V2G模式下電動汽車與電網的互動關系研究綜述

沈陽工程學院研究生部 蔡嘉雨

沈陽工程學院電力學院 趙志剛

V2G（Vehicle to Grid）技術正逐漸受到人們的廣泛關注，通過V2G技術不僅使電網經濟性得到提升，而且為電動車車主創造收益。本文首先介紹了電動汽車在V2G模式下三種實現方法，通過闡述電動汽車接入配電網后產生的影響進一步分析了V2G的經濟價值和社會價值。其次通過介紹電動汽車有序充電，論述了有序充電在V2G模式下的必要性。最后介紹了電動汽車的的電池管理系統BMS,并針對V2G模式下實現用戶與配電網雙贏做出了美好展望。

隨著化石燃料走向枯竭、全球變暖趨勢加劇，鼓勵人們使用清潔能源將使環境污染程度變小，運行成本降低。在此背景下，V2G技術正受到人們的廣泛關注。通過V2G，電網的經濟性可以得到很大程度的改善，同時為電動車用戶創造收益。因此，世界各國政府紛紛出臺了一系列政策支持電動汽車產業的發展。當電動汽車接入電網時，可以作為用電負荷也可以作為儲能電源裝置，使其對配電網而言具有雙重身份。在電動汽車大規模普及的背景下，電動汽車無序充電可能會給配電網帶來電壓下降、線路過載以及能量損耗增大等棘手問題。通過對電動汽車充放電進行合理的控制，有序調控電動汽車充放電，以實現用戶與配電網雙贏。

1 V2G的定義及其實現方法

V2G是指電動車輛不僅可以作為充電負荷，還可以作為儲能設備。當電動汽車被賦予雙重角色后，電動汽車在電網獲得能量的同時通過充電站向電網反饋電能。實際上，目前電網效率不高且成本偏高，容易造成浪費。

V2G系統的主要組成部分有電池管理系統BMS、充放電機、V2G后臺管理系統和V2G控制中心。V2G控制中心是V2G系統的心臟，它可以通過對負荷、風電的預測制定V2G的充放電計劃并發布到各V2G后臺管理系統進行匯總；V2G后臺管理系統匯總了電池管理系統通過充放電機所獲取的充放電電流、電池容量與荷電狀態、電池是否允許充放電等信息。由于電動汽車種類繁多，采用的供電方式有所不同，為此要實現V2G可以采用集中式，自治式，基于微電網三種方法。集中式方法以電網需求為中心，通過對某一區域內集中的電動汽車進行統一的管理調度來實現電動汽車的充電放電；而自治式方法無法對散落在各處的電動汽車進行集中管理，電動汽車具有很強的隨機性，但是在車載式的智能充電器的作用下電動汽車可以進行自由充放電，成本偏高而實用性強；基于微網的V2G實現方法是將電動汽車的儲能設備集成到微網中，以微電網為對象直接為微網的風力、光伏等分布式電源提供電能消納，減少棄風棄光，提高整體經濟性。

2 大規模電動汽車接入配電網的影響

純電動汽車是最具有代表性的電動汽車之一，也是V2G技術的主要響應對象，純電動汽車的理想電池是鋰離子電池，電動機是這種汽車的動力源，不需要內燃機，實現了節能減排綠色環保的標準理念。在V2G模式下，電動汽車接入配電網導致用電負荷呈現上漲趨勢。配電網電能質量的主要影包括電壓下降和諧波污染2個方面。當用電負荷處于高峰時，如果大量電動汽車接入充電設備進行充電，則此時配電網的供電壓力很大導致電壓下降；而諧波污染是在電動汽車接入配電網后，由電力電子設備生成了諧波干擾，諧波干擾導致測量儀表不準確，電力導線熱老化。而且近年來，隨著“綠色發展，節能減排”理論的提出。新能源發電理論被引入電網，風能，光能大量的并入電網開始了規?；l展。對系統的頻率、電壓水平提出了更嚴格的要求。若不滿足要求，電動汽車迅即脫離電網，給系統安全穩定運行帶來不利影響。

3 電動汽車的有序充電

有序充放電以改善電網的經濟效益和運行狀況為目的，對接入電網的電動汽車進行合理的調度控制，使電動汽車在用電峰谷時刻以低價充電，在用電峰值時刻放電補貼電網。實行有序充放電策略可以減輕電動汽車大規模接入時對電網產生的壓力。通過使電動汽車在用電峰值時刻放電，用電低谷時期享受低價充電，對負荷進行削峰填谷，減少電網傳輸電能時的損耗，實現用戶的用電成本以及電網輸電成本降低以提高經濟性。除此之外，充分利用好風，光等分布式能源，提高新能源發電的利用率也是重中之重。然而現實生活中并非所有的電動汽車用戶都會響應針對有序充電策略，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支出滿意度。

表1 常見電動汽車電池成本估算

而在G2V環節中，電動汽車作為電力系統的負荷部分可以對其狀態進行靈活調節。當電動汽車從G2V環節轉換到V2G環節后，電動汽車的角色隨即發生了變化。在智能電網和V2G技術的支持下，電動汽車進行角色轉換作為分布式儲能裝置，可以使用電動汽車來消納新能源，提高新能源發電的普及率和利用率。作為分布式儲能裝置時，電動汽車可以抑制電網負荷波動，減小負荷峰谷差，實現與配電網的互利共贏要以滿足電動汽車的出行需求。當電動汽車連接充電樁時，在一段時間內可以進行充電或放電，而在電動汽車車主將出行時要使電池電量達到理想狀態。故此連接充電樁的電動汽車電池電量過低時，電動汽車僅作為負荷，不會響應V2G；而電池滿載時電動汽車僅作為電源，也不會響應V2G。故此對電動汽車充電與放電時間分水嶺的界定是當下亟待研究的問題。

4 純電動汽車電池管理系統

電池管理系統主要是由數據采集、充放電管理、故障檢測三部分組成。在電動汽車充放電過程中，單體電池需要進行SOC計算，對電池荷電狀態進行分析以判斷電量是否滿足電動汽車的出行需求，將SOC評估結果作為電池管理系統可靠性的判斷指標，及時對故障進行保護性處理。

4.1 電動汽車電池管理技術

電池管理系統由電池的物理特性和應用目標所決定，數十個高容量單體電池通過串聯可以使電池處于較高的電壓等級以提供較大的功率。電動汽車電池串聯組合通?？梢詣澐譃槎鄠€電池模塊，每個電池模塊由4-14個單體電池串聯組成。因此，電池可看作是由單體電池、電池模塊和電池串等三個嵌套層構成，并且作為電池管理系統監控和管理功能的一個子集完成了智能平臺的搭建。這種方法采用分層體系結構的電池管理系統，最內層是用于每一個單體電池或電池串的電池監測單元（CMU），中間層由用于電池監測的模塊管理單元（MMU）組成，模塊管理單元采集內部電池監測單元的基本監控信息以服務于監測所有電池串的群管理單元（PMU）。電動汽車的電池管理技術是促進電動汽車大力發展的關鍵因素，在電池管理技術下電池性能的好壞直接影響電動汽車的購買成本，表1所示是某些品牌電動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，因此電池管理技術中必須考慮電池的購買成本及放電時電池損耗的影響，設置合理的充放電深度從而在電池壽命范圍內充分利用電池。

4.2 電壓監測技術

對于配電網的運行而言，電動汽車電池參數的監測顯得尤為重要。其中，電壓監測技術是通過安排特定的測試來觀察電池端電壓及其在溫度和負荷方差作用下與容量之間的關系，根據電池電壓的測量結果以確定電動汽車的荷電狀態。此類技術成本低，但電池電壓和容量之間的相關性隨著時間的變化，只有在電池經過了一段時間充電/放電才會比較明顯，電池容量作為電池使用壽命評估的參考價值變小。電壓監測技術要結合電池的細節參數、任務應用、用戶行為以及用戶環境，因此電壓監測技術不是電動汽車電池參數監測的最佳手段。而研究人員以具備一定可用容量的電池阻抗對電阻進行測量的方式進行電池實驗，電池傳遞的能量將隨著電池的內部電阻的增加而下降直到失去存儲能量的能力。若電池組結構特征相似，電池電阻和電池存儲能量之間的關系確定，對于不同電池組結構，兩者關聯性有所不同。電阻測量技術結合了充電和放電兩種不同模式的電池特性，先測試電池對可變信號、負載或充電電流的響應，再通過應用歐姆定律測量內部阻抗。電阻測量技術原理上可以克服電池老化、電池壽命和溫度差額等問題，選擇一個合適類型的負載或充電應用是電阻測量技術得以實現的關鍵。

結論與展望：電動汽車以V2G為背景接入電網后，配電網的電能質量、可靠性和經濟運行受到了直接影響，從工程到經濟的效益尤為突出。未來可能伴隨“換電為主，充電為輔”的理念，通過電動汽車動力電池移動儲能進一步降低電力系統的投資和運營成本，解決換電標準體系安全與責任界定等問題，明晰電動汽車廠家與電池租賃商的利益劃分，推動換電方式的發展。為適應大規模、高滲透率的電動汽車接入配電網，傳統配電網向運行更為靈活的主動配電網轉變，儲能、電動汽車的應用與推廣，對電動汽車電池加強管理規劃勢在必行。