互終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)程監(jiān)控通信擴(kuò)展卡、微型打印機(jī)等部分組成。主要功能有:界面顯示、身份識(shí)別、EV2PCS控制模式、票據(jù)打印、數(shù)據(jù)管理和查詢、個(gè)性化參數(shù)設(shè)置、語(yǔ)言切換、以及用戶操作幫助和異常信息提示等。
2. 3 后臺(tái)管理系統(tǒng)
后臺(tái)管理系統(tǒng)包括充放電策略控制子系統(tǒng)和能量管理子系統(tǒng);充放電策略控制子系統(tǒng)主要功能是根據(jù)能量管理系統(tǒng)提供的可充放電總?cè)萘?、電價(jià)以及當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)時(shí)負(fù)荷信息,采用適當(dāng)?shù)某浞烹姴呗运惴?計(jì)算出電網(wǎng)實(shí)際允許的充電或放電容量,從而動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)車輛車載電池組與電網(wǎng)的雙向能量交換;能量管理子系統(tǒng)主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車載電池組工作狀況、提供充放電策略基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、為每臺(tái)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(tǒng)
電池管理系統(tǒng)(BMS)是對(duì)車輛電池性能和狀態(tài)了解最為全面的設(shè)備,將BMS和EV2PCS之間建立聯(lián)系,使充電裝置實(shí)時(shí)了解電池信息,改變自己的執(zhí)行策略和輸入輸出電流,以保障車輛運(yùn)行、電池安全和延長(zhǎng)使用壽命。BMS主要功能包括:實(shí)現(xiàn)電池運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;電壓、電流、溫度、SOC等數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸;電池故障診斷、告警和安全保護(hù);故障自檢和診斷;充放電均衡;與車輛控制系統(tǒng)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(yīng)用的重要技術(shù)組件,工作原理如圖4 所示,主要功能包括雙向計(jì)量、雙向通信、事件記錄(記錄電表斷相、失壓、過(guò)壓、失流、電流不平衡、超功率、超需量、過(guò)壓、開蓋、逆相序等事件,記錄時(shí)鐘對(duì)時(shí)、記錄數(shù)據(jù)清零、參數(shù)設(shè)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(guò)射頻卡讀卡器讀取用戶信息,在人機(jī)操作界面上顯示卡上剩余電量和上次消費(fèi)記錄情況,待用戶設(shè)置工作模式及其相關(guān)信息后,提示用戶正確連接充電插頭,并確認(rèn)啟動(dòng)充電模式或V2G模式。
工作模式確定好后,UT將與EV2PCS確認(rèn)充放電接口是否正確連接,確認(rèn)后發(fā)送控制信號(hào)給EV2PCS,啟動(dòng)充電裝置EV2PCS的工作為待機(jī)狀態(tài),等待后臺(tái)控制指令。
EV2PCS按用戶選擇的運(yùn)行模式執(zhí)行后臺(tái)充放電指令,在運(yùn)行過(guò)程中,UT定時(shí)獲取電表數(shù)據(jù)、電池組數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)費(fèi)以及保存數(shù)據(jù)。當(dāng)達(dá)到用戶設(shè)置的參數(shù)或用戶自行終止時(shí),發(fā)送停止指令給EV2PCS,控制EV2PCS斷電,在人機(jī)操作界面上提示用戶充放電完畢,用戶拔下插頭后,可以進(jìn)行打印票據(jù)操作。
4 V2G應(yīng)用場(chǎng)景及充放電控制策略
4. 1 V2G應(yīng)用場(chǎng)景
未來(lái)電力發(fā)展模式是向分布式發(fā)電、交互式供電的分散智能電網(wǎng)過(guò)渡,更加強(qiáng)調(diào)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和可再生能源發(fā)電的應(yīng)用,這要求建設(shè)更多更高效的分布式儲(chǔ)能設(shè)施。儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一, 2009年1月美國(guó)能源部電力咨詢委員會(huì)咨詢報(bào)告中,將儲(chǔ)能作為智能電網(wǎng)容量管理的戰(zhàn)略工具,由此可見儲(chǔ)能技術(shù)的重要意義。電動(dòng)車輛作為既有的分布式移動(dòng)儲(chǔ)能單元,通過(guò)智能電網(wǎng)技術(shù),對(duì)車輛充放電進(jìn)行長(zhǎng)期、成功管理,V2G技術(shù)將在智能電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。研究表明,“與智能車輛和智能電網(wǎng)同步進(jìn)展,插電式混合電動(dòng)汽車( PHEV)和電動(dòng)汽車( EV)將在20年之內(nèi)成為配電系統(tǒng)本身不可分割的一部分,提供儲(chǔ)能,緊急供電和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。”設(shè)想的V2G可能的應(yīng)用模式和應(yīng)用場(chǎng)景有:
(1) 居民小區(qū)(V2H,Vehicle to Home) ;
(2) 辦公樓宇(V2B,Vehicle to Bulding) ;
(3) 大型專用停車場(chǎng);
(4) 超市、大賣場(chǎng)或購(gòu)物中心;
(5) 政府、學(xué)校辦公樓;
(6) 利用清潔能源對(duì)車輛充電等。
4. 2 V2G充放電控制策略
電動(dòng)汽車作為移動(dòng)儲(chǔ)能接入電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)能量雙向互動(dòng)的前提是保障用戶使用的便利性不受影響。當(dāng)前純電動(dòng)小型乘用車的最大續(xù)駛里程一般都小于200 km,電池實(shí)際使用壽命小于1000次循環(huán),遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃油車,因此采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗灾陵P(guān)重要。
策略的考慮涉及電網(wǎng)側(cè)、車輛側(cè)、用戶側(cè),電網(wǎng)側(cè)需考慮電網(wǎng)實(shí)時(shí)負(fù)荷、電價(jià)、調(diào)度中心指令;車輛側(cè)需要考慮電池能量狀態(tài)、輸入輸出功率、可用時(shí)間等;用戶側(cè)主要是考慮用戶的行駛習(xí)慣、行使里程及特殊需求等。以充放電容量、電網(wǎng)負(fù)荷、電價(jià)等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),使用適當(dāng)?shù)某浞烹姴呗钥刂扑惴?得到轄區(qū)內(nèi)電網(wǎng)所需要的能量信息和車輛電池可提供的能量信息,進(jìn)行策略分配和發(fā)出調(diào)度指令。
5 結(jié)語(yǔ)
電動(dòng)汽車是汽車產(chǎn)業(yè)的最終發(fā)展方向,智能電網(wǎng)是經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì),將電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)結(jié)合的V2G,既解決了電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展帶來(lái)的充電壓力問(wèn)題,又可將電動(dòng)汽車作為移動(dòng)的、分布式儲(chǔ)能單元接入電網(wǎng),用于削峰填谷、應(yīng)急安保,旋轉(zhuǎn)備用等,在提高電網(wǎng)供電靈活性、可靠性和能源利用效率的同時(shí),延緩電網(wǎng)建設(shè)投資。上海市電力公司技術(shù)與發(fā)展中心是國(guó)內(nèi)最早開展V2G技術(shù)研究的機(jī)構(gòu),收集掌握了大量V2G相關(guān)技術(shù)研究和進(jìn)展動(dòng)態(tài),與國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)建立了廣泛合作關(guān)系,著手開展了V2G應(yīng)用試點(diǎn)和示范。目前V2G的研究及應(yīng)用尚處于起步階段,其發(fā)展與電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能、分布式電源等相關(guān)技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。