朱金衛(wèi)， 鄭正仙，2， 蘇 芳 ， 蔣燕萍 ，2， 周 斌

（1.杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州 310052；2.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

儲能型電動汽車充電站研究進(jìn)展

朱金衛(wèi)1， 鄭正仙1，2， 蘇 芳1， 蔣燕萍1，2， 周 斌1

（1.杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州 310052；2.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

電動汽車作為重要的用電側(cè)用能群體，在智能電網(wǎng)研究領(lǐng)域有非常重要的意義。儲能環(huán)節(jié)接入電力系統(tǒng)后，可以通過有效的需求側(cè)管理，進(jìn)一步降低甚至消除晝夜間峰谷差，平衡電動汽車等大規(guī)模集群負(fù)荷對電網(wǎng)的沖擊和影響，同時還能降低供用電成本，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性?；诖?，對近年來電動汽車儲能型充電站的發(fā)展進(jìn)程、電動汽車儲能型充電站的主要組成部分等研究進(jìn)行了重點綜述與展望。

電動汽車；充電站；儲能；發(fā)展；綜述

1 國內(nèi)外電動汽車儲能型充電站建設(shè)現(xiàn)狀

電動汽車及其配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力、電信等部門的重視，電動汽車儲能型充電站的發(fā)展也是日新月異。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀[1-2]

歐美和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)對電動汽車發(fā)展高度重視，從汽車技術(shù)變革到產(chǎn)業(yè)升級，制定了一系列的優(yōu)惠政策措施，推動本國電動汽車產(chǎn)業(yè)和充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

在新能源汽車的技術(shù)研發(fā)和扶持政策方面，美國一直走在世界前列。早在2013年，美國就在圣地亞哥國際機場部署了太陽能遮陰停車場試驗，并獲得成功，這是由美國發(fā)明、設(shè)計并且制造成功的世界首個光伏發(fā)電站。

日本電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)起步較早，發(fā)展較快。在1992—2001年，日本政府投入172億日元用于電力儲存技術(shù)項目的開發(fā)，并計劃到2020年建成5 000座快速充電站與200萬個充電樁。

同時，歐洲國家對充電基礎(chǔ)設(shè)施尤其是充電站的建設(shè)也在如火如荼地進(jìn)行。截至2015年底，全球充電設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀如表1所示。

表1 全球充電設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著電動汽車的發(fā)展，我國加快了充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐。截至2015年底，全國已累計建成充換電站3 600座，交直流充電樁4.9萬個，為超過30萬輛電動汽車提供充換電服務(wù)。但目前電動汽車發(fā)展迅猛，充電基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量仍然不能滿足日益增長的充電需求，充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后。從2014年至今，國家相關(guān)部門已經(jīng)陸續(xù)出臺了一系列支持充電設(shè)施建設(shè)的政策和標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，以進(jìn)一步改善目前的困境[5]。

在新能源的建設(shè)和推廣方面，通過政策引導(dǎo)和示范效應(yīng)，我國取得了一些可喜的成績。新能源汽車產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2015年，我國充放儲一體化充電站投資規(guī)模達(dá)到11.5億元左右，預(yù)計到2020年將達(dá)到103.7億元。目前我國已投入運營的充放儲一體化電動汽車充電站主要有：2011年8月投入運行的青島薛家島電動汽車充換放儲一體化示范電站[6]，2015年1月建成投入使用的上海嘉定安亭集中充換放儲一體化電站，2015年6月投入運行的青海海北光儲一體化電動汽車充電站。

2 儲能型電動汽車充電站的研究

儲能型電動汽車充電站主要包括：充電樁、儲能裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、系統(tǒng)控制策略等。儲能型充電站作為一個系統(tǒng)性工程，許多學(xué)者在此方面開展了很多卓有成效的工作。賈龍等[7]通過對儲能系統(tǒng)、電動汽車充電站與配電網(wǎng)擴展的聯(lián)合規(guī)劃的研究，分析了儲能系統(tǒng)對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響因素，建立相應(yīng)的聯(lián)合規(guī)劃模型。研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，電動汽車充電站和分布式儲能系統(tǒng)接入可以延緩配電網(wǎng)的投資，降低配電網(wǎng)規(guī)劃的成本。劉寶其[8]通過對充放儲一體化電站內(nèi)PCS（功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)）并網(wǎng)運行控制策略、孤島運行控制策略、并聯(lián)式PCS的功率分配策略及環(huán)流抑制方法、并聯(lián)式PCS的孤島檢測技術(shù)的研究，解決了充放儲一體化電站內(nèi)功率的能量變換和控制中存在的問題。

目前，國內(nèi)外電動汽車充電站領(lǐng)域開展了諸多研究，但儲能型電動汽車充電站整體處于初步發(fā)展階段，還要加強在線監(jiān)測分析系統(tǒng)、充放電安全預(yù)警系統(tǒng)等建設(shè)，為充電站規(guī)劃、管理、數(shù)據(jù)、安全等提供全方位支持。此外，深入研究充電站儲能的不同實現(xiàn)方式，充電站、儲能裝置與可再生能源集成等都是今后研究的重點。

2.1 充電樁

目前儲能型充電站以直流充電樁為主。直流充電樁作為充電站給電動汽車能量輸出的重要載體，安裝在電動汽車車體外，采用傳導(dǎo)方式，為電動汽車提供電源。直流充電樁一般采用三相四線制或三相三線制供電，輸出的電壓和電流可調(diào)范圍大，充電時間從10 min到1 h不等，滿足緊急續(xù)航的需求。

在充電樁研究方面，段明亮等[9]設(shè)計了一種儲能式電動汽車充電樁，在充放電控制上實現(xiàn)了自動化，并且提高了能量轉(zhuǎn)換效率。張商州等[10]設(shè)計了一套基于DSP的儲能式電動汽車充電樁模擬裝置，通過儲能式充電樁的總體結(jié)構(gòu)、軟/硬件系統(tǒng)合理優(yōu)化設(shè)計，在保證傳統(tǒng)充電樁的功能下，可以有效降低對電網(wǎng)的功率要求。

直流充電樁未來將圍繞用戶需求，進(jìn)一步提高充電樁的可靠性和便利性，進(jìn)行功能優(yōu)化，提升直流充電樁品質(zhì)?？s小充電樁的尺寸和體積，實現(xiàn)模塊化的設(shè)計和安裝，降低對安裝地點的場地要求。

2.2 儲能裝置

儲能裝置是儲能型充電站的關(guān)鍵組成部分。隨著大容量儲能系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是近幾年電動汽車的快速發(fā)展，該技術(shù)逐漸被應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，建設(shè)相應(yīng)儲能裝置和系統(tǒng)可以顯著緩沖對電網(wǎng)的沖擊負(fù)荷，減輕輸配電網(wǎng)系統(tǒng)阻塞，實現(xiàn)低儲高發(fā)獲利。

儲能裝置已經(jīng)在電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)、熱備用和分布式發(fā)電等領(lǐng)域得到應(yīng)用。趙梟梟[11]分析將電動汽車作為移動儲能單元微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特征，搭建充電站微電網(wǎng)仿真模型，制定了相應(yīng)的繼電保護(hù)方案。張穎達(dá)等[12]綜合考慮了風(fēng)光系統(tǒng)、充放電機和動力電池的影響，對電動汽車充電站的風(fēng)光互補系統(tǒng)容量優(yōu)化進(jìn)行配置。黃騰[13]分析了儲能電站接入對配電網(wǎng)可靠性、電壓及調(diào)峰、電能質(zhì)量等方面的影響，研究了儲能電站對配電網(wǎng)潮流和調(diào)壓的作用。

儲能裝置未來將有針對性地對即將退役的動力電池，通過篩選、分裝、重組等方式，組建不同能量等級的儲能單元，實現(xiàn)動力電池的梯次利用。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)

對于儲能型充電站的安全運營，監(jiān)控系統(tǒng)必不可少。電動汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)主要通過對充電樁的數(shù)據(jù)采集和運行狀態(tài)監(jiān)測，充電站配電設(shè)備狀態(tài)、電動汽車充電過程中參數(shù)和狀態(tài)的監(jiān)測，以及將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至充電站監(jiān)控中心進(jìn)行實時分析和處理，實現(xiàn)對整個充電過程的全過程監(jiān)控和管理。

楊新華等[14]對光伏儲能電動汽車充電站的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立了基于ZigBee和4G移動網(wǎng)絡(luò)的電動汽車光伏儲能充電站的在線監(jiān)控系統(tǒng)。胡勇等[15]以IEC 61970/61850系列標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)前提，建立了汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)及相關(guān)模型，并實現(xiàn)了站內(nèi)智能電子設(shè)備信息集成以及系統(tǒng)方案的應(yīng)用。

通信軟件是電動汽車儲能型充電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，唐明等[16]使用UML和面向?qū)ο蠹夹g(shù)，設(shè)計了一款電動汽車充電站系統(tǒng)通信軟件。

硬件設(shè)計方面，朱帥[17]根據(jù)用戶反饋的電動汽車充電站充電時間過長的問題，設(shè)計了一種基于CAN總線的分布式電動汽車充電站控制系統(tǒng)。通過系統(tǒng)總體方案優(yōu)化合理設(shè)計，達(dá)到了快速充電的目的。

國內(nèi)外學(xué)者在充電站監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能及關(guān)鍵技術(shù)、架構(gòu)設(shè)計、軟硬件實現(xiàn)等方面做了深入研究，但在電動汽車通信協(xié)議和通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化等方面還處在初步研究階段，有的甚至還是空白，這將是未來研究的重點。

2.4 系統(tǒng)控制策略

作為儲能型充電站的核心之一，系統(tǒng)控制在快充站中起著關(guān)鍵作用。國內(nèi)外對電池儲能系統(tǒng)控制策略的研究工作主要集中在儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)層控制策略、電池儲能系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、儲能變流器的電流層控制策略、儲能機組的能量層控制、儲能機組的功率層控制策略等方面[18]。

周念成等[19]研究了含儲能緩沖系統(tǒng)的電動汽車快速充電站結(jié)構(gòu)，結(jié)合電動汽車快速充電功率特性、快充站的脈沖功率充電對配電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響，有針對性地提出了充電站中儲能緩沖系統(tǒng)的控制策略，解決了儲能緩沖系統(tǒng)自動電流補償和低功率慢速充電切換的問題。程啟明等[20]介紹了混合光儲式充電站直流微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)在維持直流微網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定和提高微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益方面的意義。通過混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制、直流母線電壓分層控制，實現(xiàn)新能源的入網(wǎng)和就地消納，以及電動汽車和電網(wǎng)之間的互動。

此外，儲能系統(tǒng)在改善充換電站負(fù)荷穩(wěn)定性上有非常明顯的作用。黃梅等[21]提出了考慮負(fù)荷平抑和用電經(jīng)濟性雙重目標(biāo)下的儲能系統(tǒng)出力優(yōu)化策略，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的作用。

未來的儲能型充電站在系統(tǒng)控制策略方面需要具備較強的功率調(diào)節(jié)能力，以及能自動實現(xiàn)電流補償和低功率慢速充電的切換，并實現(xiàn)單向或雙向車輛到電網(wǎng)的技術(shù)。此外，針對儲能裝置容量和規(guī)模的大型化需求，建立和完善與之適應(yīng)的充放電控制策略，同時深入研究儲能裝置、配電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制策略。

3 儲能型電動汽車充電站展望

縱觀國內(nèi)外儲能型電動汽車充電站的發(fā)展，結(jié)合我國的國情，儲能型電動汽車充電站今后有可能在以下兩方面有新的發(fā)展：

（1）綜合利用退役動力電池，實現(xiàn)梯次利用。

隨著動力電池在車輛上的長期使用，電池性能呈現(xiàn)規(guī)律性的衰減，此時的電池已不適應(yīng)在車輛上繼續(xù)使用，電池殘存80%左右的容量，經(jīng)過更換、整修、重組的方式可以在其他領(lǐng)域使用，實現(xiàn)二次利用。通過動力電池的梯次利用，能夠有效緩解大量電池進(jìn)入回收階段所產(chǎn)生大量壓力的問題。進(jìn)一步發(fā)揮鋰電池的容量價值，分?jǐn)傠妱悠囅M者的使用成本，更好地培養(yǎng)和推廣電動汽車市場。

（2）采用直流母線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計。

針對目前公共充電站的供電系統(tǒng)母線結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)有儲能快充站存在設(shè)備利用率低、體積大、建站成本高、對電網(wǎng)存在沖擊等問題，可以研究基于公共直流母線的儲能快充站典型主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)仿真模型，從系統(tǒng)運行效率、經(jīng)濟性、可靠性等多個方面進(jìn)行評估分析，提出建設(shè)大容量、寬范圍、高效能的適合于公共充電站的通用型直流快充設(shè)備的主電路方案。

4 結(jié)語

目前，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期，儲能型電動汽車充電站作為重要的能源補給形式之一，未來將發(fā)揮日益顯著的作用。此文通過對國內(nèi)外儲能型電動汽車充電站現(xiàn)狀的介紹，以及對監(jiān)控系統(tǒng)、儲能裝置、控制策略、充電樁的分析，提出儲能型電動汽車充電站未來可能發(fā)展的方向，為將來電動汽車充電體系的建設(shè)提供思路。

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2017-07-30

朱金衛(wèi)（1983），男，工程師，主要從事動力電池研究工作。

（本文編輯：徐 晗）

Research on the Development of Electric Vehicle Charging Station with Energy Storage

ZHU Jinwei1， ZHENG Zhengxian1，2， SU fang1， JIANG Yanping1，2， ZHOU Bin1
（1.Hangzhou Dayou Science and Technology Development Co.， Ltd.， Hangzhou 310052， China；2.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China）

As a key energy consumption group at power consumption side，electric vehicles take a significant part in research areas of smart grid.With the integration of storage links with power system，the peak valley difference during the day and night can further be reduced by effective demand side management to balance the impact and effect of the clustered loads like electric vehicles on power grid； in the meantime， the power supply and consumption cost can both be reduced to improve operation stability.Therefore，this paper summarizes and forecasts the research on key components of electric vehicle charging station with energy storage.

electric vehicle； charging station； energy storage； development； summarize

10.19585/j.zjdl.201710002

1007-1881（2017）10-0007-04

TM910.6

A

國網(wǎng)浙江省電力公司科技項目（5211HZ15018V）