電動汽車V2H能源管理與優化系統

李婉璐

(清華大學電機系，北京100084)

0 引言

發展節能與新能源汽車是全球汽車工業應對能源和環境問題的共同選擇［1］。根據去年底頒布的《節能與新能源汽車產業發展規劃》，我國新能源汽車發展的總體目標是，到2015年，新能源汽車初步實現產業化，純電動汽車和插電式混合動力汽車市場保有量達到50萬輛以上［2］。與普通燃油汽車相比，電動汽車(electric vehicle，EV)可以有效減少CO2氣體的排放及尾氣污染，另一方面，提高電動汽車電能利用率已成為當今世界科技發展的重要課題之一。

V2H意為vehicle to home，即車輛入宅。它以電動汽車電池作為分布式儲存電能的載體，在用電低谷時對電動汽車進行充電，在用電高峰或特殊情況時為家庭供電。因此，它在一定程度上有效解決了電網幾乎不能儲存能量的缺陷，為電能的有效利用提供了一個新的途徑。本文從V2H系統的5個主要組成部分，工作進程，影響電能使用效率的幾個因素，使用用途等方面分析了當前國際上有關V2H系統的研究及應用現狀，在此基礎上對V2H系統的未來發展提出了建議。

1 V2H系統中幾個主要部分的作用

1．1 電池管理系統(BMS)

在后臺管理系統(EMS)和雙向智能充放電系統(EV－PCS)之間建立聯系。實時監控車輛電池運行信息，準確估測動力電池組的荷電狀態(SOC)，改變執行策略及電流傳輸。從而實現電池的狀態控制，故障診斷及安全保護等作用，并可以有效防止電動汽車電池過充電或過放電造成的損傷［3］。

1．2 雙向智能充放電系統(EV－PCS)

實現電動汽車能量的雙向流動，通過外部控制器選擇工作模式。將裝置與家庭電網相連。當選擇充電(charge)模式時，充電裝置向電動車進行充電，并由后臺管理系統控制其開始與結束;當選擇V2H(discharge)模式時，車輛根據已設置的SOC上下限閾值及后臺管理系統的整合數據判斷是否可以進入V2H的工作狀態，并通過人機交互終端進行工作進程的顯示［4］。現階段可采用三相全橋雙向PMW變換對電池進行充放電;并在電網交流側與電動汽車側采用隔離變壓器進行電氣隔離［5］。

1．3 后臺管理系統(EMS)

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。它用來采集，統計，計算車輛可充放電的實時容量，受控時間等信息，并將其反饋給安全監控和數據采集系統(SCADA)。并根據SCADA系統的調度指示，對雙向智能充放電裝置進行充電或放電容量的二次分配指令。

1．4 人機交互終端 (UT)

主要由嵌入式控制器，觸摸屏，射頻卡讀卡器，CAN通信卡等組成。可以進行的功能主要有:界面顯示，數據信息管理查詢，參數設置，用戶操作提示，異常信息提示等功能。

1．5 智能電表

用于雙向計量，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，逆相序等)等。

2 V2H系統的信息傳輸方式

圖1為V2H系統的簡略信息流程圖，其中，車輛的充放電由雙向智能充放電系統(EV－PCS)實現，并通過BMS系統、后臺管理系統、人機交互終端進行監測和操控;家庭用電設備通過人機交互終端和智能電表進行控制和顯示。從而實現電動汽車與家庭之間雙向可控的能量傳遞。

圖1 信息流程圖

V2H系統充電流程如圖2所示(以充電為例，放電流程與充電相同)，當系統開啟后，通過人機交互終端設定充放電參數，通過BMS系統和后臺管理系統收集SOC數據并進行整合，判斷充放電是否可行。在充放電的過程中，保持BMS系統的實時監控，從而判斷充放電是否完成，確定完成后系統進入待機狀態，等待下一次命令。

圖2 充電流程

3 V2H系統效率的影響因素

3．1 電動汽車SOC(state of charge)上下限閾值及家庭用電負載參數

過度充電與過度放電都會引起電池的故障。SOC閾值決定了電動汽車可以充電及放電的容量，其范圍越大，可利用的電池能量就越大。而在V2H系統的應用中，電動車電池的放電功率等參數有一定限制，并不是所有的家用電器都可以應用這類電池進行供電。對于普通中等功率電器，如電視機，電腦，大部分低于200～300 W，通常可以直接作為V2H的供電負載。但對于較大功率的用電負載，在現階段V2H系統的應用中還并不完善［6］。

3．2 電動汽車電能轉換效率

從V2H系統構成來看，影響電能轉換效率的部分主要在于電池本身的性質及雙向智能充放電裝置效率。因此，應盡量選用適合電能轉化傳遞的電池種類，并在電池電能的DC－AC整流過程中盡量選取損耗較小的轉化裝置。同時，由于V2H系統在多數情況下并不是由多輛電動汽車共同供電，而是由單獨的電動汽車供電，因此整個系統不宜過于繁瑣且傳輸距離較長。

3．3 家用電動車通勤使用時間及距離。

電動車的供電通常是在汽車閑置并保存有一定電量的情況下進行的。考慮到V2H過程本身的消耗，如果在電網正常無負擔供電時大量使用電池供電，會降低電能的利用效率。以上海為例，2009年最大的用電峰谷值為967×104kW，其中98%的高峰負荷不超過1 d，95%的高峰負荷不超過100 h，V2H系統的在減緩用電高峰效用是受到時間因素的限制的［7］。

根據英國華威大學對于每天通勤距離不同的電動汽車對減緩家庭用電高峰壓力效果的研究發現，對于普通電動車，當通勤距離為2～30 km/d時，V2H系統都可以有效的緩解家庭用電峰值;當通勤距離達到80 km/d時，則不能達到此效果［8］。因此，平衡V2H系統本身的效用與客戶使用電動車的需求是V2H系統在正式應用中亟待解決的問題。

4 V2H系統的用途及前景分析

V2H系統可用于調節峰谷用電，減少用電高峰的電網壓力及家庭用電花費。由于電動汽車電池通常由電網供電，因此多在用電低峰時進行充電，僅在中國，谷電就可以供給1 000萬輛轎車和100萬輛公家車充電，每天總共消耗電能3．4億kW·h，可替代20×104t石油［9］。據國家電網統計，90%以上的車輛有95%的時間處于停駛狀態，在用電高峰時，以每輛電動汽車快速放電100 kW計，如果1個居民區內有100輛電動車同時放電，則可以解決1×104kW的電網負荷。而從花費角度來看，假設用電高峰時電價約為峰谷時電價的2．2倍，那么考慮到電池的損耗(鋰電池可重復充放電1 000次左右)，V2H轉化的損耗，那么通常只要V2H系統本身的效率高于大約50%，就可以達到節約電能花費的效果。

V2H系統可以用作應急的備用電源。據調查，i－MiEV型號的電動汽車已實現1 500 W的放電功率，其功用可為家庭電飯煲或微波爐充電。法國雷諾公司則表示，可行駛200 km的電動汽車所使用的鋰電池所存儲的電能，可以供給普通家庭兩天的用電。從中可以發現V2H系統用于緊急供電的可行性。今年日本發生大地震后，核反應堆發電的停用造成了日本嚴重的電力短缺，而根據兩大電動汽車制造商尼桑和三菱的調查報告顯示，災難的發生不僅促進了電動汽車的銷售，也凸顯了電動汽車電池作為備用電力能源的地位［10］。同時，電動汽車本身的可移動性也使V2H系統具有了較強的靈活性。當地震，水災等造成電網大面積癱瘓時，將電動汽車駛入災區，或者利用災區本身具有的V2H系統，可以為具有相應V2H接口的民用、公用設施提供緊急供電，同時，也為緊急醫療服務提供了便利。

在V2H系統的未來建設中，可以在車庫等場所引入V2H系統的接口，可以更方便地進行電動汽車的充電放電;對于家庭用電設施的插座進行IP編址，形成智能家庭電網，可以根據電動汽車自身的放電容量，人為或智能地選擇單獨對某一設備進行供電;而當家庭無需用電而車輛又方便放電時，可以選擇將多余的電能回饋電網。另一方面，可以將多輛電動汽車共同接入V2H系統，實現電能的積少成多，共同為家庭或公共設施用電設備進行供電。

5 結語

通過上述分析，V2H系統可將節能減排的目標落實到每輛汽車，將智能電網的規劃應用到每個家庭，從近的效果來看有利于人民，從遠的影響來看有利于國家。建議國家建立接口標準可調的家庭V2H系統，以便為其未來的廣泛應用提供標準及便利，并將V2H系統的研究及推廣正式納入國家科技發展規劃的戰略目標和技術體系中，建立電動汽車從智能快速充電，到節能環保使用，再到電能高效利用的有機整體。

［1］劉水發．中國新能源汽車發展戰略分析［J］．中國科技博覽，2009(31):252－253．

［2］陵龍．電動汽車的V2G［J］．汽車與配件，2009(41):22－23．

［3］廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等．電池管理系統國內外現狀及其未來發展趨勢［J］．汽車工程，2006，10(28):961－964．

［4］杜成剛，張華，李瑾，等．電動汽車入網技術在智能電網中的應用［J］．華東電力，2010，4(38):558－560．

［5］宋維庭，耿新民．基于PWM的電動汽車V2G雙向充放電裝置研究［J］．電工技術，2011，7:9－10．

［6］廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等．電池管理系統國內外現狀及其未來發展趨勢［J］．汽車工程，2006，10(28):961－964．

［7］滕樂天，何維國，杜成剛，．電動汽車能源供給模式及其對電網運營的影響［J］．華東電力，2009(10):1675 －1677．

［8］Gareth Haines，Andrew McGordon and Paul Jennings．The simulation of Vehicle－to－Home System–Using Electric Vehicle Battery Storage to Smooth Domestic Electricity Demand［R］．EVER MONACO Ecological Vehicles ＆ Renewable Energies．2009 March 26－29．

［9］葉瑞克，歐萬彬，呂琛榮，等．基于經濟技術分析的電動汽車商業化模式研究［J］．未來與發展，2010，33(11):31－36．

［10］孫浩然．日本新能源汽車產業發展分析［D］．吉林大學，東北亞研究院，2011．