电动汽车能量管理系统的研究与开发.pdf

1、分布式电源低压电器(2011No 14)贺兴(1986)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统通信技术。电动汽车能量管理系统的研究与开发*贺兴，艾芊(上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海200240)摘要:分析了电动汽车电能供给方式、电动汽车充电站建设典型模式、系统功能需求，以形成系统服务体系的框架，结合物联网、多代理等新技术，从硬件设备及通信角度设计了能量管理系统的开发方案，使充电站结合自身的情况，在电网稳定的前提下尽可能地满足电动车的要求，统筹好电网、充电站、电动汽车三者的利益。研究成果对于促进电动汽车产业化进程具有重要的意义。关键词:电动汽车;能量管理系统;物联网;多代理中图分类号:

2、TM 912 TM 910 6文献标志码:B文章编号:1001-5531(2011)14-0021-05Research and Development on Energy ManagementSystem of Electric VehiclesHE Xing，AI Qian(School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)Abstract:The common power supply models for elect

3、ric vehicles(EVs)，the typical operation patterns ofcharging stations，the function demands and the structures of service systems were analyzed，and the system se-rvrice framework was formed Furthermore，at the point of hardware and communication，the development planwhich is based on the new technology

4、such as internet of thing，multi-agents，was put forward It allowed the char-ging station to satisfy the demands of the EVs as many as possible without causing the overload of itself or instabilityof the grid，thus making the best of gird，charging stations and EVs The research results would be of great

5、 signifi-cance to promote the process of industrialization of EVsKey words:electric vehicles(EVs);energy management system(EMS);internet of things(IOT);multi-agents艾芊(1969)，男，教授，主要研究方向为电能质量，人工智能在电力系统中的应用，电力系统原件建模，微电网。*基金项目:国家自然科学基金(S1077092);电力系统国家重点实验室开放基金(SKLD09KZ07)0引言汽车工业是当今世界最重要的工业部门之一，也是全球大多数国

6、家的支柱产业。21 世纪，在能源短缺加剧和环境进一步恶化的事实面前，世界上许多发达国家都在致力于电动汽车技术的研究、开发、推广和应用1-2。而我国人口众多，如果只依靠传统燃油汽车，将面临巨大的能源短缺和环保压力。因此，根据我国国情，结合世界轿车工业的发展趋势，以及对生态环境保护的要求，推动电动汽车产业化进程势在必行。将日渐成熟的物联网技术应用于兴起的电动汽车技术上，研究电动车能量管理策略，开发电动汽车能量管理系统，实现电动汽车、充电站、电网的信息共享，统筹规划各方面的信息，分别对用户、充电站运营商、电网给出建议方案:对于驾驶员，能够实时了解控制电动车/蓄电池的运作情况，获取/做出故障诊断、最优

7、行驶方案、请求换电池/充电等;对于充电站方面，可根据电网信息、自身蓄电池储备/充放电情况、接收到的电动车方的换电池/充电请求等，12低压电器(2011No 14)分布式电源安排运营计划，并可和其他充电站进行互补。优秀的管理系统可统筹各部分的运作，使电动汽车行业信息化、标准化、产业化、规模化。研究电动汽车能量管理系统应具有哪些功能，以及如何从全局的角度构建一个实用、灵活的能量管理系统，促进电动汽车的规范化、产业化，有很高的研究价值 3-5。1电动汽车的充电模式和设备1 1电动汽车的分类及特性随着蓄电池、逆变器等关键部件技术研发的不断进取，设备价格的持续下降，以及其污染小、噪声小、节约能源，结构、

8、控制和维护简单等突出优点8-9，电动汽车将成为运输车辆更新换代的方向。电动汽车的推广使用，也是当代车辆运输的又一重大改革10。目前发展的新能源汽车有蓄电池电动汽车(纯电动汽车 PEV)、混合动力电动汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)三种，其特征如表 1所示。表 1三种电动汽车及其特征电动汽车类型PEVHEVFCEV驱动方式电机电机/内燃机电机能量系统蓄电池、超级电容器蓄电池、超级电容器、内燃机发电单元燃料电池能源和基础设施电网充电设施加油站、电网充电设施氢气、甲醇活汽油乙醇等主要特点零排放低排放超低排放结构简单结构复杂易燃、易爆100 150 km380 450 km150 400

9、km初期成本高成本较高成本高相关技术设施蓄电池和蓄电池管理多能源管理、优化控制燃料电车、燃料处理器充电设施蓄电池管理燃料系统1 2电动汽车的充电方式及相应充电站的比较电动汽车的充电方式可分为慢速充电(整车充电)、快速充电(应急充电)和机械充电(地面充电)三种方式，如表 2 所示。电动汽车充电站是保障电动汽车正常使用的能源基础服务设施，其建设数量的多少、布局的广泛程度，会对电动汽车的应用范围产生重要影响，也是电动汽车能否实现大规模产业化及商业化应用的关键。国内、外很多电力企业、汽车制造企业和研究机构对充电站的研究和建设都非常重视，其中三种主要的充电站及其各自的特点如表 3 所示。1 3国内动态国

10、家电网公司(以下简称国网公司)2011 年2 月 16 日发布的2010 社会责任报告 显示:2011 年，将在智能电网示范试点工程上取得重要表 2电动汽车充电基本方式充电方式慢速充电快速充电机械充电时间/h6 101/3 1电流/A15150 4003 5/60电压/V220220备注基 本 无 接口 标 准 问题10 15 min电 池 到 达80%+更换电池相关技术设施家中暂无标准换电站充电桩对 电 网 冲击较大电池标准需统一突破，建成电动汽车充换电站 144 座、充电桩1 3 万个，推广应用智能电表 5 000 万只。国网公司将电动汽车充换电站的基本商业模式确定为:22分布式电源低压电

11、器(2011No 14)表 3三种充电站的比较充电站类型公用充电站停车场、路边充电桩电池更换站提供服务快充/慢充慢充更 换 电 池，集中充一次性投资大小大占地面积大小小网点密度小大一般适应性应急充电常规充电应 急/常 规充电备注技术需完善集中管理电池标准需统一类似加油站自助服务电池配送体系换电为主、插电为辅、集中充电、统一配送。这种以“换电池”为主要模式的发展战略，实质是将动力电池环节市场化运营，国网公司等同于“电池运营商”的角色，也是最大的动力电池采购商。南方电网公司近期也发布规划:到 2012 年，南方电网将在深圳建设 89 个充电站及 29 500 个充电桩，预计总投资额将超过 10 亿

12、元，打造覆盖全市主要干道、居民小区、公共停车场以“慢充为主、中快充为辅”的充电服务网络。目前，国内电动汽车还处在示范、推广应用阶段，充电站建设的数量还很少，而且各地建设的充电站都是服务于特定车型的充电站，虽有一定的示范作用，但其建设标准及相关设备的技术标准并不统一。如何从全局的角度上搭建一个实用、灵活的电动汽车的能量管理系统，对促进电动汽车的大规模推广有很重要的研究意义。2车载能量管理系统2 1基于 CAN 总线的整体结构车载能量管理系统的主要作用是利用计算机或智能设备，对整车尤其是电池组进行实时监测和控制优化。通过动态和静态的监测控制，及时将所有数据传递至控制系统并存储在系统中，实现驾驶员对

13、电动汽车的监测与控制。纯电动汽车的结构如图 1 所示。图 1纯电动汽车结构示意图2 2传感器网络结构传感器通信网络以有线通信 CAN 总线为主，可结合无线通信 ZigBee 构建传感器网络，如图 2所示。图 2传感器网络示意图构建该网络的难点在于有线协议 CAN 与无线协议 ZigBee 的一个转换机制。物理层(Physi-cal Layer)由硬件所决定，有线、无线截然不同。在上面的数据链路层(Data Link Layer，DLL)和网络层(Network Layer)及应用层(ApplicationLayer)可修改，使得从工作人员的层面看数据是透明的(Transparent)。CAN

14、和 ZigBee 协议主要区别是两者数据形式不同，因此，必须通过编码/解码(Encoding/Decoding)、封装/拆装(Encapsu-lation/Decapsulation)等在桥(Bridge)处进行重编(Reassembling)，以实现两种协议格式转化。CAN数据的数据容量最多为 8 Byte，而 ZigBee 可达102 Byte，且两者的 ACK 机制也需要重新改变，变更机制如图 3 所示。32低压电器(2011No 14)分布式电源图 3有线/无线通信信息交换示意图2 3电池组管理电池组的管理是车载能量管理系统的核心部分。根据电池特性，对电池组实施有效的管理，不仅对确保电

15、动汽车的安全、保持电池组性能、延长电池组寿命、提高电池使用效率有重要意义11，而且将提高整个系统的可靠性和稳定性。主要功能如下:(1)对动力电动汽车电池组中的每块单体电池进行实时的监测与控制，监测内容包括电池的温度、端电压、内阻以及每块电池的充、放电电流;与此同时，动力电动汽车电池管理子系统需对每块电池进行建档，并估算出每块电池的值;进行单体电池参数单独监测时，采用合适的充电方式，并控制充电过程，以达到节约能量的目的。(2)随时预报动力电动汽车储能电池还剩余多少能量，计算在电动状态下还能运行的路程。(3)提供过放电、过充电监控报警，及时提醒用户更换电池，以免影响整个电池组的可靠性和稳定性，延长

16、电池组的寿命，降低使用成本。(4)在电池性能非理想的情况下，保证该混合动力电动汽车在纯电动状态下依然持续上路维持较长的寿命和安全性，合理使用有限的能量。3充电站能量管理系统3 1基于物联网的整体结构传感器技术及通信技术的快速发展，给充电站能量管理系统奠定基础。物联网(Internet ofThings，IOT)是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别(Radio Frequency Identification De-vices，RFID)技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络，目的是实现物与物、物与人，所有物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。基于物联网的能量管理系统如图 4 所示。图 4能量管理系统功能结构示意图该能量管理系统的主要功能是实现数据的采集及指令的发送。充电站需要采集的信号包括:电网的负荷曲线，充电站周边方 20 km 内行驶的电动汽车的信息，自身蓄电池充电状态及存量情况，附近充电站的蓄电池充电