1引言

1.1 研究背景與意義

隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注度不斷提升，電動(dòng)汽車作為一種清潔能源交通工具，其市場規(guī)模在近年來呈現(xiàn)出迅猛增長的態(tài)勢(shì)。國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，2023年全球電動(dòng)汽車保有量已突破1.4億輛，年銷售量超過1400萬輛，與2020年相比，保有量增長了近兩倍。在中國，據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2024年上半年新能源汽車產(chǎn)量為389萬輛，銷量達(dá)391萬輛，同比分別增長32%和33%，新能源汽車滲透率達(dá)31.6%，比去年同期提升5.9個(gè)百分點(diǎn)。電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用，在減少碳排放、緩解石油危機(jī)等方面無疑發(fā)揮著重要的作用。

然而，電動(dòng)汽車的無序充電卻給電網(wǎng)帶來了諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)大量電動(dòng)汽車在同一時(shí)段集中充電時(shí)，電網(wǎng)負(fù)荷會(huì)瞬間急劇攀升，可能遠(yuǎn)超電網(wǎng)的承載能力，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷差。以某城市夏季用電高峰為例，由于電動(dòng)汽車無序充電，局部區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷在傍晚時(shí)分驟增，峰谷差率較平時(shí)擴(kuò)大了20%，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。不僅如此，無序充電還會(huì)引發(fā)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、諧波污染等電能質(zhì)量問題。電動(dòng)汽車充電設(shè)備中的電力電子裝置在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流，這些諧波電流注入電網(wǎng)后，會(huì)使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變，降低電能質(zhì)量，對(duì)電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備造成干擾和損害。

為有效應(yīng)對(duì)這些問題，電動(dòng)汽車有序充電控制方法的研究顯得尤為關(guān)鍵。通過合理引導(dǎo)電動(dòng)汽車充電時(shí)間、優(yōu)化充電功率分配等手段，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互動(dòng)，不僅能夠保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還能顯著提升能源利用效率，減少能源浪費(fèi)，促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)、健康發(fā)展。

2電動(dòng)汽車有序充電控制原理

2.1 智能充電技術(shù)基礎(chǔ)

智能充電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車有序充電的核心手段，其依托于充電樁與電動(dòng)汽車之間的通信以及充電樁對(duì)充電過程的精準(zhǔn)控制。

充電樁與電動(dòng)汽車之間的通信方式主要分為有線和無線兩種。有線通信方式包括有線以太網(wǎng)（RJ45 線和光纖）以及工業(yè)串行總線（RS458、RS232、CAN 總線）。其中，有線以太網(wǎng)具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)勢(shì)，然而其布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、施工成本高且靈活性不足；工業(yè)串行總線則數(shù)據(jù)傳輸可靠、設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，但存在布網(wǎng)復(fù)雜、擴(kuò)展性差、通信容量低等問題。無線通信方式如 GPRS、EVDO、CDMA 等，雖可減少布線成本，但需支付昂貴的月租和年費(fèi)，且隨著充電樁數(shù)量增加成本會(huì)大幅上升。同時(shí)，移動(dòng)運(yùn)營商對(duì)數(shù)據(jù)安全性和網(wǎng)絡(luò)可靠性的限制，不利于設(shè)備安全運(yùn)行，在局部區(qū)域大量設(shè)備接入時(shí)，接入可靠性和用戶平均帶寬會(huì)惡化，不適用于充電樁群的密集接入與大數(shù)據(jù)量傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，需綜合考慮通信的可靠性、建設(shè)費(fèi)用、雙向通信需求、多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸速率以及通信的靈活性和可擴(kuò)展性等因素，選擇合適的通信方式。

在充電過程中，充電樁與電動(dòng)汽車之間會(huì)傳輸多種數(shù)據(jù)，涵蓋充電電壓、電流、剩余電量等。智能充電樁依據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過其內(nèi)部的控制模塊對(duì)充電過程進(jìn)行智能調(diào)控。當(dāng)電動(dòng)汽車連接到智能充電樁時(shí)，充電樁首先會(huì)識(shí)別電動(dòng)車的通信信號(hào)，以此判斷電動(dòng)車的類型、電池容量等信息，進(jìn)而確定合適的充電模式與參數(shù)。例如，對(duì)于電池容量較大且剩余電量較低的電動(dòng)汽車，充電樁可能會(huì)選擇恒流充電模式，以快速補(bǔ)充電量；而當(dāng)電池電量接近充滿時(shí)，充電樁會(huì)自動(dòng)切換到恒壓充電模式，避免過充，保障電池安全。在整個(gè)充電過程中，充電樁會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流等參數(shù)，確保電能傳輸?shù)陌踩c。

2.2 充電策略制定依據(jù)

充電策略的制定需要綜合考量多方面因素，其中配電網(wǎng)負(fù)荷狀況與電動(dòng)汽車用戶需求尤為關(guān)鍵。

在分析配電網(wǎng)負(fù)荷時(shí)，需著重研究其負(fù)荷曲線，明確負(fù)荷高峰與低谷時(shí)段及其差值。以某城市配電網(wǎng)為例，工作日白天工業(yè)用電需求大，傍晚居民用電集中，形成雙峰型負(fù)荷曲線，峰谷差較大。在此情況下，為電動(dòng)汽車制定充電策略時(shí)，應(yīng)引導(dǎo)其避開電網(wǎng)負(fù)荷高峰，如鼓勵(lì)在夜間低谷時(shí)段充電，從而有效降低電網(wǎng)峰谷差，提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

考慮電動(dòng)汽車用戶需求時(shí)，充電時(shí)間與充電速度是關(guān)鍵。用戶的日常出行習(xí)慣、用車頻率等會(huì)影響充電時(shí)間選擇。例如，上班族通常在下班后或夜間有較長時(shí)間可用于充電，而出租車、網(wǎng)約車等運(yùn)營車輛則需在運(yùn)營間隙快速充電以保障續(xù)航。對(duì)于充電速度，不同用戶因行程安排緊急程度、電池類型及容量等因素，需求各異。長續(xù)航需求的用戶可能更傾向于快速充電，而對(duì)電池壽命較為關(guān)注的用戶則可能選擇較為溫和的充電速度。

充電策略對(duì)電網(wǎng)和電池具有不同影響。從電網(wǎng)角度看，合理的充電策略可優(yōu)化負(fù)荷分布，降低峰谷差，減少電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)營成本，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，避免電壓波動(dòng)與諧波污染。若大量電動(dòng)汽車在電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)集中快速充電，可能導(dǎo)致電壓驟降、線路過載等問題，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。從電池角度出發(fā)，科學(xué)的充電策略能延長電池使用壽命、提高充電效率并確保充電安全。例如，避免電池過度充電或過度放電，依據(jù)電池剩余電量、溫度等因素動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電流與電壓，可減少電池?fù)p耗，提升電池性能與安全性。

3常見有序充電控制方法

3.1 基于時(shí)間的控制方法

3.1.1 分時(shí)電價(jià)策略

分時(shí)電價(jià)策略是依據(jù)不同時(shí)間段的用電負(fù)荷情況制定差異化電價(jià)，以引導(dǎo)電動(dòng)汽車用戶合理安排充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提升電網(wǎng)負(fù)荷平衡與能源利用效率。在我國，許多城市已推行電動(dòng)汽車充電分時(shí)電價(jià)政策，例如北京，將一天劃分為峰、平、谷三個(gè)時(shí)段，峰時(shí)段為 10:00 - 15:00 和 18:00 - 21:00，平時(shí)段為 7:00 - 10:00、15:00 - 18:00 和 21:00 - 23:00，谷時(shí)段為 23:00 - 次日 7:00。峰時(shí)段電價(jià)較高，谷時(shí)段電價(jià)較低，平時(shí)段電價(jià)則介于兩者之間。通過這種價(jià)格差異，鼓勵(lì)用戶在谷時(shí)段充電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)施分時(shí)電價(jià)后，某大型居民區(qū)在谷時(shí)段的電動(dòng)汽車充電量占比從之前的 20%提升至 40%，有效降低了電網(wǎng)在峰時(shí)段的負(fù)荷壓力，峰谷差率降低了約 15%，同時(shí)，用戶充電成本平均降低了 25%左右。

3.1.2 時(shí)間窗控制策略

時(shí)間窗控制策略是設(shè)定特定的允許充電時(shí)間區(qū)間，避免電動(dòng)汽車集中在某一時(shí)段充電，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。以某城市商業(yè)區(qū)為例，根據(jù)該區(qū)域電網(wǎng)的負(fù)荷特性與用電規(guī)律，設(shè)定電動(dòng)汽車的充電時(shí)間窗為 22:00 - 次日 6:00。在這個(gè)時(shí)間窗內(nèi)，電動(dòng)汽車可自由充電；而在其他時(shí)段，充電則受到限制或禁止。這樣的控制策略有效分散了充電負(fù)荷，避免了充電集中導(dǎo)致的電網(wǎng)過載問題。通過實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)施時(shí)間窗控制策略后，該商業(yè)區(qū)電網(wǎng)在高峰時(shí)段的負(fù)荷波動(dòng)明顯減小，電壓穩(wěn)定性顯著提高，因充電導(dǎo)致的電網(wǎng)故障次數(shù)降低了約 30%。然而，時(shí)間窗控制策略也在一定程度上限制了用戶的充電靈活性，部分用戶可能因時(shí)間窗限制而無法及時(shí)滿足充電需求，需要合理規(guī)劃出行與充電計(jì)劃。

3.2 基于功率的控制方法

3.2.1 恒定功率充電

恒定功率充電是指在整個(gè)充電過程中，充電功率保持不變。這種充電方式的工作原理相對(duì)簡單，充電樁按照設(shè)定的固定功率輸出電能，電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)則負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)，以確保充電過程的安全。例如，在一些早期的電動(dòng)汽車充電樁中，常采用恒定功率充電模式，將充電功率設(shè)定為 3.5kW 或 7kW。

恒定功率充電的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)。充電樁不需要復(fù)雜的功率調(diào)節(jié)裝置，降低了成本和技術(shù)難度。然而，其缺點(diǎn)也較為明顯。由于充電功率固定，難以適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化。在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段，大量電動(dòng)汽車進(jìn)行恒定功率充電，會(huì)進(jìn)一步加重電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致峰谷差。而且，在電池電量較低時(shí)，采用恒定功率充電可能會(huì)使充電電流過大，對(duì)電池壽命產(chǎn)生不利影響，因?yàn)檫^大的電流可能導(dǎo)致電池發(fā)熱加劇，加速電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的速度，從而縮短電池的使用壽命。

3.2.2 功率動(dòng)態(tài)調(diào)整策略

功率動(dòng)態(tài)調(diào)整策略則是根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)負(fù)荷情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整電動(dòng)汽車的充電功率。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)，適當(dāng)提高電動(dòng)汽車的充電功率，以加快充電速度；而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較高時(shí)，降低充電功率，避免給電網(wǎng)帶來過大壓力。

以某地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用為例，該地區(qū)安裝了智能充電系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)負(fù)荷。在電網(wǎng)負(fù)荷處于低谷時(shí)段，如凌晨 2 點(diǎn)至 6 點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)將電動(dòng)汽車的充電功率提高到 6kW 甚至更高，充分利用此時(shí)的富余電力資源；而在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段，如晚上 6 點(diǎn)至 10 點(diǎn)，充電功率會(huì)被限制在 2kW 以內(nèi)，以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。通過采用這種功率動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，該地區(qū)電網(wǎng)的峰谷差率得到了，從原來的 30%降低至 20%左右，有效提升了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

不過，功率動(dòng)態(tài)調(diào)整策略在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上存在一定難點(diǎn)。它要求充電樁與電網(wǎng)之間建立的通信連接，以便及時(shí)獲取電網(wǎng)負(fù)荷信息。充電樁還需要具備的功率調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)接收到的指令快速、準(zhǔn)確地調(diào)整充電功率。此外，還需要考慮如何在滿足電網(wǎng)需求的同時(shí)，兼顧用戶的充電需求和滿意度，例如避免因過度降低充電功率而導(dǎo)致用戶充電時(shí)間過長等問題。

4安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)助力有序充電開展

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5總結(jié)

盡管電動(dòng)汽車有序充電控制方法的研究已取得諸多成果，但仍有一些問題亟待解決，未來的研究可從以下幾個(gè)方向深入展開。

在用戶行為建模方面，目前的研究對(duì)用戶充電行為的不確定性考慮尚不充分。未來需要深入探究用戶的心理、習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)狀況等因素對(duì)充電行為的影響，建立更加精準(zhǔn)的用戶行為模型。通過大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，挖掘用戶充電行為的潛在規(guī)律，提高對(duì)用戶充電需求預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，從而為制定更加合理有效的充電策略提供依據(jù)。

隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中的占比不斷增加，電動(dòng)汽車與可再生能源的協(xié)同控制成為重要研究方向。如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電與風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電的有效匹配，充分利用可再生能源，減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，是亟待解決的問題。這需要深入研究電動(dòng)汽車與可再生能源之間的能量交互機(jī)制，開發(fā)相應(yīng)的控制策略與優(yōu)化算法，在滿足電動(dòng)汽車充電需求的同時(shí)，提高可再生能源的利用率，促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉磊.電動(dòng)汽車充電對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷的影響及有序控制策略探究

[2] 電動(dòng)汽車有序充電控制：策略優(yōu)化與智能調(diào)度

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版