基于電動(dòng)汽車充放電方式研究

胡楨昊

（浙江省富陽中學(xué)，浙江杭州，310000）

0 引言

從上世紀(jì)七八十年代以來，伴隨著石油等化石能源的枯竭危機(jī)，國(guó)內(nèi)外的較多汽車商開始對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行研究，隨著近幾十年的發(fā)展，國(guó)外以特斯拉等品牌為代表的電動(dòng)汽車[1]。國(guó)內(nèi)也產(chǎn)生了以比亞迪為代表的優(yōu)秀電動(dòng)汽車產(chǎn)品，與國(guó)外的同類型的產(chǎn)品并無較大差距。同樣隨著世界能源的不斷枯竭和世界環(huán)境的不斷惡化，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為了未來汽車的發(fā)展方向，也是節(jié)能減排下的必然選擇[2]。

隨著分時(shí)電價(jià)政策的出臺(tái)，提出了電網(wǎng)與電動(dòng)汽車互動(dòng)（Vehicle–To–Grid，V2G）的概念，指的是電動(dòng)汽車通過充放電裝置在需要時(shí)向電網(wǎng)放電，為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻等服務(wù)[3]。利用V2G 技術(shù)可以為電網(wǎng)和用戶創(chuàng)造效益，并可與風(fēng)力和太陽能等新能源發(fā)電技術(shù)配合使用，用于提高電網(wǎng)消納間歇性新能源發(fā)電的能力，因此V2G 技術(shù)在近些年受到了廣泛關(guān)注和深入研究[4]。本文針對(duì)V2G 對(duì)電網(wǎng)削峰填谷作用及經(jīng)濟(jì)效益，提出一種在我國(guó)杭州市電價(jià)體制下小區(qū)電動(dòng)汽車參與V2G 經(jīng)濟(jì)充放電的方法。

1 電動(dòng)汽車的充放電方式

電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動(dòng)汽車具有以下特點(diǎn)：動(dòng)力來源廣泛；對(duì)環(huán)境造成的污染較低；維修維護(hù)方便；噪聲低；效率高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用范圍廣，對(duì)環(huán)境影響較小。同時(shí)電動(dòng)汽車按照動(dòng)力類型，電動(dòng)汽車可分為純電動(dòng)汽車(PEV)、混合動(dòng)力汽車（HEV）和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV），本文以純電動(dòng)汽車作為研究目標(biāo)[5]。

電動(dòng)汽車鋰電池的充放電方式對(duì)于電池的壽命及使用效率有很大的影響，良好合適的充放電方式能大大延長(zhǎng)電池的使用壽命及電池使用的效率。電動(dòng)汽車的充電法分為常規(guī)充電法、快速充電法及更換電池法等。電動(dòng)汽車的常規(guī)充電方法包括恒流充電法、恒壓充電法和恒流恒壓充電法[5]。

其中恒流充電由于其充電過程中電流恒定，充電電壓不可控，存在充電效率較低，充電時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)；而恒壓充電時(shí)，由于充電電流不可控，初始充電電流過大，這可能導(dǎo)致充電過程電池溫度過高，甚至電池爆炸等嚴(yán)重后果；恒流恒壓充電法綜合了兩種充電方法，如圖1所示，第一階段中充電電流保持恒定，第二階段中充電電壓保持恒定，當(dāng)充電電流下降到最小值時(shí)，或者接受到外部停止充電命令時(shí)，電動(dòng)汽車電池終止充電[6]。

圖1 恒流恒壓充電方式

電動(dòng)汽車的放電方法采用的恒流放電方式，即保持恒定電流放電輸出，并隨時(shí)檢測(cè)蓄電池的兩端電壓，當(dāng)電池兩端電壓小于系統(tǒng)設(shè)定閾值或者電池SOC狀態(tài)值小于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)汽車的電池停止放電。本文結(jié)合實(shí)際，從延長(zhǎng)電動(dòng)汽車電池壽命考慮，設(shè)定當(dāng)電池SOC低于20%時(shí)，電池停止給電動(dòng)汽車供電。

2 電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)充電和放電的雙向能量流動(dòng)，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)的充放電方式流程如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)

電網(wǎng)用電低峰時(shí)，即分時(shí)電價(jià)政策中低電價(jià)時(shí)，進(jìn)行充電，能量由電網(wǎng)流向蓄電池組，電網(wǎng)交流電經(jīng)過AC/DC整流器變成直流電，再經(jīng)過DC/DC直流斬波電路進(jìn)行直流變換，以保證可以根據(jù)電池SOC狀態(tài)來給蓄電池提供恒壓或者恒流的直流電進(jìn)行充電。

電網(wǎng)用電高峰時(shí)，即分時(shí)電價(jià)政策中高電價(jià)時(shí)，進(jìn)行放電，能量由蓄電池組流向電網(wǎng)，蓄電池中直流電經(jīng)過DC/DC直流斬波電路將直流側(cè)電壓升高，以達(dá)到逆變直流側(cè)電壓要求，然后直流電壓經(jīng)過DC/AC逆變器變成交流電，逆變過程中需要實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)信息，以保證逆變出來的交流電與電網(wǎng)保持同步。同時(shí)當(dāng)電池SOC狀態(tài)低于20%時(shí)，蓄電池停止放電。

3 電動(dòng)汽車充放電的經(jīng)濟(jì)效益分析

前文已經(jīng)對(duì)電動(dòng)汽車的充放電方式及充放電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，下面針對(duì)杭州市分時(shí)電價(jià)政策下某小區(qū)單臺(tái)電動(dòng)汽車月經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。根據(jù)杭州市分時(shí)電價(jià)政策[7]，杭州市實(shí)施分時(shí)電價(jià)與分段電價(jià)結(jié)合，具體電價(jià)分布與價(jià)格如式(1)所示：

其中Phigh為用電高峰電價(jià)，Plow為用電低谷電價(jià)，單位為元；Q為用戶月用電量，單位為千瓦時(shí)（KW.h）。

本文以國(guó)內(nèi)最常見的比亞迪純電動(dòng)汽車為研究目標(biāo)，比亞迪電動(dòng)汽車的電池容量Qv約為18KW.h。電動(dòng)汽車常用電池在充電時(shí)一般損耗17%的電量，即電池充電轉(zhuǎn)換效率η1為83%，放電轉(zhuǎn)換效率η2約為80%[8]。同時(shí)前文有提及，為提高電池使用效率及延長(zhǎng)電池壽命，這里電池只使用80%的容量參與充放電。本文中單臺(tái)電動(dòng)汽車以獨(dú)立電表入網(wǎng)進(jìn)行V2G。

■3.1 月用電量

顯然可以得到單臺(tái)電動(dòng)汽車充滿一次需要消耗電能Q1如式(2)所示：

結(jié)合實(shí)際使用情況設(shè)定，每周電動(dòng)汽車工作日作為代步工具正常使用，周末兩天電動(dòng)汽車每天高峰期參與V2G調(diào)峰。所以電動(dòng)汽車工作日每?jī)商斐潆娨淮?，周末兩天每天充電一次，得到每周充電次?shù)為4.5次，每月充電次數(shù)約為20次，得到月用電量Qm1。

■3.2 月發(fā)電量

電池放電效率η2為80%，結(jié)合考慮逆變并網(wǎng)損耗10%，得到放電綜合效率η3約為72%，以及電池每次使用80%的電量。

得到單臺(tái)電動(dòng)汽車參與一次所能放電量Q2如式(4)所示：

依前文設(shè)定得到電動(dòng)汽車每月參與放電次數(shù)約為8.5次，得到月發(fā)電量Qm2。

■3.3 充電經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)公式(1)得到月用電價(jià)格Pm1（單位元），

月發(fā)電收益Pm2為：

其中以月平均充電用電成本Pm3為：

所以單臺(tái)電動(dòng)汽車參與V2G調(diào)峰月收益Pm約為10元。不僅降低電動(dòng)汽車的用電成本，同時(shí)參與了電網(wǎng)調(diào)峰，有利于電網(wǎng)的宏觀調(diào)控。也為祖國(guó)的電力能源事業(yè)做出了自己的一份貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合電動(dòng)汽車在小區(qū)日常生活使用的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)充放電控制策略，并根據(jù)杭州市實(shí)際分時(shí)分段電價(jià)政策對(duì)這種經(jīng)濟(jì)充放電控制策略的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。得到了這種控制策略不僅能夠降低電動(dòng)汽車的用電成本，同時(shí)能夠參與了電網(wǎng)調(diào)峰，有利于電網(wǎng)的宏觀調(diào)控的結(jié)論。我國(guó)政府正在大力扶持與推廣電動(dòng)汽車的使用。相信隨著科技的進(jìn)步，電動(dòng)汽車的充放電效率的不斷提升，其經(jīng)濟(jì)效益愈來愈好，電動(dòng)汽車會(huì)更好地應(yīng)用到我們的實(shí)際生活中。