基于电动汽车充放电方式研究

胡桢昊

（浙江省富阳中学，浙江杭州，310000）

0 引言

从上世纪七八十年代以来，伴随着石油等化石能源的枯竭危机，国内外的较多汽车商开始对电动汽车进行研究，随着近几十年的发展，国外以特斯拉等品牌为代表的电动汽车[1]。国内也产生了以比亚迪为代表的优秀电动汽车产品，与国外的同类型的产品并无较大差距。同样随着世界能源的不断枯竭和世界环境的不断恶化，电动汽车已经成为了未来汽车的发展方向，也是节能减排下的必然选择[2]。

随着分时电价政策的出台，提出了电网与电动汽车互动（Vehicle–To–Grid，V2G）的概念，指的是电动汽车通过充放电装置在需要时向电网放电，为电网运行提供调峰、调频等服务[3]。利用V2G 技术可以为电网和用户创造效益，并可与风力和太阳能等新能源发电技术配合使用，用于提高电网消纳间歇性新能源发电的能力，因此V2G 技术在近些年受到了广泛关注和深入研究[4]。本文针对V2G 对电网削峰填谷作用及经济效益，提出一种在我国杭州市电价体制下小区电动汽车参与V2G 经济充放电的方法。

1 电动汽车的充放电方式

电动汽车是指以车载电源为动力，利用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。与内燃机汽车相比，电动汽车具有以下特点：动力来源广泛；对环境造成的污染较低；维修维护方便；噪声低；效率高；结构简单，使用范围广，对环境影响较小。同时电动汽车按照动力类型，电动汽车可分为纯电动汽车(PEV)、混合动力汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（FCEV），本文以纯电动汽车作为研究目标[5]。

电动汽车锂电池的充放电方式对于电池的寿命及使用效率有很大的影响，良好合适的充放电方式能大大延长电池的使用寿命及电池使用的效率。电动汽车的充电法分为常规充电法、快速充电法及更换电池法等。电动汽车的常规充电方法包括恒流充电法、恒压充电法和恒流恒压充电法[5]。

其中恒流充电由于其充电过程中电流恒定，充电电压不可控，存在充电效率较低，充电时间长等缺点；而恒压充电时，由于充电电流不可控，初始充电电流过大，这可能导致充电过程电池温度过高，甚至电池爆炸等严重后果；恒流恒压充电法综合了两种充电方法，如图1所示，第一阶段中充电电流保持恒定，第二阶段中充电电压保持恒定，当充电电流下降到最小值时，或者接受到外部停止充电命令时，电动汽车电池终止充电[6]。

图1 恒流恒压充电方式

电动汽车的放电方法采用的恒流放电方式，即保持恒定电流放电输出，并随时检测蓄电池的两端电压，当电池两端电压小于系统设定阈值或者电池SOC状态值小于系统设定值时，电动汽车的电池停止放电。本文结合实际，从延长电动汽车电池寿命考虑，设定当电池SOC低于20%时，电池停止给电动汽车供电。

2 电动汽车充放电系统

电动汽车接入电网能够实现充电和放电的双向能量流动，本文设计的电动汽车充放电系统的充放电方式流程如图2所示。

图2 电动汽车充放电系统

电网用电低峰时，即分时电价政策中低电价时，进行充电，能量由电网流向蓄电池组，电网交流电经过AC/DC整流器变成直流电，再经过DC/DC直流斩波电路进行直流变换，以保证可以根据电池SOC状态来给蓄电池提供恒压或者恒流的直流电进行充电。

电网用电高峰时，即分时电价政策中高电价时，进行放电，能量由蓄电池组流向电网，蓄电池中直流电经过DC/DC直流斩波电路将直流侧电压升高，以达到逆变直流侧电压要求，然后直流电压经过DC/AC逆变器变成交流电，逆变过程中需要实时跟踪电网信息，以保证逆变出来的交流电与电网保持同步。同时当电池SOC状态低于20%时，蓄电池停止放电。

3 电动汽车充放电的经济效益分析

前文已经对电动汽车的充放电方式及充放电系统进行了介绍，下面针对杭州市分时电价政策下某小区单台电动汽车月经济效益进行分析。根据杭州市分时电价政策[7]，杭州市实施分时电价与分段电价结合，具体电价分布与价格如式(1)所示：

其中Phigh为用电高峰电价，Plow为用电低谷电价，单位为元；Q为用户月用电量，单位为千瓦时（KW.h）。

本文以国内最常见的比亚迪纯电动汽车为研究目标，比亚迪电动汽车的电池容量Qv约为18KW.h。电动汽车常用电池在充电时一般损耗17%的电量，即电池充电转换效率η1为83%，放电转换效率η2约为80%[8]。同时前文有提及，为提高电池使用效率及延长电池寿命，这里电池只使用80%的容量参与充放电。本文中单台电动汽车以独立电表入网进行V2G。

■3.1 月用电量

显然可以得到单台电动汽车充满一次需要消耗电能Q1如式(2)所示：

结合实际使用情况设定，每周电动汽车工作日作为代步工具正常使用，周末两天电动汽车每天高峰期参与V2G调峰。所以电动汽车工作日每两天充电一次，周末两天每天充电一次，得到每周充电次数为4.5次，每月充电次数约为20次，得到月用电量Qm1。

■3.2 月发电量

电池放电效率η2为80%，结合考虑逆变并网损耗10%，得到放电综合效率η3约为72%，以及电池每次使用80%的电量。

得到单台电动汽车参与一次所能放电量Q2如式(4)所示：

依前文设定得到电动汽车每月参与放电次数约为8.5次，得到月发电量Qm2。

■3.3 充电经济效益分析

根据公式(1)得到月用电价格Pm1（单位元），

月发电收益Pm2为：

其中以月平均充电用电成本Pm3为：

所以单台电动汽车参与V2G调峰月收益Pm约为10元。不仅降低电动汽车的用电成本，同时参与了电网调峰，有利于电网的宏观调控。也为祖国的电力能源事业做出了自己的一份贡献。

4 结论

本文结合电动汽车在小区日常生活使用的实际情况，设计了电动汽车的经济充放电控制策略，并根据杭州市实际分时分段电价政策对这种经济充放电控制策略的经济效益进行了分析。得到了这种控制策略不仅能够降低电动汽车的用电成本，同时能够参与了电网调峰，有利于电网的宏观调控的结论。我国政府正在大力扶持与推广电动汽车的使用。相信随着科技的进步，电动汽车的充放电效率的不断提升，其经济效益愈来愈好，电动汽车会更好地应用到我们的实际生活中。