为电动车组建的智能电网

电动交通会改变能源和自动化市场，为智慧城市的重大投资做出贡献。这些变化与向更清洁、更分散和数字化环境的发展一致。电动车充电会给电网造成局部限制，导致稳定性问题，降低电气化的环境效益。世界各地支持电动化交通的投资和基础设施情况各不相同。

基础设施的目标是分配能源——结合微电网和智能建筑等的电网边缘技术——并将这些技术集成到智能电网中，以便在保证能源系统的稳定性的同时，充分利用电动出行的灵活性。

电池市场会让电动车的使用更加便利，且提供的智能充电服务将降低其成本。数字化将有助于简化程序，改善客户体验，支持高效的基础架构管理，且能实现共享交通等新服务。充电站也将获得授权，使之成为智慧城市服务的枢纽。

电动车电池

要考虑的重要因素之一是电池的容量和效率。车辆的性能，尤其是汽车的自主性是取决于上述二者。衡量效率的参数是每公里使用的能源多少，通常用 kWh/100 km 或 km/kWh 表示。另一方面，电池的容量表示它所能承载的能量总量，相当于传统汽车油箱里的全部燃料。电池的效率值与消耗量之间的关系表明了汽车的平均理论自主性（图 1 ）。

图1: 以英里为单位表示的自主性随电池容量 (kWh) 的变化而变化，示出了七种不同效率值（英里/kWh）（来源: InsideEVs）

对于那些希望在不必大幅改装车辆的情况下宣布更大自主性的市场领先者来说，相同单元尺寸的电池容量增加是他们关注的焦点。彭博社 (Bloomberg) 基于对汽车行业和蓄电池行业 50 家公司的调查，做出的一项研究指出，2010年锂电池的价格远高出每千瓦时 1000 美元，而到 2025 年将达到每千瓦时 100 美元（图2）。现在，与镍氢 (Ni-MH) 技术相比，锂离子电池可以保证在更长时间内（平均 8 年）保持 80% 的效率。

图2：某电动车的电池。（图源：Nissan）

智能充电

电池是电动车运行的关键挑战。一些研究通过强调电池和智能充电是如何成为减少能源排放、从而提高效率的关键来解决这一挑战。同时为多辆电动车充电是主要问题所在，因为这关系到电力和网络的问题。电池一直是电动车难以解决的问题，同时工程师们尝试开发出一种使电池寿命更长的方法，并以最佳方式管理电池端(图3)。

图3：电动车的部件

“大型电动车可以提供充足的蓄电池容量，但如果所有用户都在早上或晚上同时运行汽车，电网将会面临压力。”创新中心和 IRENA技术主任Dolf Gielen解释道，“因此，充电时间至关重要。”

电动车的自主性不仅取决于所安装电池的容量，还受汽车运行环境的温度、车上辅助服务的消耗以及驾驶员驾驶方式的影响。

一种先进的智能充电方式是车联电网(V2G)，已经在英国、荷兰和丹麦进行过测试。该技术能让这些充电桩与网络“对话”，使用其所连接的汽车电池，就像存储系统一样。

随着V2G的应用，电动车完美地成为了一个大型移动电池，由可再生能源提供动力，并以双向方式进行管理。根据需求，可用能源从房子上转移到了汽车或网络上，并为那些提供能源的人带来经济回报。在今后的这些智能电网中，汽车也将成为清洁能源价值链中不可或缺的一环。

V2G 的应用也会带来其他的优点：除了减少污染和间接环保之外，在经济上，也会对运营商和车主有好处。存储在电池中的能量可以用来满足部分本地能量的需求——降低负载曲线的峰值。减少了发电厂的压力，减少了配电系统中的能量，从而减少了损失。因此，峰值的降低，能在最大负荷期间降低电力成本。V2G开发的关键之一是创建和传送稳定的标准加班时间，以便与智能电网进行通信。电动车必须与电力系统完美结合，因此充电过程需要汽车、充电柱和网络之间良好的通信。

多项研究调查了汽车和网络管理系统之间通信的适当标准。多个项目研究了使用IEC 62056 DLMS/COSEM的机会，并利用协议的技术方面将信息转发给智能网络管理系统—例如负载平衡控制器的机会。

另一种可供选择的方法是使用IEC 61850协议支持变电站自动化系统之间的通信，用于可再生能源之间的能量流管理等目的。一个特定的扩展已经部署，能与各种V2G ISO/IEC 15118接口交互。图4显示了这个参考项目如何结合ISO/IEC 15811和IEC 61850协议来实现端到V2G通信。

图4：使用V2G通信的车辆充电站。（图源：Fraunhofer）

意法半导体（STMicroelectronics）的ST2100S TreamPlug集成了一个可配置的Arm9内核，能够支持多个HomePlug AV或HPGP端口。该器件旨在为各种智能用例（如电动车充电）提供单片机解决方案。Arm核心提供了足够的处理能力来承载智能充电应用和协议栈，如用于与智能网络管理系统通信的IEC 61850或DLMS/COSEM（图5）。

图5：ST2100 方框图。（图源：STMicroelectronics）

电动车情景涵盖了许多技术。目前，市场正将资源投入到能够支持网络容量的基础设施建设中，而不是用于提高整体发电量上。利用光伏能源作为能量收集为电池驱动的汽车提供动力，有助于使汽车旅行更加实惠。电动交通为新产品和服务创造了机会，这些新产品和服务包括车辆的维护和运营、充电站的安装、运营、维护和服务，以及能源管理的软件解决方案。

本文为《电子工程专辑》11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编：Yvonne Geng