V2G模式下电动汽车与电网的互动关系研究综述

沈阳工程学院研究生部 蔡嘉雨

沈阳工程学院电力学院 赵志刚

V2G（Vehicle to Grid）技术正逐渐受到人们的广泛关注，通过V2G技术不仅使电网经济性得到提升，而且为电动车车主创造收益。本文首先介绍了电动汽车在V2G模式下三种实现方法，通过阐述电动汽车接入配电网后产生的影响进一步分析了V2G的经济价值和社会价值。其次通过介绍电动汽车有序充电，论述了有序充电在V2G模式下的必要性。最后介绍了电动汽车的的电池管理系统BMS,并针对V2G模式下实现用户与配电网双赢做出了美好展望。

随着化石燃料走向枯竭、全球变暖趋势加剧，鼓励人们使用清洁能源将使环境污染程度变小，运行成本降低。在此背景下，V2G技术正受到人们的广泛关注。通过V2G，电网的经济性可以得到很大程度的改善，同时为电动车用户创造收益。因此，世界各国政府纷纷出台了一系列政策支持电动汽车产业的发展。当电动汽车接入电网时，可以作为用电负荷也可以作为储能电源装置，使其对配电网而言具有双重身份。在电动汽车大规模普及的背景下，电动汽车无序充电可能会给配电网带来电压下降、线路过载以及能量损耗增大等棘手问题。通过对电动汽车充放电进行合理的控制，有序调控电动汽车充放电，以实现用户与配电网双赢。

1 V2G的定义及其实现方法

V2G是指电动车辆不仅可以作为充电负荷，还可以作为储能设备。当电动汽车被赋予双重角色后，电动汽车在电网获得能量的同时通过充电站向电网反馈电能。实际上，目前电网效率不高且成本偏高，容易造成浪费。

V2G系统的主要组成部分有电池管理系统BMS、充放电机、V2G后台管理系统和V2G控制中心。V2G控制中心是V2G系统的心脏，它可以通过对负荷、风电的预测制定V2G的充放电计划并发布到各V2G后台管理系统进行汇总；V2G后台管理系统汇总了电池管理系统通过充放电机所获取的充放电电流、电池容量与荷电状态、电池是否允许充放电等信息。由于电动汽车种类繁多，采用的供电方式有所不同，为此要实现V2G可以采用集中式，自治式，基于微电网三种方法。集中式方法以电网需求为中心，通过对某一区域内集中的电动汽车进行统一的管理调度来实现电动汽车的充电放电；而自治式方法无法对散落在各处的电动汽车进行集中管理，电动汽车具有很强的随机性，但是在车载式的智能充电器的作用下电动汽车可以进行自由充放电，成本偏高而实用性强；基于微网的V2G实现方法是将电动汽车的储能设备集成到微网中，以微电网为对象直接为微网的风力、光伏等分布式电源提供电能消纳，减少弃风弃光，提高整体经济性。

2 大规模电动汽车接入配电网的影响

纯电动汽车是最具有代表性的电动汽车之一，也是V2G技术的主要响应对象，纯电动汽车的理想电池是锂离子电池，电动机是这种汽车的动力源，不需要内燃机，实现了节能减排绿色环保的标准理念。在V2G模式下，电动汽车接入配电网导致用电负荷呈现上涨趋势。配电网电能质量的主要影包括电压下降和谐波污染2个方面。当用电负荷处于高峰时，如果大量电动汽车接入充电设备进行充电，则此时配电网的供电压力很大导致电压下降；而谐波污染是在电动汽车接入配电网后，由电力电子设备生成了谐波干扰，谐波干扰导致测量仪表不准确，电力导线热老化。而且近年来，随着“绿色发展，节能减排”理论的提出。新能源发电理论被引入电网，风能，光能大量的并入电网开始了规模化发展。对系统的频率、电压水平提出了更严格的要求。若不满足要求，电动汽车迅即脱离电网，给系统安全稳定运行带来不利影响。

3 电动汽车的有序充电

有序充放电以改善电网的经济效益和运行状况为目的，对接入电网的电动汽车进行合理的调度控制，使电动汽车在用电峰谷时刻以低价充电，在用电峰值时刻放电补贴电网。实行有序充放电策略可以减轻电动汽车大规模接入时对电网产生的压力。通过使电动汽车在用电峰值时刻放电，用电低谷时期享受低价充电，对负荷进行削峰填谷，减少电网传输电能时的损耗，实现用户的用电成本以及电网输电成本降低以提高经济性。除此之外，充分利用好风，光等分布式能源，提高新能源发电的利用率也是重中之重。然而现实生活中并非所有的电动汽车用户都会响应针对有序充电策略，因此用户的满意度格外重要。用户满意度具体包括用电方式满意度以及电费支出满意度。

表1 常见电动汽车电池成本估算

而在G2V环节中，电动汽车作为电力系统的负荷部分可以对其状态进行灵活调节。当电动汽车从G2V环节转换到V2G环节后，电动汽车的角色随即发生了变化。在智能电网和V2G技术的支持下，电动汽车进行角色转换作为分布式储能装置，可以使用电动汽车来消纳新能源，提高新能源发电的普及率和利用率。作为分布式储能装置时，电动汽车可以抑制电网负荷波动，减小负荷峰谷差，实现与配电网的互利共赢要以满足电动汽车的出行需求。当电动汽车连接充电桩时，在一段时间内可以进行充电或放电，而在电动汽车车主将出行时要使电池电量达到理想状态。故此连接充电桩的电动汽车电池电量过低时，电动汽车仅作为负荷，不会响应V2G；而电池满载时电动汽车仅作为电源，也不会响应V2G。故此对电动汽车充电与放电时间分水岭的界定是当下亟待研究的问题。

4 纯电动汽车电池管理系统

电池管理系统主要是由数据采集、充放电管理、故障检测三部分组成。在电动汽车充放电过程中，单体电池需要进行SOC计算，对电池荷电状态进行分析以判断电量是否满足电动汽车的出行需求，将SOC评估结果作为电池管理系统可靠性的判断指标，及时对故障进行保护性处理。

4.1 电动汽车电池管理技术

电池管理系统由电池的物理特性和应用目标所决定，数十个高容量单体电池通过串联可以使电池处于较高的电压等级以提供较大的功率。电动汽车电池串联组合通常可以划分为多个电池模块，每个电池模块由4-14个单体电池串联组成。因此，电池可看作是由单体电池、电池模块和电池串等三个嵌套层构成，并且作为电池管理系统监控和管理功能的一个子集完成了智能平台的搭建。这种方法采用分层体系结构的电池管理系统，最内层是用于每一个单体电池或电池串的电池监测单元（CMU），中间层由用于电池监测的模块管理单元（MMU）组成，模块管理单元采集内部电池监测单元的基本监控信息以服务于监测所有电池串的群管理单元（PMU）。电动汽车的电池管理技术是促进电动汽车大力发展的关键因素，在电池管理技术下电池性能的好坏直接影响电动汽车的购买成本，表1所示是某些品牌电动汽车的电池成本估算。

从表1中可以看出电池成本占比较高，因此电池管理技术中必须考虑电池的购买成本及放电时电池损耗的影响，设置合理的充放电深度从而在电池寿命范围内充分利用电池。

4.2 电压监测技术

对于配电网的运行而言，电动汽车电池参数的监测显得尤为重要。其中，电压监测技术是通过安排特定的测试来观察电池端电压及其在温度和负荷方差作用下与容量之间的关系，根据电池电压的测量结果以确定电动汽车的荷电状态。此类技术成本低，但电池电压和容量之间的相关性随着时间的变化，只有在电池经过了一段时间充电/放电才会比较明显，电池容量作为电池使用寿命评估的参考价值变小。电压监测技术要结合电池的细节参数、任务应用、用户行为以及用户环境，因此电压监测技术不是电动汽车电池参数监测的最佳手段。而研究人员以具备一定可用容量的电池阻抗对电阻进行测量的方式进行电池实验，电池传递的能量将随着电池的内部电阻的增加而下降直到失去存储能量的能力。若电池组结构特征相似，电池电阻和电池存储能量之间的关系确定，对于不同电池组结构，两者关联性有所不同。电阻测量技术结合了充电和放电两种不同模式的电池特性，先测试电池对可变信号、负载或充电电流的响应，再通过应用欧姆定律测量内部阻抗。电阻测量技术原理上可以克服电池老化、电池寿命和温度差额等问题，选择一个合适类型的负载或充电应用是电阻测量技术得以实现的关键。

结论与展望：电动汽车以V2G为背景接入电网后，配电网的电能质量、可靠性和经济运行受到了直接影响，从工程到经济的效益尤为突出。未来可能伴随“换电为主，充电为辅”的理念，通过电动汽车动力电池移动储能进一步降低电力系统的投资和运营成本，解决换电标准体系安全与责任界定等问题，明晰电动汽车厂家与电池租赁商的利益划分，推动换电方式的发展。为适应大规模、高渗透率的电动汽车接入配电网，传统配电网向运行更为灵活的主动配电网转变，储能、电动汽车的应用与推广，对电动汽车电池加强管理规划势在必行。