电动汽车V2H能源管理与优化系统

李婉璐

(清华大学电机系，北京100084)

0 引言

发展节能与新能源汽车是全球汽车工业应对能源和环境问题的共同选择［1］。根据去年底颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划》，我国新能源汽车发展的总体目标是，到2015年，新能源汽车初步实现产业化，纯电动汽车和插电式混合动力汽车市场保有量达到50万辆以上［2］。与普通燃油汽车相比，电动汽车(electric vehicle，EV)可以有效减少CO2气体的排放及尾气污染，另一方面，提高电动汽车电能利用率已成为当今世界科技发展的重要课题之一。

V2H意为vehicle to home，即车辆入宅。它以电动汽车电池作为分布式储存电能的载体，在用电低谷时对电动汽车进行充电，在用电高峰或特殊情况时为家庭供电。因此，它在一定程度上有效解决了电网几乎不能储存能量的缺陷，为电能的有效利用提供了一个新的途径。本文从V2H系统的5个主要组成部分，工作进程，影响电能使用效率的几个因素，使用用途等方面分析了当前国际上有关V2H系统的研究及应用现状，在此基础上对V2H系统的未来发展提出了建议。

1 V2H系统中几个主要部分的作用

1．1 电池管理系统(BMS)

在后台管理系统(EMS)和双向智能充放电系统(EV－PCS)之间建立联系。实时监控车辆电池运行信息，准确估测动力电池组的荷电状态(SOC)，改变执行策略及电流传输。从而实现电池的状态控制，故障诊断及安全保护等作用，并可以有效防止电动汽车电池过充电或过放电造成的损伤［3］。

1．2 双向智能充放电系统(EV－PCS)

实现电动汽车能量的双向流动，通过外部控制器选择工作模式。将装置与家庭电网相连。当选择充电(charge)模式时，充电装置向电动车进行充电，并由后台管理系统控制其开始与结束;当选择V2H(discharge)模式时，车辆根据已设置的SOC上下限阈值及后台管理系统的整合数据判断是否可以进入V2H的工作状态，并通过人机交互终端进行工作进程的显示［4］。现阶段可采用三相全桥双向PMW变换对电池进行充放电;并在电网交流侧与电动汽车侧采用隔离变压器进行电气隔离［5］。

1．3 后台管理系统(EMS)

后台管理系统包括充放电策略控制子系统和能量管理子系统。它用来采集，统计，计算车辆可充放电的实时容量，受控时间等信息，并将其反馈给安全监控和数据采集系统(SCADA)。并根据SCADA系统的调度指示，对双向智能充放电装置进行充电或放电容量的二次分配指令。

1．4 人机交互终端 (UT)

主要由嵌入式控制器，触摸屏，射频卡读卡器，CAN通信卡等组成。可以进行的功能主要有:界面显示，数据信息管理查询，参数设置，用户操作提示，异常信息提示等功能。

1．5 智能电表

用于双向计量，双向通信，事件记录(记录电表断相，失压，过压，失流，电流不平衡，超功率，超需量，逆相序等)等。

2 V2H系统的信息传输方式

图1为V2H系统的简略信息流程图，其中，车辆的充放电由双向智能充放电系统(EV－PCS)实现，并通过BMS系统、后台管理系统、人机交互终端进行监测和操控;家庭用电设备通过人机交互终端和智能电表进行控制和显示。从而实现电动汽车与家庭之间双向可控的能量传递。

图1 信息流程图

V2H系统充电流程如图2所示(以充电为例，放电流程与充电相同)，当系统开启后，通过人机交互终端设定充放电参数，通过BMS系统和后台管理系统收集SOC数据并进行整合，判断充放电是否可行。在充放电的过程中，保持BMS系统的实时监控，从而判断充放电是否完成，确定完成后系统进入待机状态，等待下一次命令。

图2 充电流程

3 V2H系统效率的影响因素

3．1 电动汽车SOC(state of charge)上下限阈值及家庭用电负载参数

过度充电与过度放电都会引起电池的故障。SOC阈值决定了电动汽车可以充电及放电的容量，其范围越大，可利用的电池能量就越大。而在V2H系统的应用中，电动车电池的放电功率等参数有一定限制，并不是所有的家用电器都可以应用这类电池进行供电。对于普通中等功率电器，如电视机，电脑，大部分低于200～300 W，通常可以直接作为V2H的供电负载。但对于较大功率的用电负载，在现阶段V2H系统的应用中还并不完善［6］。

3．2 电动汽车电能转换效率

从V2H系统构成来看，影响电能转换效率的部分主要在于电池本身的性质及双向智能充放电装置效率。因此，应尽量选用适合电能转化传递的电池种类，并在电池电能的DC－AC整流过程中尽量选取损耗较小的转化装置。同时，由于V2H系统在多数情况下并不是由多辆电动汽车共同供电，而是由单独的电动汽车供电，因此整个系统不宜过于繁琐且传输距离较长。

3．3 家用电动车通勤使用时间及距离。

电动车的供电通常是在汽车闲置并保存有一定电量的情况下进行的。考虑到V2H过程本身的消耗，如果在电网正常无负担供电时大量使用电池供电，会降低电能的利用效率。以上海为例，2009年最大的用电峰谷值为967×104kW，其中98%的高峰负荷不超过1 d，95%的高峰负荷不超过100 h，V2H系统的在减缓用电高峰效用是受到时间因素的限制的［7］。

根据英国华威大学对于每天通勤距离不同的电动汽车对减缓家庭用电高峰压力效果的研究发现，对于普通电动车，当通勤距离为2～30 km/d时，V2H系统都可以有效的缓解家庭用电峰值;当通勤距离达到80 km/d时，则不能达到此效果［8］。因此，平衡V2H系统本身的效用与客户使用电动车的需求是V2H系统在正式应用中亟待解决的问题。

4 V2H系统的用途及前景分析

V2H系统可用于调节峰谷用电，减少用电高峰的电网压力及家庭用电花费。由于电动汽车电池通常由电网供电，因此多在用电低峰时进行充电，仅在中国，谷电就可以供给1 000万辆轿车和100万辆公家车充电，每天总共消耗电能3．4亿kW·h，可替代20×104t石油［9］。据国家电网统计，90%以上的车辆有95%的时间处于停驶状态，在用电高峰时，以每辆电动汽车快速放电100 kW计，如果1个居民区内有100辆电动车同时放电，则可以解决1×104kW的电网负荷。而从花费角度来看，假设用电高峰时电价约为峰谷时电价的2．2倍，那么考虑到电池的损耗(锂电池可重复充放电1 000次左右)，V2H转化的损耗，那么通常只要V2H系统本身的效率高于大约50%，就可以达到节约电能花费的效果。

V2H系统可以用作应急的备用电源。据调查，i－MiEV型号的电动汽车已实现1 500 W的放电功率，其功用可为家庭电饭煲或微波炉充电。法国雷诺公司则表示，可行驶200 km的电动汽车所使用的锂电池所存储的电能，可以供给普通家庭两天的用电。从中可以发现V2H系统用于紧急供电的可行性。今年日本发生大地震后，核反应堆发电的停用造成了日本严重的电力短缺，而根据两大电动汽车制造商尼桑和三菱的调查报告显示，灾难的发生不仅促进了电动汽车的销售，也凸显了电动汽车电池作为备用电力能源的地位［10］。同时，电动汽车本身的可移动性也使V2H系统具有了较强的灵活性。当地震，水灾等造成电网大面积瘫痪时，将电动汽车驶入灾区，或者利用灾区本身具有的V2H系统，可以为具有相应V2H接口的民用、公用设施提供紧急供电，同时，也为紧急医疗服务提供了便利。

在V2H系统的未来建设中，可以在车库等场所引入V2H系统的接口，可以更方便地进行电动汽车的充电放电;对于家庭用电设施的插座进行IP编址，形成智能家庭电网，可以根据电动汽车自身的放电容量，人为或智能地选择单独对某一设备进行供电;而当家庭无需用电而车辆又方便放电时，可以选择将多余的电能回馈电网。另一方面，可以将多辆电动汽车共同接入V2H系统，实现电能的积少成多，共同为家庭或公共设施用电设备进行供电。

5 结语

通过上述分析，V2H系统可将节能减排的目标落实到每辆汽车，将智能电网的规划应用到每个家庭，从近的效果来看有利于人民，从远的影响来看有利于国家。建议国家建立接口标准可调的家庭V2H系统，以便为其未来的广泛应用提供标准及便利，并将V2H系统的研究及推广正式纳入国家科技发展规划的战略目标和技术体系中，建立电动汽车从智能快速充电，到节能环保使用，再到电能高效利用的有机整体。

［1］刘水发．中国新能源汽车发展战略分析［J］．中国科技博览，2009(31):252－253．

［2］陵龙．电动汽车的V2G［J］．汽车与配件，2009(41):22－23．

［3］廖晓军，何莉萍，钟志华，等．电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势［J］．汽车工程，2006，10(28):961－964．

［4］杜成刚，张华，李瑾，等．电动汽车入网技术在智能电网中的应用［J］．华东电力，2010，4(38):558－560．

［5］宋维庭，耿新民．基于PWM的电动汽车V2G双向充放电装置研究［J］．电工技术，2011，7:9－10．

［6］廖晓军，何莉萍，钟志华，等．电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势［J］．汽车工程，2006，10(28):961－964．

［7］滕乐天，何维国，杜成刚，．电动汽车能源供给模式及其对电网运营的影响［J］．华东电力，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］叶瑞克，欧万彬，吕琛荣，等．基于经济技术分析的电动汽车商业化模式研究［J］．未来与发展，2010，33(11):31－36．

［10］孙浩然．日本新能源汽车产业发展分析［D］．吉林大学，东北亚研究院，2011．