第七章 电动汽与智能电网

新能源汽车概论,第七章电动汽车与智能电网,7.1电动汽车充放电技术7.2电动动汽车充换电设施现状与发展,本章主要内容,7.3电动汽车与电网互动技术,7.1电动汽车充换电技术,7.1.1电动汽车电能供给方式,电动汽车电能供给方式主要分为整车充电和电池更换两种方式。,(2),(1),整车充电是指采用交流充电桩、车载充电机、非车载充电机等充电设备直接对电动汽车车载动力电池进行充电,电池更换是指用充满电的动力电池组更换车上需要充电的动力电池组，实现电动汽车能源的快速补给。,7.1电动汽车充换电技术,整车充电方式与电池更换方式的优劣对比,7.1.1电动汽车电能供给方式,7.1电动汽车充换电技术,7.1.2整车充电技术,交流慢充是指采用小电流在较长的时间内对动力电池进行慢速充电，这种充电又称为普通充电。常规动力电池均采用小电流的恒压恒流三段式充电，一般充电时间可长达510h。,交流慢充的优点：,充电装置和安装成本较低。,可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本，保证充电时段电压相对稳定。交流慢充的缺点：充电时间过长，难以满足车辆紧急运行的需求。,根据充电时间的长短,直流快充,交流慢充,充电装置和汽车接收装置,传导式充电,感应式充电两种,（1）交流慢充,7.1电动汽车充换电技术,直流快充又称为应急充电，是指以较大的电流在12min1h的短时间内，为电动汽车进行充电的一种方式。,直流快充的优点：充电时间短，便利性好。,直流快充的缺点,充电效率较低，充电装置安装成本和工作成本较高。充电电流大，对充电的技术和方法要求高，对电池的寿命有极大影响。充电电流大显著降低电池寿命，并存在安全隐患。,（2）直流快充,7.1.2.2传导式充电和感应式充电,7.1电动汽车充换电技术,传导式充电即接触式充电，采用插头与插座的金属接触来导电，国内常采用的充电电源主要有以下几种：相控电源、线性电源和开关电源。,1.技术成熟,3.工艺简单,2.成本低廉,2.不能有效传输电能,1.易引起机械磨损,3.裸露在外面不安全,电动汽车的传导式充电,优点：,缺点：,（1）传导式充电,7.1电动汽车充换电技术,感应式充电即非接触式充电，充电装置和汽车接收装置之间不采用直接电接触的方式，而是由分离的高频变压器组合而成，通过感应涡合，无接触式地传输能量。,感应充电机的充电原理,电磁感应方式,微波方式电磁感应方式磁共振方式,（2）感应式充电,1）电磁感应方式,电磁感应通过传送绕组和接收绕组之间传输电力，是最接近实用化的一种充电方式。,7.1电动汽车充换电技术,感应充电机的充电原理,（2）感应式充电,2）磁共振方式,7.1电动汽车充换电技术,主要由电源、电力输出、电力接收、整流器等主要部分组成，原理与电磁感应方式基本相同电源传送部分有电流通过时，所产生的交变磁束使接收部分产生电动势，为电池充电时输出电流。磁共振方式加装了一个高频驱动电源，采用兼备线圈和电容器的LC共振电路，而并非由简单线圈构成传送和接收两个单元。当传送距离发生改变时，传输效率迅速降低。传输效率还与传送与接收单元的直径相关，传送面积越大，传输效率也越高,（2）感应式充电,3）微波方式,7.1电动汽车充换电技术,。,使用2.45GHz的电波发生装置传送电力，传送的微波也是交流电波，用整流电路转换成直流电为汽车电池充电。为防止充电时微波外漏，充电部分装有金属屏蔽装置。,目前存在的主要问题是，磁控管产生微波时的效率过低，造成许多电力转变为热能，被白白消耗,（2）感应式充电,7.1电动汽车充换电技术,电动汽车充电设备主要包括交流充电桩、充电机等，其功能类似于加油站里的加油机。,交流充电桩是指固定安装在电动汽车外、与交流电网连接、采用传导方式为具有车载充电机的电动汽车提供交流电源的装置。一般由桩体、充电插座、保护控制装置、计量装置、读卡装置、人机交互界面等组成，功率一般不大于7kW,交流充电桩原理框图,（1）交流充电桩,7.1电动汽车充换电技术,供电接口触头布置,常用的交流充电桩可分为一桩一充式、一桩双充式及壁挂式。壁挂式交流充电桩适用于地面空间狭小、周边有墙壁等固定建筑物的场所。每个交流充电桩都装有充电插座，目前大部分交流充电桩都采用GB/T20234.22015电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口中规定的七孔插座，供电接口触头布置如图所示。,（1）交流充电桩,触头电气参数值及功能定义,7.1电动汽车充换电技术,（1）交流充电桩,7.1电动汽车充换电技术,7.1.2.3充电设备及关键技术,充电机作为供电电源与电动汽车动力蓄电池之间的功率转换器，其功能是将供电电源的能量按照既定的充电模式传递给电动汽车动力蓄电池。,三相单相交流电输入经过可控或者不可控整流器整流,根据电池各项采样参数，产生DC/DC变换控制信号,其基本工作原理为：,（2）充电机,根据不同的分类标准，电动汽车充电机可以分成多种类型,充电机的分类,7.1电动汽车充换电技术,（2）充电机,7.1电动汽车充换电技术,车载充电机是指安装在电动汽车上的采用地面交流电网和车载电源对电池组进行充电的装置，它将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电动汽车动力电池充电。,非车载充电机一般安装于固定的地点，已事先做好输入电源的连接工作，而直流输出端与需要充电的电动汽车相连接。,交流充电桩与车辆连接示意图,（2）充电机,7.1电动汽车充换电技术,车辆插头触头布置,非车载充电机一般采用GB/T20234.32015电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口中规定的充电模式4及连接方式C对电动汽车进行供电。车辆插头触头布置如图所示,通常非车载充电机的功率、体积和质量都比较大。非车载充电机与电池管理系统在物理位置上是分开的，它们之间必须通过电线或者无线电进行通信。,（2）充电机,触头电气参数及功能定义,7.1电动汽车充换电技术,（2）充电机,感应式充电机利用了电磁感应耦合方式向电动汽车传输电能，两者之间没有实际的物理连接，充电机分为地面部分和车载部分。,7.1电动汽车充换电技术,目前，由于感应充电技术尚不成熟，电动汽车充电使用的多为传导式非车载充电机。非车载充电机一般采用多个电源模块进行串并联来实现大功率充电。,感应式充电结构,（2）充电机,7.1电动汽车充换电技术,开关电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关管的占空比来调整输出电压,开关电源原理图,通过不可控整流电路将电网电压转变为直流电压，然后通过逆变电路将直流电压转变为高频交流电，通过高频变压器进行隔离和电压转换，然后进入二次侧整流滤波电路实现直流输出。,基本原理,这种结构可以提高开关频率，能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。,（2）充电机,7.1电动汽车充换电技术,IGBT通流耐压能力较强，可以用于大功率场合，但其开关频率不是很高、驱动电路复杂，成本也较高。,（2）充电机,为提高功率因数降低谐波含量，在使用开关电源作为充电电源时往往要使用功率因数校正技术APFC，提高AC-DC变换的输入功率因数，减少开关电源对电网的谐波污染。,7.1电动汽车充换电技术,带APFC电路的开关电源原理图,（2）充电机,7.1电动汽车充换电技术,7.1.3电池更换技术,电池更换模式还可以及时发现电池组中电池单体的问题，对于电池的维护工作将具有积极意义。,电池更换技术也分为商用车更换和乘用车更换两种。,针对乘用车，根据电池箱在车辆中的部位，电池更换方式可分为底盘更换和行李箱更换。,底盘更换,行李箱更换方式,7.1电动汽车充换电技术,提高商用车电池的更换效率，缩短电池的更换时间，产生一步式方案和两步式方案,商用车电池箱一步式更换实物图,两步式更换模式实物图,7.1.3电池更换技术,7.1电动汽车充换电技术,电池更换系统所包含的设备是由其所需具备的主要功能所决定,7.1.3电池更换技术,（1）充电架及电池存储架,（2）电池箱连接器,（3）电池箱更换设备,（4）电池箱检测与维护设备,（5）车辆导引系统,电池更换系统,7.1电动汽车充换电技术,充电架是指由机械、电气、通信等装置构成，用以连接非车载充电机和电池箱完成充电过程的电池箱存放设备。电池存储架是指用于集中承载电池箱，实现电池箱安全存放的设备。,电池箱连接器是实现电池箱与电动汽车、电池箱与充电架之间传导式连接的专用电连接器。电池箱连接器由车载端、充电架端和电池端组成,电池箱更换设备是指针对不同类型的电动汽车和不同标准等级的电池箱，在电动汽车和充电架之间能够实现电池箱更换的专用设备。,（1）充电架及电池存储架,（2）电池箱连接器,（3）电池箱更换设备,7.1电动汽车充换电技术,以有效预防并降低电池的损坏，延长成组电池的使用寿命，从而提高动力电池使用的经济性。电池检测与维护设备可测量单体电池或电池组的内阻、电压等指标数据，通过与存储的电池标准数据进行比较，即可判断电池的健康状态,车辆导引系统是指实现导引电动汽车至规定位置以便进行电池箱更换的装置。车辆导引系统应能够引导驾驶员将车辆按照规定路线准确停靠在指定换电位置。,（4）电池箱检测与维护设备,（5）车辆导引系统,7.1电动汽车充换电技术,7.1.3.2电池箱更换设备,1,2,3,4,电池箱更换设备需要考虑诸多的因素,7.1电动汽车充换电技术,电池箱更换设备通过传感器技术，实现上下、左右及旋转自动对位功能，对不同停车姿态车辆的电池箱位置进行自动识别校准，可以柔性控制实现整个装卸过程，以适应不同类型的车辆。,主流的电池箱更换设备一般是单台集成换装和堆垛功能，充电架和电池箱更换设备须邻近布置，电池箱处在敞开的环境下，在冬季寒冷地区不利于电池充电。,动力电池快速更换设备,7.1.3.2电池箱更换设备,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,7.2.1充换电设施的需求,电动汽车充换电设施的服务对象是各类电动汽车，充换电设施必须满足不同电动汽车的电能补给需求。,各种电动汽车充换电需求,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,根据运行特点，电动汽车可以大致分为公交车、出租车、特种车辆和私家车四类,公交车适宜采用电池更换为主、整车充电为辅的方式。可在停车场建设电池更换站。,出租车可以采用电池更换方式快速为车辆提供充电电源。可在市区适当位置建设电池更换站。,环卫车、邮政车可在单位停车场建设专用充换电站。,私家车可在小区停车位和单位停车场建设专用交流充电桩，充分利用电网夜间用电低谷时段充电。可建设公共充换电设施为私家车提供快速电能补给。,7.2.1充换电设施的需求,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,7.2.1.1充电站,充电站是采用整车充电模式为电动汽车提供电能的场所，主要由三台及以上电动汽车充电设备，以及相关的供电设备、监控设备等组成。充电站由配电系统、充电系统、计量计费系统、监控与通信系统、配套设施等部分组成。,a)充电站,b)充电站,（1）充电站的定义,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,7.2.1充换电设施的需求,根据配电容量及充电设备的数量，电动汽车充电站的建设规模可分为大型、中型和小型三类。,(1)大型充电站。配电容量大于或等于500kVA充电设备数量不少于10台(2)中型充电站。配电容量大于或等于100kVA且小于500kVA，充电设备数量不少于3台。(3)小型充电站。配电容量小于100kVA，充电设备数量不少于3台,充电站效果图,（2）充电站的分类,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,7.2.1.2电池更换站,电池更换站是指采用电池更换方式为电动汽车提供电能供给，并能够在换电过程中对更换设备、动力蓄电池进行状态监控的场所。,（1）电池更换站的定义,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,7.2.1充换电设施的需求,根据功能不同，电动汽车电池更换站可分为三类：,电池更换站（换电站）。可以对电池进行充电，也可以为电动汽车提供换电服务。电池配送中心。对动力蓄电池集中进行充电，并为电池配送站提供动力蓄电池的场所，是电池更换站的一种特殊形式。电池配送站。通过配送方式获得动力电池，并为电动汽车提供电池更换服务的场所，是电池更换站的一种特殊形式。,（2）电池更换站的分类,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,根据服务的电动车辆类型，电动汽车电池更换站还可分为以下三类：综合型电池更换站。同时具备商用车和乘用车电池更换及电池充电的功能，并具备辐射本地区的电池配送能力的电池更换站。商用车电池更换站。具备商用车电池更换和电池充电的功能，并具备一定范围的电池配送能力的电池更换站。乘用车电池更换站。具备乘用车电池更换和电池充电的功能，并具备一定范围的电池配送能力的电池更换站。,（2）电池更换站的分类,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,7.2.2充换电设施的发展现状,电动汽车充换电设施发展主要体现在智能化、标准化、便捷化方面，目前，充换电设施尚未考虑电动汽车与电网双向互动问题，对于大规模电动汽车无序充电造成的电网负荷不平衡还未进行充分的考虑。,美国、德国、日本等国家的行业组织积极参与国际标准的制定和修订。,随着我国电动汽车推广示范工程的推进，充换电设施的发展速度也随之加快，目前我国已成为世界上投资运营充换电设备最多的国家。,充电接口作为连接外部供电设备和电动汽车的关键环节，受到世界及各国标准化机构的高度重视，成为目前电动汽车标准化领域的重点和热点。,7.2电动汽车充换电设施现状与发展趋势,7.2.3充换电设施的发展需求和发展趋势,在电动汽车充换电设施关键技术方面，与国外差距并不大，但是与我国电动汽车发展对充换电设施的需求还有一定差距。,(1)亟需开展充换电设施的规划研究。(2)亟需充换电设施相关设备的检测技术研究。(3)亟需开展充换电设施商业运营模式和维护管理体系研究。,结合当前电动汽车发展现状，实现充换电设施与电动汽车的协调发展充换电设施应向以下几个方向发展：,(1)安全可靠。(2)通用便捷。(3)经济实用。(4)兼顾发展。,7.3电动汽车与电网互动技术,电动汽车与电网互动技术（VehicletoGrid，V2G）描述的是一种新型电网技术，电动汽车不仅作为电力消费体，同时在电动汽车闲置时可向电网回馈电能，实现在受控状态下电动汽车与电网之间的能量、信息双向互动。既解决了电动汽车大规模发展带来的充电需求问题，又可将电动汽车作为移动的、分布式储能单元接入电网，用于调峰、调频和旋转备用等。V2G技术体现的是能量双向、实时、可控、高速地在车辆和电网之间流动，充放电控制装置既有与电网的交互，又有与车辆的交互。交互的内容包括能量转换、客户需求信息、电网状态、车辆信息、计量计费信息等。,7.2.3充换电设施的发展需求和发展趋势,7.3电动汽车与电网互动技术,使用V2G功能时可以实现在负荷低谷时给电动汽车充电，从电网吸收功率；而在负荷高峰时电动汽车将电能回馈给电网。,V2G能在非高峰时段自动充电，在高峰时段放电，替代效率较低的调频电厂,当交流电源出现干扰或中断时，V2G能保证对负载不间断的供电，确保关键负载连续正常运行。,（1）平抑负荷峰谷,（2）对频率做出响应,（3）用作应急电源,新能源发电具有较大的波动性，V2G可以作为备用容量对新能源接入所产生的扰动进行平抑，减少火电或其他常规机组的备用容量。,（4）为新能源接入平抑扰动,7.3电动汽车与电网互动技术,7.3.1电动汽车与电网互动框架,电动汽车与电网的互动包括：,信息的双向流动,电网可以获得电动汽车的充放电功率、动力电池荷电状态、计量计费等信息，电动汽车也可接受来自电网的电价信号、控制命令等,能量的双向流动,电动汽车除了从电网获得电能外，还可向电网回馈能量,智能电网为电动汽车与电网间的互动提供了硬件平台和信息通道。V2G应用不仅使电动汽车“无序”充电变为“有序”充电，更可利用动力电池储能功能对电价做出响应或向电网提供服务为电动汽车用户带来经济收益。,7.3电动汽车与电网互动技术,电动汽车与电网互动的运行场景,7.3电动汽车与电网互动技术,电动汽车与电网互动技术的发展和应用受到电动汽车规模、动力电池性能、通信技术、等技术层面和政策层面众多因素的制约。需要解决从基础理论、标准体系、等一系列问题。下图给出了电动汽车与电网互动的技术框架。,7.3电动汽车与电网互动技术,7.3.2电动汽车与电网互动关键技术与设备,实现电动汽车与电网的能量和信息交换，涉及硬件系统、软件系统、通信系统和商业运营模式四方面。硬件系统包括实现动力电池能量转换的充放电装置、保证电动汽车和所接入电网运行安全的并网装置、双向计量计费装置、智能车载终端等,7.3电动汽车与电网互动技术,电动汽车动力电池与电网之间的能量转化需要进行交直流电的变换。可选用的一种方案是利用电动汽车电动机驱动系统的逆变器，加以必要的控制电路进行改造。目前能实现这一方案的只有ACPropulsion的AC150系统,该种方案便于实现电动汽车与电网间以较大功率交换，避免使用专门的充放电装置，节约设备成本，但在与电网交互过程中，驱动电动机并没有断电，可能存在一定的安全风险,另一种方案是通过独立的充放电装置将电动汽车接入电网，包括车载和非车载充放电装置。典型的充放电装置的拓扑结构由PWM整流双向DC/DC变换器构成。,（1）充放电装置,7.3电动汽车与电网互动技术,AC-150驱动系统,PWM整流+双向DC/DC构成的充放电装置,7.3电动汽车与电网互动技术,7.3电动汽车与电网互动技术,1）利用智能电网高级量测体系,高级量测体系是智能电网的关键技术之一。AMI包括智能电能表、计量数据管理系统及相应通信网络,智能电网高级量测体系,在该体系下，用户通过用户室内网（HAN）将包括电动汽车在内的家用电器与智能电能表连接起来，使用户能根据电网需要进行响应。,（2）智能量测和通信系统,7.3电动汽车与电网互动技术,2）通过车载智能量测装置,有一种方案是将电动汽车与电网的互动限制在住宅等具备AMI的区域。电动汽车需要告知电网其用户身份、所处位置、充电功率等级等信息，电网也需将电价、充电功率限制等信息告知电动汽车用户，解决方法是在车内安装具有GPS功能的智能量测装置，通过有线或无线方法与电网进行通信。,通信方案有电力载波、以太网、Zigbee、移动蜂窝网等。在这种方式下，无需对电网的计量装置进行改造，更有利于V2G的推广应用。,（2）智能量测和通信系统,7.3电动汽车与电网互动技术,1）基于用户层面的控制策略,此控制策略涉及用户行驶需求、用电成本、电池循环寿命损耗等方面。如基于电价信号的充放电策略，电动汽车用户跟随电网发布的实时电价信息进行充放电控制，以获得最大收益为目标。当售出电价高于用户的买入电价时，用户可选择将电动汽车存储的电能回馈给电网。,2）基于聚集管理员（Aggregator）的控制策略,此控制策略涉及电动汽车的管理者如何对其服务的电动汽车用户进行协调管理。如在向电网提供辅助服务时，怎样考虑各用户的充电需求。,3）基于电网调度运行的控制策略,控制策略涉及V2G的应用层面，即电网如何利用电动汽车的充放电进行整个电网的优化运行，包括削峰填谷、扩大可再生能源接入、提高稳定性等方面。,（3）电动汽车与电网互动的控制策略,7.3电动汽车与电网互动技术,1）基于充电站的层级管理模式,电动汽车通过公共充电站接入电网，可采取多级结构进行层级控制，底层为以单台车辆为基本单元的充电站，最高级的管理平台与电网进行直接的交互，即统一调度、分级管理的方式。,各充电站对其下的车辆进行能量管理和分配，电网对各个充电站进行层级管理。,基于充电站的层级管理模式,（4）电动汽车与电网互动的商业模式,2）通过已有商业模式对分散的电动汽车进行管理,7.3电动汽车与电网互动技术,在该模式下，电动汽车分散地接入电网，利用已有的商业关系对电动汽车