电动汽车充电策略综述

张志伟，顾丹珍

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

电动汽车是未来道路交通工具的发展趋势.目前电动汽车主要有纯电动汽车(battery-electric vehicle)、混合动力电动汽车(hybrid plug-in electric vehicle)和燃料电池电动汽车(fuel cell vehicle)3种类型.纯电动汽车完全由电池储存电能，并且所有行驶需要的能量完全来自电池.混合动力电动汽车依靠蓄电池存储电能，还可以利用电力传动提高内燃机效率，降低排放.燃料电池电动汽车将氢气和氧气在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为动力源.由于电动汽车污染小，噪音低，能源效率高，在提高车主效率的同时能减少车用油［1，2］，因此在石油资源不充裕的情况下能减少各国对于石油的依赖甚至进口［3］，保证能源安全.而纯电动汽车能够实现零排放，其他类型的电动汽车能够减少排放，即使发电厂要增加由于向电动汽车提供电能所导致的额外排放，电动汽车依然能减少环境污染［3-5］.到2020年预计我国电动汽车的渗透率在 10% 左右［1，6］.

随着未来电动汽车的普及，电动汽车大量接入电网会对电网产生一定的影响，因此研究电动汽车的充电管理策略非常重要.本文阐述了电动汽车无序充电对电网产生的影响，并对电动汽车充电策略进行了分析和展望.

1 电动汽车充电对电网的影响

电动汽车的充电行为可能对电网运行产生显著影响.这些影响主要有电网负荷增长，电网调度难度增加，电能质量下降，电力设备损坏等.

(1)电网负荷增长 电动汽车充电将会导致电网负荷增大，若电动汽车的充电行为处于无序充电状态，可导致电网产生新的或另一个负荷高峰，会拉大电网的峰谷差［3，6-8］，引起输电线路堵塞［9］，从而对系统的运行产生不利的影响.此外，由于要给大量无序充电的电动汽车供电，某些地区要扩大发电容量，需新建发电厂［5］，这不利于电网的经济运行.

(2)电网调度难度增加 由于电动汽车充电具有空间和时间上的不确定性，所以电动汽车充电具有随机性，会给调度带来难度.

(3)电能质量下降 电动汽车充电器是电力电子设备，电动汽车充电会向电网注入谐波，导致电压畸变［10-12］;电动汽车无序充电还会增大电压偏差［10，13，14］.

(4)电力设备损害 当电动汽车聚集充电时，有可能会缩短变压器、馈线等配电设备的使用寿命［15-19］，或者导致其过负荷［14，20］.

上述文献表明，电动汽车无序充电行为将对电网运行的可靠性和安全性提出挑战.因此，我们需要管理电动汽车的充电行为，引导电动汽车处于智能充电状态，以有效减轻电动汽车给电网带来的负面影响.

2 电动汽车的负荷特性

对电动汽车的充电行为进行引导和管理，能减少电动汽车无序充电对电网的影响.为了对电动汽车的充电行为进行引导和管理，首先要研究电动汽车的负荷特性.与传统负荷不同，电动汽车充电负荷在时间和空间上都具有不确定性，电动汽车的驾驶模式大致决定了初始充电时间及充电地点.

2.1 电动汽车起始充电时间和充电容量

大量私家车每天的行程都是从家开始的，然后将车停在工作单位，下班时再开回家，一天中的绝大多数时间私家车都是闲置的.图1给出了私家车最后一次行程结束时间的概率分布情况.

图1 电动汽车最后行程结束时间

图1所示的驾驶模式来源于美国家庭行驶调查数据(National Household Travel Survey，NHTS 2001)［20］.图1表明了在没有智能充电策略时电动汽车的起始充电时间.比如，对于电动汽车用户而言，最方便的起始充电时间就是在最后一次行程结束后马上充电.值得注意的是，图1中的曲线表示在一天时间内，行驶中的私家车占总私家车的比例高于80%.

电动汽车每公里消耗的电能和每天的行程决定了电动汽车所需的充电容量.虽然私家车的行驶特性各有所异，如有的私家车下班回家后可能再做一次短的行程等，但一辆车平均每天的行驶路程大致为41.834 km.表1为PHEV33(充一次电最多可行驶33 km的可充电混合动力电动汽车)每公里电能消耗和总电池容量［23］.

表1 PHEV33电池容量与电能消耗

表1来源于美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory，PNNL).PHEV33小轿车如果一天行驶41.834 km，则需要6.69 kWh.

2.2 电动汽车充电特性

电动汽车在不同地点、不同时间的充电特性是不同的.在居民区晚上充电的私家车可以慢充，高速公路上的充电站可以快充.另外，充电特性与充电电压、电流的大小有关，因此要考虑配电网的电气额定值.北美地区配电网的电气额定值如表2 所示［24］.

表2 北美配电网电气额定值

如果充电电压为120 V，电流为15 A，则电动汽车最大充电功率为1.4 kW;若电流为20 A，则电动汽车最大充电功率为 2.0 kW［5］.表 3 为SAE J1772标准的电动汽车充电特性.

甚至，对于这一人间苦痛，上天也发出了正义的谴责。在此，小说吸取民间传说和历史故事(如孟尝君之“鸡鸣狗盗”)，运用了神怪题材的表现手法，今人或可名之曰魔幻现实主义，揭示了天意之护佑的方向：“丹仰天叹，乌即白头，马生角”“丹过之，桥为不发”“夜到关，关门未开，丹为鸡鸣，众鸡皆鸣”。在中国历史文化中，天具有两重性，一为物质之天，二为精神之天。以精神或信仰之天而言，创伤巨痛而莫可伸于人间者，天下百姓对于正义的吁求，均于“天意”明之。小说中的三个细节，说明天佑太子丹所遭受的不公和痛苦，同时也代表人间谴责了秦王之暴虐阴诈。

表3 电动汽车充电特性

电动汽车所需的充电时间与电池容量、充电设备的效率、行驶里程及充电类型有关.图2为电动汽车不同充电时间长度的功率曲线［24］.由图2可知，充电电压或是电流能决定电动汽车充电所需要的时间.

图2 8 kWh电池充电曲线

3 电动汽车智能充电策略现状

电动汽车无序充电会对电力系统产生负面影响，因此研究电动汽车的充电策略非常重要.非协调的充电策略会影响系统的稳定性和可靠性，而智能充电策略却会增强系统的稳定性和可靠性.最基本的充电策略是填谷策略［8，9］，如图3所示.

图3中的阴影部分为电动汽车充电的时间分布.这只是基本的充电策略框架，需要在这个基本框架下制定智能充电策略，来减少电动汽车充电对系统稳定性和可靠性的负面影响，甚至改善电网的运行.目前，针对这一问题已进行了相关研究.如文献［25］提出了交错充电和用户负荷控制，以期使配电系统运行更加安全和有效;文献［26］提出了定时和定功率的充电方法，以及通过调整充电价格来控制电动汽车的充电行为，以减小电动汽车无序充电对于系统的负面影响.此外，有些文献将电动汽车充电策略当作优化问题，如将电动汽车充电策略当作电网损耗最小，以及客户侧充电成本最小等加以研究.

图3 电动汽车充电时间分布

文献［13］计及了负荷预测的不确定性和潮流约束等条件来制定最优充电模型.文献［27］提出了阶梯充电策略，在时间上首先是快充，再是介于快充和慢充之间的充电，最后是慢充，但此文献没有考虑到电动汽车分布的随机性.文献［28］将电动汽车充电和有载调压变压器相结合，形成了时间协调的充电模型，同时考虑了电动汽车作为电源V2G时保证电压质量的功能，算例结果表明:越是远离松弛节点的电动汽车节点，电网向电动汽车充电就要在负荷低谷时进行，电动汽车要在负荷高峰向电网送电;在负荷高峰时，要减少松弛节点向远处的电动汽车节点送电.

文献［29］以最小化电力零售商的购电成本制定充电策略，不仅计及了实时电价和负荷之间的关系，还涉及负荷预测.

此外，文献［30］至文献［32］将电动汽车充电和风电结合在一起.文献［30］认为风电的加入能降低因电动汽车充电而导致的损耗和电压偏移.文献［31］和文献［32］提出了吸纳过剩风电的智能充电策略.由于大量电动汽车所具有的存储能力能够有效处理风电场风能的间歇性问题，使得电网能够提高接纳间歇性电源的能力，从而提高电网运行的经济性.

文献［33］至文献［35］都以最小化客户成本来制定充电模型.其中文献［33］将实时电价和负荷相联系;文献［34］考虑了整个充电时间中每个时段内的实时电价，却没有将实时电价和负荷结合在一起，也没有考虑V2G的功能;文献［35］考虑了电动汽车向电网反向送电的情况，在一定条件下，电动汽车向电网反向送电能够给客户带来一定的收益.

总体来说，不管从电网还是客户角度来制定的充电策略，都能有效地减少电动汽车无序充电对电网造成的负面影响.

4 电动汽车智能充电策略展望

由于世界各地电网运行情况，以及私家车的行驶特性不尽相同，所以在研究电动汽车智能充电模型时，要考虑到所研究地区的电网和私家车行驶特性，要着重分析电动汽车的渗透率，以及充电时在时间和空间上的不确定性.目前的文献大都研究电动汽车在时间上智能充电的模型，我们可以结合配电网具体运行情况，研究电动汽车充电布点问题，以提高电网运行的经济性.另外，在研究电动汽车智能充电模型时，不仅要考虑电网的经济运行成本，顾客成本最小等问题，还应适当考虑顾客的便利性，使得电动汽车智能充电策略更灵活，更人性化.

由于输电系统调度人员无法对大量的电动汽车进行调度，所以比较实际的方法是采用分层分区调度方法［36，37］.分层分区就是将电网按电压等级分层，配电系统按地域分为若干区域，由第3方汽车代理或者配电系统调度机构对电动汽车进行管理.配电系统调度机构又分为3个管理层:第1层为配电管理系统层;第2层为中央自主管理层;第3层为车辆控制层.对电动汽车的管理既要有一般情况的分层调度，还要有发生特殊情况的分层调度.国外相关研究中提出了“中间人”的角色来管理电动汽车［38］.

此外，应减少大量电动汽车无序充电对电网造成的负面影响，同时使电动汽车用户的充电成本最小化，并在此基础上最大程度地提高电动汽车用户的便利性.国家电力部门也应该制定相应的经济刺激方案，引导和管理电动汽车用户的充电行为，解决供电方和电动汽车用户之间可能出现的问题，以实现电动汽车的智能充电.

5 结语

电动汽车的行驶模式决定了电动汽车充电策略的基本框架，其智能充电策略要考虑电动汽车的空间分布和电池起始充电状态的随机性.此外，在分析电动汽车对电力系统的影响时，也应考虑所研究的电力系统的实际运行情况.

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