电动汽车充换电技术研究综述

电动汽车充换电技术研究综述

摘要:电动汽车对生态文明建设具有重要意义,发展电动汽车必须加快充换电基础设施建设,提升充电基础设施服务水平｡文章围绕电动汽车充换电基础设施建设,梳理了充电设施选址､充换电与电能管理技术和无线充电技术的最新研究成果｡通过研究,对电动汽车充换电技术领域的发展提供一定的参考｡

关键词:电动汽车;充换电技术;电能管理技术;研究综述

1引言

当前世界能源需求日益增长,能源生产增速逐步放缓,给可持续发展带来了严峻挑战｡2020年9月,国家主席习近平于第75届联合国大会一般性会议上提出了“2030碳达峰､2060碳中和”的“双碳战略”,为缓解能源危机,实现能源可持续发展起到了重要推动作用｡2021年,“以新能源为主体的新型电力系统”､“国内

大循环”､“国内国际双循环”等热词频出,进一步推动了我国的减碳进程｡

2充换电与电能管理技术

电动汽车充电负荷随用户充电行为的变化而变化,如果没有合理的用户充电

行为引导及管理机制,电动汽车充电负荷将成为电网的沉重负担,严重影响电网的稳定､经济运行｡但通过计划运行,电动汽车也可以用来提高电网电压的稳定性｡

综合考虑电网公司制订的充电分时电价,配变容量需量费用以及需求响应激

励电价,对电动汽车充放电进行了能量管理优化分析｡以综合经济指标最优为目标,建立了电动汽车能量管理两阶段优化模型,充分挖掘不同电价机制下电动汽车作

为一种需求侧资源的灵活性,同时揭示不同电价机制争夺可转移负荷的竞争关系｡以综合经济指标最优为目标的能量优化管理模型具有多解性,应根据实际情况进

行多目标､多阶段优化,进一步挖掘电动汽车灵活可控的潜力,另外,用户参与度是进行电动汽车能量优化管理的关键参数,能量管理者应制定灵活激励措施调控用

户参与度｡需量费用和需求响应电价作为电网公司激励用户进行负荷管理的经济

手段,二者都能起到将峰期负荷向用电低谷时段转移的作用｡

针对电动出力的随机性与电动汽车的合理调度,有学者提出了一种基于双重

电价的电动汽车充放电两阶段优化调度策略｡依据停泊时长将其分为Ⅰ类电动汽

车与Ⅱ类电动汽车,停泊时长小于停泊时长界限的为Ⅰ类电动汽车,停泊时长大于停泊时长界限的为Ⅱ类电动汽车｡

首先建立双重电价机制,实现对电动汽车的分类引导｡在此基础上建立两阶段优化调度模型,第1阶段以风-光与II类电动汽车作为虚拟电厂,在分时电价下,

负荷聚合商引导Ⅱ类电动汽车合理充放电以降低风-光出力波动;第2阶段以系统运行成本最低为优化目标,在动态实时电价下,智能充电装置合理安排I类电动汽车进行充电,以减小负荷曲线峰谷差｡通过此模型还可实现:

(1)电网调度部门通过分类分阶段调度电动汽车负荷,可使其在两阶段优化调度中实现不同的调度目标,充分挖掘电动汽车的调度潜力｡

(2)将风力发电､光伏发电以及电动汽车聚合商作为虚拟电厂,可通过安排电

动汽车有序充放电降低风-光出力波动,减小了风-光并网时对电网的冲击｡

运行方案的输入包括经济方面的因素,如前一天的电价和电池更换服务的成本｡输入还包括技术方面的问题,如电动汽车司机的电池更换请求､电池在库存中

的状态和电网的技术限制｡电池交换站被认为是电网的一个工业用户,因此,应采

用工业税费作为智能运营的投入｡而且,电动汽车到达时间表和它们所需的能量应该提前一天知道｡此外,还应跟踪加油站内正在充电和更换的电池的状态,以便为

客户提供相应的服务｡在一天结束的时候,智能运营方案的输出将包括使用电网为电池充电的总成本,以及向客户更换和出售能源的收入｡另外,对服务过的客户进

行全面的分析,以帮助以后的分析和设计｡例如,如果客户/电池选择在这一天得到一个结论:一个客户因为以下原因得不到服务,如客户队列很长,或当客户到达时

得不到充好电的电池,这时就会对这个问题进行研究以防止这个问题第二天出现｡

通过结合不同的实例分析,结果表明,即使考虑了电网功率限制和电池自退化,电池交换站在服务时间､服务客户数量和运营成本方面均优于传统充电站｡该方法

在满足电动汽车用户需求的同时,使电池交换站投资者的利润最大化｡电池交换可以集成到车到家(VehicletoHome,V2H)机制中｡V2H策略､电网和风力发电在家庭能源管理中的协调作用也能降低能源成本｡V2H可以缓解电网的电力波动性,该模式可减少电力消耗高达50%｡

某电动汽车(ElectricViecle)､备用电池(ReserveBattery)､太阳能(SolarPanels)和并网线路(ElectricGrid)四部分组成的系统｡通过这个系统为电动汽车和备用电池确定了电池交换策略｡图中的超级电容器(SuperCapacitor)来消除离网运行时的太阳不确定性｡能源管理工具(EnergyManagementTool)的目的是提高能源弹性和降低能源成本｡在电网和太阳能不可用的情况下,可以通过电动汽车提供负荷需求并储备电池,这就提高了系统的恢复能力,使系统在离网和并网状态下继续运行｡在此模型中,电动汽车车主可以随时更换电动车辆的电池并驶离建筑物,电动汽车和备用电池相协调可以有效地参与能源管理系统｡在电动汽车离开家的时候,备用电池可以在放电状态,即车辆到电网(Vehicle-to-Grid,V2G)模式下运行｡

通过电动汽车与备用电池的协调调度,实现备用能量的优化最大化｡该模型使用两个电池进行电池更换,不仅解决了电动汽车充电时间过长的问题,而且还实现了增大电动汽车行驶里程､降低能耗､提高能量恢复能力､备用电池的可用性以及电动汽车全天候灵活使用等目标｡

笔者研究资料获知了一个环保､独立､快速地运行在完全可再生混合能源系统中的电动汽车充电站方案｡该方案独立于电网,包含太阳能､风能和由生物质燃烧室加热的蒸汽兰金循环装置,以及电池､氢､氨和蓄热系统,可实现每天快速充电80辆即插式电动汽车的目标｡在考虑了可再生能源系统的站点特定自然条件和间歇性的基础上用工程方程求解器进行了详细的热力学评估｡证明在位于炎热和干旱的地区的卡塔尔该系统能够可靠地实现充电目标｡并且,在研究了电池容量､太阳辐照度､风速和环境温度等几个重要运行参数对该方案的影响后,确定了方案中各要素的最优配置和运行模式｡

主要研究结果有:(1)H2和NH3燃料电池的能量效率分别为77%和72%;(2)集中光伏/热(CentralizedPV/Thermal,CPV/T)-热效率和电-火效率分别为45%和

37%;(3)由CPV/T产生的热量被集成锂溴吸收式冷却系统利用,该冷却系统用于液化产生的NH3气体和冷却电池存储系统,以保持操作温度低于50℃;(4)集成了相变材料蓄热系统,可在夜间和不利的天气条件下保持热水流向吸收式冷却系统｡

3无线充电技术

无线充电系统主要由高频电压源､耦合线圈､地面和车载侧的补偿电路､车载整流器和充电电池组成｡地面侧和车载侧之间通过电磁场传递能量,避免了电缆的束缚,具有无需插拔､无须精确对准和无接触火花等优点,极大地提高了电动汽车充电的便利性和安全性,引起了国内外学者的广泛关注｡而基于LCC-LCC/S混合补偿网络的无线充电系统方案在恒流充电模式下,副边采用LCC补偿拓扑｡在恒压充电模式下,副边采用串联补偿拓扑｡通过自动切换副边补偿电路,系统可以安全平稳地实现恒流恒压充电模式的切换,不会对电路器件产生较大的电流/电压冲击,充电电流和电压随电池等值电阻的变化率相对较低,可以满足电动汽车的充电要求｡

4结论

总结了几个典型的充电设施优化布局的数学模型,说明需要建立一个合理分布的充电站网络以最大限度满足充电需求,同时充电设施的布局要经济､环境友好｡如果没有合理的用户充电行为引导及管理机制,电动汽车充电负荷将成为电网的沉重负担,但通过计划运行,电动汽车也可以用来提高电网电压的稳定性｡如以需量费用和需求响应电价作为激励用户进行负荷管理,通过建立双重电价机制实现对电动汽车的分类引导,基于电网价格和用户需求的优化充换电智能决策,或通过V2H机制与其他能源整合等都能起到将峰期负荷向用电低谷时段转移或者协调太阳能､风能和传统电网的作用,缓解电网的电力波动｡无线充电技术介绍了基于LCC-LCC/S混合补偿网络的无线充电系统方案｡

参考文献

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