电动汽车智能群充系统充电控制策略综述

2019-01-16张亚萍田振清

通信电源技术 2019年9期

张亚萍，吴冬，田振清，宋波

（天津平高智能电气有限公司，天津 300300）

0 引言

随着电动汽车的不断发展，电动汽车群的研究成为未来的发展趋势。为了将电动汽车极限充电负荷对电网的冲击降到最低，保持电网的稳定性和安全性，提高大规模电动汽车群的充电效率，必须采取合理有效的充电控制策略。欧美对电动汽车群充系统有较深入的研究，已实现商业化，处于领先地位。例如，美国特斯拉公司研制的250 kW群充电系统及Fastned公司研制的350 kW群充电系统。中国正在逐步赶上，像特来电已研制出360 kW的群充电系统，最大电流可达到600 A。本文在对现有的群充电系统进行深入分析，总结归纳群充电系统各种控制策略的应用范围和使用特点。

1 群充电系统控制策略分类

引入群充电系统的目的是在不影响电网质量的前提下提高大规模电动汽车的充电效率。因此，充电控制策略包可提升充电功率和减少充电时间。但是，由于充电模块因电力电子器件自身的限制，无法实现功率提升。提升充电功率涉及多个充电模块并联，需要对多个充电模块进行均衡控制，因此群充电系统控制策略涉及充电时段分配和功率控制。其中，充电时段分配可分为直接控制充电负荷法和引导充电负荷法。直接控制充电负荷法可按照充电优化目标与研究对象不同分为基于电网参数的控制策略、基于用户需求的控制策略和基于充电模块的控制策略；充电功率控制可以分为平均分配控制策略、按需分配控制策略和主动柔性分配策略。

2 群充电系统充电时段分配策略

2.1 直接控制负荷法

直接控制负荷法是通过一些控制策略对充电负荷进行优化分配，以达到既降低对电网的影响又实现充电需求的目的。

2.1.1 基于电网参数的控制策略

基于电网参数的控制策略是以电网的损耗、负载率和负荷变化率等参数为目标，建立充电模型，合理优化电动汽车充电顺序，在实现充电要求的前提下达到降低配电网损耗的目的。

文献[1]是以电网多时段总损耗及电压越界之和最小作为最优目标，保证电动汽车电池充满及满足潮流约束作为等式约束条件，利用最优算法计算电动汽车各时段的可充功率。这种方法可以在满足用户充电需求的条件下，令电网负荷曲线平滑，减少电动汽车对电网的影响，降低电网损耗。

文献[2]是以电网的负荷变化方差、负载率以及馈线损耗为优化目标建立有序充电模型，仿真验证表明可以提高计算速度、降低配电网损耗。

2.1.2 基于用户需求的控制策略

基于用户需求的控制策略是充分考虑不同种类电动汽车用户的行驶需求，以用户满意度最大为优化目标，在保证电网的安全性前提下抑制负荷波动。

文献[3-4]根据用户的出行起始时刻、出行结束时刻、充电时长需求以及充电最大时延4个判别量建立电动汽车群调度策略，可根据电动汽车实际入网参数对其进行充电控制，进而保证用户的出行需求。

文献[5]将不同行驶习惯的用户分类并建立差异化模型，由模型得出对用户友好的充放电时段，并以一天各区域充放电功率需求值作为目标函数，将多时段潮流、节点电压偏移量、线路潮流以及谷峰差作为约束条件，得到用户有限的控制策略。但是，该策略属于宏观层面，并不是针对具体的充电群。

2.1.3 基于充电模块的控制策略

基于充电模块的控制策略原理是根据电动汽车电池的特性和充电模块的使用性能设计出既可满足电动汽车充电需求又可满足充电模块负载率的要求，提高充电模块的使用寿命。

文献[6]根据磷酸铁锂电池特性及马斯曲线提出多段式变电流间歇充电方法与电池荷电状态估计结合的控制策略，采用主充电模块与从充电模块共同控制的方式，其中主充电模块采用双闭环控制结构，把充电机输出电流作为反馈量，设计电流内环控制器，对电池组进行恒流充电；把充电机输出电压作为反馈量与均流充电参考值、恒压充电参考值、并联模块优化算法得出的参考值共同构成电压外环控制器，实现并联充电模块的协调控制；从充电模块采用电流闭环控制结构，主模块将电压控制器的控制量发给从充电模块。

2.2 引导控制负荷法

引导控制负荷法是通过制定充电电价对充电用户进行引导，让用户主动选择对电网友好的充电时间。

文献[7]以用户充电成本最小为优化目标，将用电区域按用电用户不同进行分类，建立电动汽车用户响应量对区域分时电价的响应关系，最终建立最优区域分时电价的计算模型。仿真结果表示，这个计算模型可以降低充电用户成本，有效引导电动汽车用户进行有序充电。

3 群充电系统充电功率控制策略

3.1 平均分配控制策略

充电功率平均分配控制策略即现下最常见的充电站使用的控制策略。每个充电站有N个充电桩，每个充电站按照实际输入的总功率平均分配到每个充电桩，继而控制每个充电桩的充电过程。不考虑不同电动汽车的储能容量不同，每个电动汽车都是即插即走的方式，适合充电请求不是很频繁的区域，否则易出现电动汽车需求功率低时充电桩设备利用率低的问题。

3.2 按需分配控制策略

按需分配控制策略是根据充电需求实时分配充电功率。广东兴国新能源科技有限公司提出的充电站运营管理系统可以实时线性分配充电功率。系统统计充电站的实际输入功率，根据有充电需求的电动汽车的BMS信息了解电动汽车实际需要，继而根据现有的实际输入功率分配给需要充电的电动汽车，以提高电动汽车的充电效率。

3.3 主动柔性分配控制策略

主动柔性分配控制策略即选取高频开关电源技术和智能监控技术，通过采取电网负荷、待充电数量、待充电电池荷电状态以及充电的时间需求，根据多维度数据分析计算动态分配充电功率。

文献[8]提出的CMS主动柔性智能充电系统采用基于多维度数据分析的充电策略，以充电用户为基数，经过计算分析得出动态的柔性电流曲线，提高了动力电池的使用寿命。

深圳奥特迅电力设备有限公司为了满足社会各类电动汽车的充电需求，提出了柔性充电堆技术。该技术以功率单元矩阵控制器为核心，将总的输入功率分为固定功率区域和动态功率区域。充电终端将检测到的电动汽车充电功率需求与对应的固定功率区的模块总功率进行比较，若小于固定总功率则分配需求功率，若大于固定总功率则在输出固定总功率的同时分配动态区域的功率来满足充电需求。这种充电控制策略提高了充电设备的能量转换效率和设备利用率，能够适应车载电池技术的发展趋势。