沈陽(yáng)工程學(xué)院研究生部 蔡嘉雨

沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院 趙志剛

V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)正逐漸受到人們的廣泛關(guān)注，通過(guò)V2G技術(shù)不僅使電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性得到提升，而且為電動(dòng)車車主創(chuàng)造收益。本文首先介紹了電動(dòng)汽車在V2G模式下三種實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)闡述電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)后產(chǎn)生的影響進(jìn)一步分析了V2G的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。其次通過(guò)介紹電動(dòng)汽車有序充電，論述了有序充電在V2G模式下的必要性。最后介紹了電動(dòng)汽車的的電池管理系統(tǒng)BMS,并針對(duì)V2G模式下實(shí)現(xiàn)用戶與配電網(wǎng)雙贏做出了美好展望。

隨著化石燃料走向枯竭、全球變暖趨勢(shì)加劇，鼓勵(lì)人們使用清潔能源將使環(huán)境污染程度變小，運(yùn)行成本降低。在此背景下，V2G技術(shù)正受到人們的廣泛關(guān)注。通過(guò)V2G，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性可以得到很大程度的改善，同時(shí)為電動(dòng)車用戶創(chuàng)造收益。因此，世界各國(guó)政府紛紛出臺(tái)了一系列政策支持電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)時(shí)，可以作為用電負(fù)荷也可以作為儲(chǔ)能電源裝置，使其對(duì)配電網(wǎng)而言具有雙重身份。在電動(dòng)汽車大規(guī)模普及的背景下，電動(dòng)汽車無(wú)序充電可能會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)電壓下降、線路過(guò)載以及能量損耗增大等棘手問(wèn)題。通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車充放電進(jìn)行合理的控制，有序調(diào)控電動(dòng)汽車充放電，以實(shí)現(xiàn)用戶與配電網(wǎng)雙贏。

1 V2G的定義及其實(shí)現(xiàn)方法

V2G是指電動(dòng)車輛不僅可以作為充電負(fù)荷，還可以作為儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)電動(dòng)汽車被賦予雙重角色后，電動(dòng)汽車在電網(wǎng)獲得能量的同時(shí)通過(guò)充電站向電網(wǎng)反饋電能。實(shí)際上，目前電網(wǎng)效率不高且成本偏高，容易造成浪費(fèi)。

V2G系統(tǒng)的主要組成部分有電池管理系統(tǒng)BMS、充放電機(jī)、V2G后臺(tái)管理系統(tǒng)和V2G控制中心。V2G控制中心是V2G系統(tǒng)的心臟，它可以通過(guò)對(duì)負(fù)荷、風(fēng)電的預(yù)測(cè)制定V2G的充放電計(jì)劃并發(fā)布到各V2G后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行匯總；V2G后臺(tái)管理系統(tǒng)匯總了電池管理系統(tǒng)通過(guò)充放電機(jī)所獲取的充放電電流、電池容量與荷電狀態(tài)、電池是否允許充放電等信息。由于電動(dòng)汽車種類繁多，采用的供電方式有所不同，為此要實(shí)現(xiàn)V2G可以采用集中式，自治式，基于微電網(wǎng)三種方法。集中式方法以電網(wǎng)需求為中心，通過(guò)對(duì)某一區(qū)域內(nèi)集中的電動(dòng)汽車進(jìn)行統(tǒng)一的管理調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的充電放電；而自治式方法無(wú)法對(duì)散落在各處的電動(dòng)汽車進(jìn)行集中管理，電動(dòng)汽車具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，但是在車載式的智能充電器的作用下電動(dòng)汽車可以進(jìn)行自由充放電，成本偏高而實(shí)用性強(qiáng)；基于微網(wǎng)的V2G實(shí)現(xiàn)方法是將電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能設(shè)備集成到微網(wǎng)中，以微電網(wǎng)為對(duì)象直接為微網(wǎng)的風(fēng)力、光伏等分布式電源提供電能消納，減少棄風(fēng)棄光，提高整體經(jīng)濟(jì)性。

2 大規(guī)模電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)的影響

純電動(dòng)汽車是最具有代表性的電動(dòng)汽車之一，也是V2G技術(shù)的主要響應(yīng)對(duì)象，純電動(dòng)汽車的理想電池是鋰離子電池，電動(dòng)機(jī)是這種汽車的動(dòng)力源，不需要內(nèi)燃機(jī)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排綠色環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)理念。在V2G模式下，電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)導(dǎo)致用電負(fù)荷呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)。配電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要影包括電壓下降和諧波污染2個(gè)方面。當(dāng)用電負(fù)荷處于高峰時(shí)，如果大量電動(dòng)汽車接入充電設(shè)備進(jìn)行充電，則此時(shí)配電網(wǎng)的供電壓力很大導(dǎo)致電壓下降；而諧波污染是在電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)后，由電力電子設(shè)備生成了諧波干擾，諧波干擾導(dǎo)致測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確，電力導(dǎo)線熱老化。而且近年來(lái)，隨著“綠色發(fā)展，節(jié)能減排”理論的提出。新能源發(fā)電理論被引入電網(wǎng)，風(fēng)能，光能大量的并入電網(wǎng)開(kāi)始了規(guī)?；l(fā)展。對(duì)系統(tǒng)的頻率、電壓水平提出了更嚴(yán)格的要求。若不滿足要求，電動(dòng)汽車迅即脫離電網(wǎng)，給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

3 電動(dòng)汽車的有序充電

有序充放電以改善電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行狀況為目的，對(duì)接入電網(wǎng)的電動(dòng)汽車進(jìn)行合理的調(diào)度控制，使電動(dòng)汽車在用電峰谷時(shí)刻以低價(jià)充電，在用電峰值時(shí)刻放電補(bǔ)貼電網(wǎng)。實(shí)行有序充放電策略可以減輕電動(dòng)汽車大規(guī)模接入時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的壓力。通過(guò)使電動(dòng)汽車在用電峰值時(shí)刻放電，用電低谷時(shí)期享受低價(jià)充電，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，減少電網(wǎng)傳輸電能時(shí)的損耗，實(shí)現(xiàn)用戶的用電成本以及電網(wǎng)輸電成本降低以提高經(jīng)濟(jì)性。除此之外，充分利用好風(fēng)，光等分布式能源，提高新能源發(fā)電的利用率也是重中之重。然而現(xiàn)實(shí)生活中并非所有的電動(dòng)汽車用戶都會(huì)響應(yīng)針對(duì)有序充電策略，因此用戶的滿意度格外重要。用戶滿意度具體包括用電方式滿意度以及電費(fèi)支出滿意度。

表1 常見(jiàn)電動(dòng)汽車電池成本估算

而在G2V環(huán)節(jié)中，電動(dòng)汽車作為電力系統(tǒng)的負(fù)荷部分可以對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。當(dāng)電動(dòng)汽車從G2V環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換到V2G環(huán)節(jié)后，電動(dòng)汽車的角色隨即發(fā)生了變化。在智能電網(wǎng)和V2G技術(shù)的支持下，電動(dòng)汽車進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換作為分布式儲(chǔ)能裝置，可以使用電動(dòng)汽車來(lái)消納新能源，提高新能源發(fā)電的普及率和利用率。作為分布式儲(chǔ)能裝置時(shí)，電動(dòng)汽車可以抑制電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)，減小負(fù)荷峰谷差，實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)的互利共贏要以滿足電動(dòng)汽車的出行需求。當(dāng)電動(dòng)汽車連接充電樁時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)可以進(jìn)行充電或放電，而在電動(dòng)汽車車主將出行時(shí)要使電池電量達(dá)到理想狀態(tài)。故此連接充電樁的電動(dòng)汽車電池電量過(guò)低時(shí)，電動(dòng)汽車僅作為負(fù)荷，不會(huì)響應(yīng)V2G；而電池滿載時(shí)電動(dòng)汽車僅作為電源，也不會(huì)響應(yīng)V2G。故此對(duì)電動(dòng)汽車充電與放電時(shí)間分水嶺的界定是當(dāng)下亟待研究的問(wèn)題。

4 純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集、充放電管理、故障檢測(cè)三部分組成。在電動(dòng)汽車充放電過(guò)程中，單體電池需要進(jìn)行SOC計(jì)算，對(duì)電池荷電狀態(tài)進(jìn)行分析以判斷電量是否滿足電動(dòng)汽車的出行需求，將SOC評(píng)估結(jié)果作為電池管理系統(tǒng)可靠性的判斷指標(biāo)，及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行保護(hù)性處理。

4.1 電動(dòng)汽車電池管理技術(shù)

電池管理系統(tǒng)由電池的物理特性和應(yīng)用目標(biāo)所決定，數(shù)十個(gè)高容量單體電池通過(guò)串聯(lián)可以使電池處于較高的電壓等級(jí)以提供較大的功率。電動(dòng)汽車電池串聯(lián)組合通?？梢詣澐譃槎鄠€(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊由4-14個(gè)單體電池串聯(lián)組成。因此，電池可看作是由單體電池、電池模塊和電池串等三個(gè)嵌套層構(gòu)成，并且作為電池管理系統(tǒng)監(jiān)控和管理功能的一個(gè)子集完成了智能平臺(tái)的搭建。這種方法采用分層體系結(jié)構(gòu)的電池管理系統(tǒng)，最內(nèi)層是用于每一個(gè)單體電池或電池串的電池監(jiān)測(cè)單元（CMU），中間層由用于電池監(jiān)測(cè)的模塊管理單元（MMU）組成，模塊管理單元采集內(nèi)部電池監(jiān)測(cè)單元的基本監(jiān)控信息以服務(wù)于監(jiān)測(cè)所有電池串的群管理單元（PMU）。電動(dòng)汽車的電池管理技術(shù)是促進(jìn)電動(dòng)汽車大力發(fā)展的關(guān)鍵因素，在電池管理技術(shù)下電池性能的好壞直接影響電動(dòng)汽車的購(gòu)買成本，表1所示是某些品牌電動(dòng)汽車的電池成本估算。

從表1中可以看出電池成本占比較高，因此電池管理技術(shù)中必須考慮電池的購(gòu)買成本及放電時(shí)電池?fù)p耗的影響，設(shè)置合理的充放電深度從而在電池壽命范圍內(nèi)充分利用電池。

4.2 電壓監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)于配電網(wǎng)的運(yùn)行而言，電動(dòng)汽車電池參數(shù)的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。其中，電壓監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)安排特定的測(cè)試來(lái)觀察電池端電壓及其在溫度和負(fù)荷方差作用下與容量之間的關(guān)系，根據(jù)電池電壓的測(cè)量結(jié)果以確定電動(dòng)汽車的荷電狀態(tài)。此類技術(shù)成本低，但電池電壓和容量之間的相關(guān)性隨著時(shí)間的變化，只有在電池經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間充電/放電才會(huì)比較明顯，電池容量作為電池使用壽命評(píng)估的參考價(jià)值變小。電壓監(jiān)測(cè)技術(shù)要結(jié)合電池的細(xì)節(jié)參數(shù)、任務(wù)應(yīng)用、用戶行為以及用戶環(huán)境，因此電壓監(jiān)測(cè)技術(shù)不是電動(dòng)汽車電池參數(shù)監(jiān)測(cè)的最佳手段。而研究人員以具備一定可用容量的電池阻抗對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量的方式進(jìn)行電池實(shí)驗(yàn)，電池傳遞的能量將隨著電池的內(nèi)部電阻的增加而下降直到失去存儲(chǔ)能量的能力。若電池組結(jié)構(gòu)特征相似，電池電阻和電池存儲(chǔ)能量之間的關(guān)系確定，對(duì)于不同電池組結(jié)構(gòu)，兩者關(guān)聯(lián)性有所不同。電阻測(cè)量技術(shù)結(jié)合了充電和放電兩種不同模式的電池特性，先測(cè)試電池對(duì)可變信號(hào)、負(fù)載或充電電流的響應(yīng)，再通過(guò)應(yīng)用歐姆定律測(cè)量?jī)?nèi)部阻抗。電阻測(cè)量技術(shù)原理上可以克服電池老化、電池壽命和溫度差額等問(wèn)題，選擇一個(gè)合適類型的負(fù)載或充電應(yīng)用是電阻測(cè)量技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

結(jié)論與展望：電動(dòng)汽車以V2G為背景接入電網(wǎng)后，配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、可靠性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行受到了直接影響，從工程到經(jīng)濟(jì)的效益尤為突出。未來(lái)可能伴隨“換電為主，充電為輔”的理念，通過(guò)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池移動(dòng)儲(chǔ)能進(jìn)一步降低電力系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本，解決換電標(biāo)準(zhǔn)體系安全與責(zé)任界定等問(wèn)題，明晰電動(dòng)汽車廠家與電池租賃商的利益劃分，推動(dòng)換電方式的發(fā)展。為適應(yīng)大規(guī)模、高滲透率的電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)向運(yùn)行更為靈活的主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車的應(yīng)用與推廣，對(duì)電動(dòng)汽車電池加強(qiáng)管理規(guī)劃勢(shì)在必行。