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《 电 动 汽 车 多 功 能 车 载 双 向 充 电与 控 制 关 键 技 术 研 究 》

项 目 总 结 报 告

一 、 项 目 概 况1 、 项 目 名 称电 动 汽 车 多 功 能 车 载 双 向 充 电

与 控 制 关 键 技 术 研 究 。2 、 立 项 时 间2016 年 7 月 。3 、 项 目 编 号BY2016004-05 。4 、 项 目 负 责 人彭 富 明 。5 、 合 作 企 业南 京 怡 咖 电 气 科 技 有 限 公 司 。6 、 经 费 预 算本 项 目 总 经 费 75 万 元 ， 其 中 ，

省 拨 经 费 15 万 元 ， 承 担 单 位 自 筹30 万 元 ， 参 加 单 位 投 入 30 万 元 。

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7 、 主 要 研 究 内 容研 究 电 动 汽 车 多 功 能 车 载 充 电

和 电 动 汽 车 用 电 池 功 率 特 性 ； 研究 电 动 汽 车 与 智 能 电 网 双 向 互 动的 多 功 能 实 现 方 法 ； 考 虑 电 动 汽车 放 电 情 况 ， 研 究 V2G系 统 的 功 能及 实 现 方 式 ， 进 行 不 同 场 景 下 的分 析 ； 实 现 为 电 动 汽 车 提 供 电 能量 处 理 与 计 费 功 能 等 于 一 体 的 管理 服 务 系 统 。二 、 项 目 实 施 情 况本 项 目 实 施 过 程 比 较 顺 利 ， 完

成 了 既 定 内 容 的 研 究 和 合 同 指 标 。开 展 的 主 要 工 作 如 下 ：

1 、 校 企 联 合 研 发 团 队 的 组 织南 京 理 工 大 学 通 过 前 期 与 南 京

怡 咖 电 气 科 技 有 限 公 司 在 “ 电 动汽 车 多 功 能 车 载 充 电 与 控 制 系 统的 产 业 化 ” 项 目 开 展 了 大 量 的 合作 ， 取 得 了 有 效 进 展 。 在 该 项 目合 作 的 基 础 上 ， 双 方 共 同 合 作 ，

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组 建 校 企 联 合 研 发 团 队 ， 开 展 电动 汽 车 多 功 能 车 载 双 向 充 电 与 控制 关 键 技 术 研 究 。校 企 联 合 研 发 团 队 成 员 包 括 南

京 理 工 大 学 和 南 京 怡 咖 电 气 科 技有 限 公 司 双 方 人 员 ， 团 队 成 员 共计 13 人 ， 其 中 南 京 理 工 大 学 9 人 ，南 京 怡 咖 项 电 气 科 技 有 限 公 司 4 人 ，覆 盖 了 系 统 架 构 、 设 计 、 软 硬 件技 术 研 发 、 知 识 产 权 管 理 等 方 面 。项 目 负 责 人 由 南 京 理 工 大 学 自 动化 学 院 彭 富 明 高 级 工 程 师 担 任 。项 目 实 施 以 来 ， 研 发 团 队 人 员 相对 稳 定 ， 积 极 性 高 ， 有 效 保 障 了项 目 的 顺 利 实 施 。

2 、 实 施 计 划 的 制 定 与 落 实按 照 项 目 实 施 要 求 与 时 间 安 排 ，

提 前 制 定 了 合 理 、 有 效 的 实 施 计划 ， 具 体 如 下 ：

2016 年 07 月 01 日 -2016 年 12 月 31 日 ，研 究 电 动 汽 车 多 功 能 车 载 充 电 和电 动 汽 车 用 电 池 功 率 特 性 ， 并 将

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研 究 成 果 形 成 相 应 的 论 文 、 申 报专 利 ；

2017 年 01 月 01-2017 年 06 月 30 日 ， 研究 电 动 汽 车 与 智 能 电 网 双 向 互 动的 多 功 能 实 现 方 法 、 V2G系 统 的 功能 及 实 现 方 式 等 内 容 ， 并 进 行 不同 场 景 下 的 实 例 分 析 ， 并 进 行 相应 的 验 证 等 工 作 ； 开 发 样 机 模 型 ；形 成 相 应 的 论 文 ， 申 报 专 利 ；

2017 年 07 月 01 日 -2017 年 12 月 31 日 ，完 成 电 动 汽 车 车 载 双 向 充 电 与 控制 系 统 的 管 理 服 务 平 台 建 设 ； 完善 样 机 系 统 ； 对 本 项 目 研 发 过 程中 形 成 的 产 品 、 平 台 进 行 测 试 验证 ；

2018 年 01 月 01 日 -2018 年 06 月 30 日 ，将 相 应 成 果 提 炼 ， 完 善 论 文 ， 申报 专 利 ， 资 料 归 档 。在 具 体 落 实 的 过 程 中 ， 按 照 计

划 要 求 ， 稳 步 推 进 ， 适 当 超 前 ，于 2017 年 底 顺 利 完 成 了 项 目 规 定 任务 ， 超 额 、 提 前 完 成 了 合 同 约 定

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的 考 核 指 标 。3 、 企 业 研 发 人 员 的 培 养 培 训项 目 实 施 过 程 中 ， 注 重 发 挥 产

学 研 合 作 的 基 础 ， 依 托 南 京 理 工大 学 优 势 资 源 和 本 项 目 的 合 作 基础 ， 对 企 业 研 发 人 员 ， 在 项 目 实施 过 程 中 ， 进 行 常 态 化 的 培 养 和穿 插 式 的 培 训 ， 定 期 开 展 项 目 交流 研 讨 会 ， 解 决 项 目 实 施 中 的 疑难 问 题 ； 同 时 ， 在 项 目 实 施 完 成后 ， 对 企 业 研 发 人 员 进 行 有 针 对性 的 培 训 ， 为 项 目 成 果 更 好 地 进行 产 业 化 打 下 坚 实 基 础 。

4 、 项 目 完 成 情 况 及 成 效项 目 完 成 了 对 电 动 汽 车 多 功 能

车 载 充 电 和 电 动 汽 车 用 电 池 功 率特 性 、 电 动 汽 车 与 智 能 电 网 双 向互 动 的 多 功 能 实 现 方 法 的 研 究 ； 在 考 虑 到 电 动 汽 车 放 电 情 况 的 前提 下 ， 研 究 了 V2G系 统 的 功 能 及 实现 方 式 ， 进 行 了 不 同 场 景 下 的 实例 分 析 ； 实 现 了 为 电 动 汽 车 提 供

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电 能 量 处 理 与 计 费 功 能 等 于 一 体的 管 理 服 务 系 统 。

完 成 了 电 动 汽 车 车 载 双 向 充 电与 控 制 系 统 的 研 制 ， 具 体 产 出 为电 动 汽 车 多 功 能 车 载 双 向 充 电 与控 制 系 统 样 机 1 套 ， 恒 流 恒 压 充 电输 出 电 压 范 围 400V ～ 700VDC ， 输 出 电流 范 围 10A ～ 120A ； 发 表 论 文 5 篇 ；申 请 发 明 专 利 4 件 。

对 照 项 目 合 同 可 以 发 现 ， 本 项目 已 经 顺 利 完 成 了 合 同 任 务 指 标 。

5 、 经 费 预 算 执 行 情 况项 目 实 施 过 程 中 ， 严 格 按 照 合

同 约 定 的 支 出 范 围 使 用 项 目 经 费 ，专 款 专 用 ， 单 独 核 算 ， 遵 守 国 家 、省 有 关 科 技 计 划 与 经 费 管 理 的 规定 ， 为 项 目 的 顺 利 实 施 提 供 了 有效 的 经 费 保 障 。 预 算 执 行 方 面 ，按 照 合 同 约 定 ， 顺 利 完 成 了 经 费预 算 的 执 行 。

三 、 项 目 技 术 情 况6

1 、 项 目 的 研 究 方 法 及 技 术 路 线（ 1 ） 地 面 式 大 功 率 直 流 双 向 充

电 系 统 主 要 由 人 机 交 互 单 元 、 功率 单 元 、 控 制 单 元 及 充 电 接 口 组成 人 机 交 互 单 元 由 触 摸 屏 和 电 源开 关 组 成 ， 用 于 设 置 充 电 方 式 和充 电 参 数 。 采 用 ARM 核 心 机 构 ， 用户 通 过 触 摸 屏 操 作 ， 根 据 画 面 提示 刷 卡 ， 连 接 充 电 接 口 ， 选 择 充电 模 式 ， 启 动 充 电 过 程 。 功 率 单元 实 现 交 直 流 变 换 ， 控 制 单 元 由主 控 板 、 控 制 保 护 单 元 、 通 信 单元 组 成 ， 完 成 充 电 过 程 的 启 动 、运 行 、 实 时 监 控 以 及 关 闭 。 充 电接 口 由 充 电 插 座 和 充 电 插 头 （ 充电 枪 ） 组 成 。 直 流 双 向 充 电 系 统输 入 电 压 是 三 相 四 线 AC380V ， 频 率为 50Hz ； 输 出 是 可 调 的 直 流 电 ， 直接 为 电 动 汽 车 的 动 力 电 池 充 电 。充 电 过 程 中 ， 车 载 BMS 通 过 充 电 接口 连 接 到 CAN 总 线 ， 控 制 充 电 机 按照 合 理 的 充 电 曲 线 进 行 充 电 ， 同

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时 通 过 CAN 总 线 控 制 充 电 机 ， 执 行用 户 的 启 动 、 停 止 充 电 操 作 。电 动 汽 车 车 载 双 向 充 电 系 统 采

用 CAN 总 线 与 电 池 管 理 系 统 (BMS)进行 通 信 ， 接 收 由 BMS 发 送 的 电 池充 电 状 态 和 充 电 需 求 等 ， 同 时 把实 时 的 充 电 回 路 状 态 信 息 发 送 给 BMS 。 充 电 机 从 地 面 电 源 获 取 能 量 ，采 用 合 适 的 方 式 传 递 给 蓄 电 池 ，而 建 立 了 供 电 电 源 与 蓄 电 池 之 间的 功 率 转 换 接 口 。 充 电 系 统 通 常由 功 率 转 单 元 和 执 行 充 电 过 程 控制 的 控 制 器 组 成 。 对 充 电 系 统 的基 本 性 能 要 求 包 括 ： 对 操 作 人 员具 有 安 全 性 ， 同 时 易 于 使 用 ； 充电 快 速 ， 且 能 够 保 证 蓄 电 池 的 使用 寿 命 ； 高 效 率 ， 能 够 提 高 能 量的 利 用 率 ， 降 低 经 济 成 本 。系 统 采 用 STM32 为 中 央 控 制 芯 片 ，

集 中 处 理 系 统 事 务 。 针 对 车 载 充电 机 控 制 器 和 电 池 管 理 系 统 之 间的 通 信 的 特 点 以 及 充 电 系 统 对 实

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时 信 息 通 信 的 高 性 能 需 求 ， 采 用以 CAN 总 线 作 为 网 络 底 层 协 议 ，以 SAE J1939 协 议 和 TTCAN 协 议 作 为 网 络的 上 层 协 议 的 分 层 网 络 结 构 。 电压 和 电 流 传 感 器 实 时 监 测 充 电 回路 的 电 压 和 电 流 值 。 充 电 机 控 制器 根 据 地 面 充 电 装 置 提 供 的 信 号 、传 感 器 测 量 值 结 合 电 池 管 理 系 统的 电 池 状 态 来 实 时 调 节 充 电 过 程 。采 用 PID 控 制 算 法 加 快 响 应 速 度 ，提 高 控 制 精 度 。

整 个 配 电 盒 采 用 散 热 及 耐 振 动优 良 的 铝 合 金 壳 体 ， 具 有 较 高 安全 及 密 封 防 水 等 级 ， 在 寿 命 、 功耗 、 体 积 及 重 量 上 也 有 较 大 的 优势 。 根 据 不 同 客 户 的 系 统 架 构 需求 ， 此 高 压 配 电 盒 还 集 成 了 部 分整 车 低 压 车 身 控 制 驱 动 （ BCM ） 功能 ， 此 部 分 低 压 控 制 驱 动 可 以 很方 便 地 升 级 到 智 能 低 压 配 电 （ Smart

Junction Unit ） 并 可 集 成 到 高 压 系 统 智能 控 制 管 理 单 元 。 控 制 管 理 单 元

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（ PDMU） 采 用 符 合 汽 车 电 子 安 全 标准 （ ISO26262 ） 的 汽 车 级 微 控 制 器（ MCU ） 及 外 围 关 键 电 子 零 件 。功 率 变 换 与 双 向 充 电 装 置 样 机

研 制 阶 段 工 艺 技 术 路 线 见 图 1 ：

图1 工艺技术路线（ 2 ） 电 动 汽 车 充 放 电 监 控 中 心

负 责 区 域 电 网 内 所 有 电 动 汽 车 充放 电 的 统 一 管 理 、 监 测 和 经 济 调度 ， 接 收 电 网 调 度 的 实 时 响 应 命令 和 充 放 电 计 划 命 令 ， 根 据 相 关算 法 将 其 分 配 至 各 V2G站 ， 确 定 各

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站 充 放 电 计 划 ， V2G站 站 控 层 负 责将 电 动 汽 车 充 放 电 监 控 中 心 分 配至 本 站 的 充 放 电 计 划 中 再 次 分 配至 各 车 辆 ， 确 定 各 车 辆 充 放 电 功率 和 时 间 ， 并 将 本 站 信 息 上 传 至电 动 汽 车 充 放 电 监 控 中 心 。 用 户在 V2G站 停 车 时 将 车 辆 连 接 到 充 放电 机 ， 通 过 充 放 电 机 人 机 界 面 设定 车 辆 参 与 充 放 电 服 务 的 可 用 时间 以 及 电 池 荷 电 状 态 上 下 限 。 当电 动 汽 车 连 接 充 放 电 机 时 ， BMS 负责 将 其 数 据 通 过 充 放 电 机 及 站 内通 信 网 络 传 至 V2G站 站 控 层 ， 包 括电 池 实 时 电 量 、 电 压 、 充 放 电 允许 以 及 电 池 最 大 充 放 电 电 流 等 。V2G站 站 控 层 依 据 这 些 数 据 选 择 充放 电 车 辆 及 其 功 率 ， 并 在 相 应 时刻 下 达 给 对 应 充 放 电 机 和 车 辆 。

（ 3 ） V2G站 的 充 放 电 模 式 决 定 了其 控 制 策 略 ， 以 负 荷 曲 线 整 形 充放 电 模 式 研 究 V2G站 的 控 制 策 略 。负 荷 曲 线 整 形 充 放 电 模 式 是 指 以

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日 负 荷 曲 线 为 基 础 ， 以 减 小 负 荷峰 谷 差 为 目 标 ， 制 定 V2G站 充 放 电计 划 。 充 放 电 的 计 划 需 要 统 筹 考虑 计 划 期 内 各 时 段 的 负 荷 预 测 、设 备 投 产 和 检 修 计 划 、 电 动 汽 车充 放 电 能 力 预 测 、 参 与 充 放 电 激励 政 策 、 车 辆 用 户 使 用 需 求 情 况以 及 新 能 源 发 电 情 况 ， 在 满 足 电网 安 全 约 束 条 件 下 实 现 经 济 调 度 。

（ 4 ） 从 控 制 关 系 的 分 析 来 看 ，电 动 汽 车 充 放 电 监 控 中 心 相 当 于传 统 区 域 电 网 的 调 度 ， V2G站 相 当于 发 电 厂 ， 各 个 车 辆 相 当 于 机 组 。V2G站 接 收 电 动 汽 车 充 放 电 监 控 中心 下 发 的 充 放 电 计 划 ， 自 行 选 择充 放 电 车 辆 。 考 虑 到 站 内 车 辆 的流 动 性 和 车 辆 用 户 需 求 ， 实 现 上述 功 能 的 V2G站 控 制 流 程 是 一 个 实时 的 循 环 过 程 。 如 下 图 2 所 示 ，

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图2 充放电流程（ 5 ） 车 辆 选 择 算 法 的 目 的 是 使

全 站 该 时 刻 的 充 放 电 功 率 尽 量 符合 电 动 汽 车 充 放 电 监 控 中 心 下 达的 命 令 ， 是 确 定 充 放 电 车 辆 和 功率 的 关 键 。 车 辆 选 择 算 法 既 要 满足 车 辆 选 择 的 流 动 性 ， 保 证 备 选车 辆 及 其 充 放 电 功 率 随 全 站 充 放电 计 划 的 变 化 而 变 化 ， 又 要 满 足车 辆 选 择 的 稳 定 性 ， 防 止 同 一 辆车 的 充 放 电 功 率 频 繁 变 化 ， 对 电

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池 性 能 造 成 损 害 。 有 两 种 车 辆 选择 算 法 ： 排 序 算 法 和 功 率 分 摊 算法 如 图 3 和 图 4 所 示 。

图3排序算法

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图4 功率分摊算法

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2 、 项 目 解 决 的 关 键 技 术本 项 目 解 决 的 关 键 技 术 主 要 包

括 以 下 3 点 ：（ 1 ） 在 不 同 充 电 方 式 下 ， 分 析

电 动 汽 车 多 功 能 车 载 充 电 和 电 动汽 车 用 电 池 功 率 特 性 的 研 究 ， 分析 不 同 时 间 段 充 电 负 荷 分 布 特 点 ，给 出 电 动 汽 车 多 功 能 车 载 充 电 设备 实 现 方 法 ， 并 对 比 分 析 不 同 阶段 充 电 站 对 电 网 负 荷 特 性 的 影 响 ，量 化 分 析 其 影 响 程 度 ， 研 究 改 善电 网 负 荷 特 性 的 充 电 方 法 和 控 制技 术 。

针 对 现 在 电 动 汽 车 的 发 展 状 态来 看 ， 对 大 规 模 、 多 种 类 、 不 规律 运 行 的 电 动 汽 车 充 电 功 率 需 求预 测 意 义 不 大 。 因 此 ， 要 建 立 合理 的 充 电 功 率 需 求 分 析 模 型 ， 要综 合 考 虑 政 治 、 经 济 等 因 素 ， 合理 预 测 电 动 汽 车 规 模 。现 在 市 场 上 运 营 的 电 动 汽 车 有

很 多 种 ， 本 项 目 中 根 据 用 户 简 单16

的 把 电 动 汽 车 分 为 三 类 ： 一 是 客车 ， 比 如 公 交 电 动 汽 车 等 从 事 公交 运 营 的 车 辆 ， 还 有 长 途 客 运 车辆 ， 企 业 自 备 车 辆 等 ， 他 们 的 路线 一 般 都 是 提 前 规 划 好 的 ， 有 固定 的 运 营 时 间 和 充 电 时 间 ； 二 是专 用 车 ， 邮 政 ， 物 流 车 ， 市 政 ，环 卫 ， 工 程 车 等 ， 这 部 分 车 的 行驶 范 围 就 比 较 大 了 ， 具 有 很 强 的随 意 性 ； 三 是 乘 用 车 ， 出 租 车 ，私 人 及 企 业 用 车 ， 公 务 车 ， 租 赁车 等 ， 作 为 现 如 今 拥 有 量 最 大 的汽 车 群 体 ， 其 行 驶 时 间 ， 路 程 ，范 围 都 具 有 很 强 的 随 意 性 ， 不 确定 性 ， 一 般 情 况 下 ， 行 驶 路 程 短 ，使 用 时 间 不 长 ， 停 在 公 司 和 小 区停 车 场 的 时 间 会 多 一 点 ， 因 此 在这 两 个 地 方 有 充 足 的 时 间 参 与 电网 互 动 。下 面 总 结 几 点 会 影 响 汽 车 充 放

电 的 因 素 ：①根 据 目 前 的 资 料 来 看 ， 会 影 响

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电 动 汽 车 充 放 电 的 因 素 主 要 是 电动 汽 车 的 电 池 状 态 ， 包 括 了 电 池材 料 ， 循 环 充 电 次 数 ， 品 牌 ， 电池 容 量 ， 使 用 寿 命 等 等 ， 表 1 中 总结 了 几 种 电 池 的 参 数 性 能 ， 锂 电池 由 于 其 体 积 小 ， 重 量 轻 ， 比 能量 密 度 大 ， 使 用 寿 命 长 ， 可 循 环次 数 多 ， 成 本 适 中 的 特 点 成 为 了许 多 电 动 汽 车 的 首 选 电 池 。

②电 动 汽 车 的 使 用 情 况 ， 包 括 了电 动 汽 车 每 天 的 出 行 时 刻 ， 行 驶公 里 数 ， 行 驶 时 间 ， 停 放 地 点 以及 时 间 ， 可 用 电 池 容 量 等 。

③电 动 汽 车 的 充 电 模 式 ， 简 单 的可 以 分 为 下 面 几 种 方 式 ： 一 是 常规 充 电 ： 充 电 电 流 小 ， 充 电 速 度慢 ， 成 本 较 低 ， 多 用 于 家 庭 式 充电 ； 二 是 快 速 充 电 ： 充 电 电 流 大 ，充 电 速 度 快 ， 建 设 成 本 高 ， 多 用于 应 急 充 电 ， 短 时 间 充 电 ； 三 是换 电 池 充 电 ： 采 用 的 是 直 接 更 换电 池 组 ， 时 间 主 要 花 在 寻 找 电 池

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更 换 门 店 与 装 配 上 ， 有 利 于 提 高电 池 使 用 效 率 ， 可 以 选 择 在 电 网低 谷 时 充 电 降 低 了 充 电 成 本 ； 四是 无 线 式 充 电 ： 采 用 特 殊 方 式 ，无 需 充 电 插 头 ， 利 用 现 行 技 术 标准 的 特 殊 激 光 或 微 波 束 给 车 辆 充电 ， 以 后 车 辆 可 以 在 专 门 设 计 的高 速 上 利 用 安 装 在 电 线 杆 或 其 他建 筑 上 的 发 射 器 进 行 快 速 补 充 电能 。不 同 的 充 电 方 式 有 利 有 弊 ， 根

据 用 户 需 求 选 择 合 适 的 充 电 方 式才 是 最 有 利 的 ， 以 后 一 定 会 有 更加 先 进 更 加 便 捷 的 充 电 方 式 研 发出 来 改 变 充 电 行 为 ， 让 电 动 车 真正 的 成 为 便 捷 的 交 通 工 具 。

表 1 动力电池特性比较

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除 了 以 上 谈 到 的 几 点 以 外 ， 由于 现 阶 段 新 能 源 的 发 展 很 不 平 衡 ，大 到 国 家 ， 小 到 地 域 ， 发 展 速 度都 存 在 明 显 的 差 异 ， 导 致 电 动 汽车 的 发 展 规 模 不 相 匹 配 ， 直 接 影响 到 了 电 动 汽 车 的 充 放 电 功 率 总规 模 ， 对 各 区 域 内 电 网 的 负 荷 产生 不 同 的 影 响 。 以 南 京 地 区 的 电动 汽 车 发 展 来 说 ， 截 至 2016 年 底 ，南 京 新 能 源 汽 车 保 有 量 达 1.29万 辆 ，充 电 桩 1 万 台 。 根 据 6 月 发 布 的《 2017 年 南 京 市 新 能 源 汽 车 推 广 应

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用 财 政 补 贴 实 施 细 则 》 ， 2017 南 京新 能 源 汽 车 推 广 总 量 为 2500 辆 ， 充电 设 施 建 设 计 划 总 量 为 3000 根 。 南京 市 在 推 广 应 用 新 能 源 汽 车 方 面采 取 大 力 扶 植 的 政 策 。 南 京 市 政府 公 布 的 《 南 京 市 “ 十 三 五 ” 新能 源 汽 车 推 广 应 用 实 施 方 案 》（ 以 下 简 称 《 方 案 》 ） 中 ， 提 出到 2020 年 将 新 增 新 能 源 汽 车 5 万 标准 车 以 上 ， 保 有 量 达 到 13 万 标 准车 以 上 ； 新 建 成 充 电 桩 2 万 根 ， 累计 达 到 2.5 万 根 。本 研 究 主 要 是 研 究 电 动 汽 车 充

电 对 电 网 带 来 的 影 响 ， 由 于 电 动汽 车 本 身 的 随 机 性 ， 不 确 定 性 的特 点 ， 使 得 要 对 电 动 汽 车 充 放 电行 为 建 模 有 一 定 的 难 度 ， 因 为 对于 电 动 汽 车 数 量 增 长 的 不 确 定 性 ，本 项 目 这 里 选 用 蒙 特 卡 洛 方 法 来进 行 研 究 。蒙 特 卡 洛 又 被 叫 做 统 计 模 拟 法 ，

随 机 抽 样 技 术 ， 基 于 每 辆 车 的 状21

况 都 有 所 差 异 ， 其 复 杂 的 约 束 条件 导 致 的 不 确 定 性 和 离 散 性 ， 随着 数 量 的 增 加 ， 复 杂 度 呈 现 几 何数 增 长 ， 采 用 普 通 的 方 法 很 难 建立 可 靠 性 预 计 的 精 确 数 学 模 型 ，但 是 基 于 蒙 特 卡 洛 的 特 点 ， 不 管状 态 函 数 是 否 具 有 非 线 性 ， 还 是其 随 机 变 量 是 否 服 从 正 态 分 布 ，只 要 模 拟 实 验 的 次 数 足 够 庞 大 ，那 么 就 可 以 得 到 一 个 相 对 精 确 的概 率 ， 所 以 在 分 析 电 动 汽 车 的 负荷 计 算 方 面 ， 就 采 用 了 这 种 方 法 。

这 里 ， 通 过 计 算 机 模 拟 出 问 题本 身 所 具 有 的 随 机 性 ， 根 据 已 知的 条 件 ， 通 过 随 机 抽 样 的 方 法 就可 以 获 得 该 事 件 相 应 的 概 率 。该 方 法 的 具 体 实 施 步 骤 大 致 可

以 分 为 以 下 几 步 ：①先 描 述 概 率 事 件 发 生 的 整 个 流

程 ， 如 果 需 要 解 决 的 问 题 具 有 随机 性 ， 那 么 只 需 要 描 述 整 个 过 程就 可 以 了 ， 如 果 问 题 不 具 备 随 机

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性 ， 那 么 就 提 前 构 造 这 样 一 个 过程 ， 将 所 要 求 的 解 ， 通 过 数 学 构造 成 特 征 值 ， 参 与 计 算 。

②根 据 构 造 的 特 征 值 进 行 随 机 的采 样 。 根 据 上 一 步 构 造 的 事 件 模型 ， 得 到 各 个 对 象 的 分 布 特 征 ，随 机 生 成 变 量 。

③计 算 各 估 量 的 结 果 。 完 成 抽 样以 后 根 据 各 估 量 的 值 ， 得 出 问 题的 最 后 结 果 。本 项 目 中 ， 结 合 电 动 汽 车 的 行

为 ， 主 要 采 用 的 计 算 方 法 是 按 照下 面 的 步 骤 来 实 施 的 ：

①通 过 现 有 的 统 计 资 料 ， 把 电 动汽 车 的 日 行 驶 里 程 ， 充 电 时 间 ，充 电 时 刻 等 参 数 分 布 规 律 统 计 出来 ， 统 计 量 越 大 ， 精 确 性 越 高 。

②然 后 根 据 以 上 得 到 的 数 据 参 数 ，运 用 蒙 特 卡 洛 进 行 随 机 采 样 ， 计算 出 在 每 个 时 间 段 内 的 每 台 电 动汽 车 的 充 放 电 功 率 。

③估 算 参 与 调 度 的 电 动 汽 车 的 数23

量 ， 然 后 将 这 个 规 模 内 的 汽 车 充放 电 功 率 叠 加 起 来 ， 最 终 获 得 了所 有 电 动 汽 车 的 充 放 电 功 率 负 荷 。基 于 上 述 条 件 ， 模 拟 仿 真 电 动

汽 车 充 电 规 模 化 以 后 给 南 京 电 网带 来 的 变 化 ， 进 而 找 出 合 适 的 解决 方 案 来 抵 消 不 利 影 响 。 这 里 是用 锂 电 池 作 为 电 动 汽 车 的 动 力 来源 ， 根 据 电 动 汽 车 的 不 同 特 性 以及 运 行 状 态 等 ， 用 蒙 特 卡 洛 方 法进 行 建 模 ， 分 析 不 同 时 间 段 充 电负 荷 分 布 特 点 ， 给 出 了 电 动 汽 车多 功 能 车 载 充 电 设 备 实 现 方 法 ，并 对 比 分 析 不 同 阶 段 充 电 站 对 电网 负 荷 特 性 的 影 响 ， 量 化 分 析 了其 影 响 程 度 ， 研 究 出 了 改 善 电 网负 荷 特 性 的 充 电 方 法 和 控 制 技 术 。

（ 2 ） 分 析 电 网 与 电 动 汽 车 的 双向 互 动 的 实 现 ， 研 究 不 同 型 号 、电 压 等 级 不 同 的 电 动 汽 车 与 电 网实 现 双 向 互 动 的 关 系 。本 研 究 建 立 了 三 个 电 池 充 放 电

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模 型 ， 分 别 以 电 动 汽 车 在 有 序 和无 序 的 情 况 作 为 研 究 前 提 。一 是 有 序 充 电 模 型 。 电 动 汽 车

在 电 网 谷 峰 时 依 次 接 入 进 行 有 序充 电 ， 通 常 情 况 下 ， 避 开 电 网 高峰 期 ， 选 择 在 电 网 低 谷 期 进 行 充电 。

二 是 无 序 充 电 模 型 。 电 动 汽 车的 充 电 行 为 不 受 到 控 制 ， 用 户 在任 意 方 便 的 时 间 任 意 地 点 都 可 以直 接 接 入 电 网 进 行 充 电 。

三 是 有 序 充 / 放 电 模 型 。 前 面 介绍 的 两 种 能 量 都 是 由 电 网 流 向 电动 汽 车 ， 而 这 个 模 型 的 能 量 是 可以 双 向 流 动 的 ， 即 电 网 到 电 动 汽车 ， 也 可 以 电 动 汽 车 到 电 网 ， 在电 网 高 峰 期 可 以 选 择 放 电 ， 在 低谷 期 选 择 充 电 ， 达 到 智 能 调 节 维持 电 网 稳 定 的 目 的 ， 也 就 是 V2G模型 。本 项 目 利 用 南 京 电 网 的 日 负 荷

曲 线 作 为 背 景 ， 通 过 仿 真 模 拟 不25

同 数 量 的 电 动 汽 车 在 有 序 充 电 ，无 序 充 电 和 有 序 充 放 电 的 情 况 下对 电 网 的 日 负 荷 曲 线 的 影 响 。 有序 充 放 电 模 型 是 在 有 序 充 电 模 型的 基 础 上 建 立 的 ， 它 是 基 于 V2G思想 建 立 的 充 放 电 模 型 ， 除 了 电 网能 够 给 电 动 汽 车 充 电 ， 在 电 网 需要 时 ， 电 动 汽 车 也 可 以 放 电 给 电网 ， 积 极 响 应 电 网 的 调 峰 需 求 。根 据 有 序 充 放 电 模 型 ， 得 到 了 的充 放 电 流 程 图 ， 利 用 蒙 特 卡 洛 仿真 模 拟 在 有 序 充 放 电 的 模 式 下 ，得 到 每 时 刻 单 台 电 动 汽 车 的 功 率需 求 的 数 学 期 望 与 标 准 差 。

可 以 发 现 ， 选 择 在 低 谷 期 给 电动 汽 车 充 电 ， 拉 高 了 低 谷 负 荷 ；而 在 用 电 高 峰 期 ， 对 某 些 电 动 汽车 的 充 电 行 为 进 行 限 制 ， 并 在 满足 用 户 出 行 需 求 的 前 提 下 放 电 给电 网 ， 平 抑 电 网 峰 值 ， 有 效 的 实现 了 对 电 网 削 峰 填 谷 的 目 标 ， 因此 ， 可 以 认 为 第 三 种 充 电 模 型 对

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于 电 网 的 调 控 是 行 之 有 效 的 。同 时 ， 随 着 参 与 电 网 互 动 的 电

动 汽 车 数 量 的 增 加 ， 能 量 交 换 对电 网 的 影 响 是 越 来 越 大 ， 谷 峰 值电 网 负 荷 差 变 小 了 ， 波 动 变 得 平稳 ， 随 着 汽 车 数 量 超 过 一 定 值 以后 ， 电 网 的 谷 峰 值 开 始 出 现 偏 移 ，因 此 ， 可 以 预 测 到 ， 在 电 动 汽 车发 展 达 到 一 定 规 模 以 后 ， 对 于 电动 汽 车 的 调 控 将 变 得 更 加 复 杂 ，问 题 矛 盾 也 会 更 加 突 出 ， 如 何 协调 电 网 正 常 负 荷 波 动 与 电 动 汽 车充 电 需 求 值 得 更 加 深 入 的 研 究 。表 2 展 示 了 不 同 数 量 的 电 动 汽 车 在参 与 电 网 有 效 调 度 以 后 ， 对 于 电网 带 来 的 改 变 ， 事 实 证 明 ， 有 序充 放 电 行 为 是 能 够 有 效 的 缩 小 峰谷 值 差 距 的 。表 2 不 同 数 量 的 电 动 汽 车 参 与 电 网

调 控 的 负 荷 峰 谷 值参与调度汽车的数量/万

电网波峰值/万千瓦

电网波谷值/万千瓦

峰谷值差/万千瓦

0 647 445 202

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5 633.4 470.3 163.1

10 619.8 492.4 127.4

15 606.2 511.1 95.1

（ 3 ） 实 现 电 量 处 理 与 计 费 功 能等 于 一 体 的 管 理 服 务 系 统 ， 充 电机 面 板 实 现 触 摸 屏 图 形 化 操 作 ，详 细 显 示 各 模 块 的 工 作 状 态 及 电池 的 状 态 、 充 电 金 额 、 充 电 机 充电 电 量 、 卡 内 余 额 、 充 电 单 价 等信 息 。用 户 可 以 通 过 LCD 显 示 屏 进 行 交

互 ， 通 过 界 面 设 置 电 池 充 放 电 方式 与 保 护 参 数 ， 还 可 以 在 LCD 显 示屏 上 浏 览 充 放 电 实 时 数 据 ， 获 取当 前 充 放 电 机 与 车 载 电 池 的 状 态 ，设 计 采 用 彩 色 LCD 显 示 屏 作 为 前 台操 作 工 具 ， 界 面 优 美 ， 操 作 方 便 ，能 实 现 显 示 当 前 参 数 、 故 障 显 示 、操 作 设 置 等 功 能 ， 系 统 稳 定 可 靠 。用 户 可 通 过 LCD 显 示 界 面 可 以 很

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方 便 的 执 行 各 种 输 入 命 令 ， 及 时获 得 当 前 充 放 电 机 状 态 和 错 误 提示 信 息 。

图 5 V2G 充放电机交互设计如 图 5 所 示 ， LCD 显 示 屏 上 主 要

分 为 主 界 面 ， 设 置 ， 记 录 ， 启 停机 四 个 部 分 来 设 计 ， 每 个 界 面 分别 负 责 不 同 的 功 能 ， 主 界 面 主 要负 责 检 测 电 网 实 时 参 数 ， 电 池 实时 状 态 参 数 与 充 放 电 机 实 时 参 数显 示 ， 设 置 主 要 是 显 示 本 机 设 置

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与 用 户 设 置 ； 记 录 通 过 连 接 数 据库 实 时 读 取 存 入 相 关 数 据 ， 以 备维 护 人 员 可 以 通 过 查 看 记 录 了 解当 前 状 况 ； 启 停 机 负 责 V2G充 放 电机 的 工 作 开 关 ， 开 启 以 后 可 以 设置 一 系 列 参 数 与 工 作 模 式 ， 也 可以 由 电 池 检 测 系 统 检 测 电 池 状 态以 后 自 动 调 整 充 电 模 式 与 保 护 策略 。

图 6 系统主界面3 、 取 得 的 突 破 性 进 展 及 创 新 点目 前 国 内 外 运 行 和 正 在 建 设 的

充 电 站 ， 多 数 只 具 有 为 电 动 汽 车供 给 能 源 的 单 一 功 能 ， 随 着 智 能电 网 技 术 的 发 展 ， 很 多 国 家 的 相关 部 门 已 经 开 始 研 究 同 时 具 备 双

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向 充 电 功 能 的 智 能 化 充 电 站 ， 这种 智 能 化 的 充 电 站 在 智 能 电 网 快速 发 展 的 条 件 支 持 下 ， 将 实 现 更多 的 功 能 ， 有 着 广 泛 的 发 展 前 景 。本 项 目 取 得 的 突 破 性 进 展 及 创 新点 包 括 ：

（ 1 ） 在 不 同 的 充 电 方 式 下 ， 研究 分 析 了 电 动 汽 车 多 功 能 车 载 充电 设 备 特 性 和 电 动 汽 车 电 池 的 功率 特 性 ；

（ 2 ） 研 究 使 用 V2G功 能 时 对 负 荷峰 谷 的 影 响 以 及 对 频 率 变 化 的 响应 ， 有 效 保 证 并 满 足 了 系 统 的 功率 和 负 荷 平 衡 ；

（ 3 ） 研 究 电 网 与 电 动 汽 车 的 双向 互 动 的 实 现 和 不 同 型 号 、 电 压等 级 不 同 的 电 动 汽 车 与 电 网 实 现双 向 互 动 的 关 系 。

四 、 合 同 任 务 指 标 完 成 情 况对 照 项 目 合 同 ， 本 项 目 顺 利 完

成 了 合 同 任 务 指 标 ， 具 体 完 成 情31

况 如 下 ：完 成 了 对 电 动 汽 车 多 功 能 车 载

充 电 和 电 动 汽 车 用 电 池 功 率 特 性 、电 动 汽 车 与 智 能 电 网 双 向 互 动 的多 功 能 实 现 方 法 的 研 究 ； 在 考 虑到 电 动 汽 车 放 电 情 况 的 前 提 下 ，研 究 了 V2G系 统 的 功 能 及 实 现 方 式 ，进 行 了 不 同 场 景 下 的 实 例 分 析 ； 实 现 了 为 电 动 汽 车 提 供 电 能 量 处理 与 计 费 功 能 等 于 一 体 的 管 理 服务 系 统 。

完 成 了 电 动 汽 车 车 载 双 向 充 电与 控 制 系 统 的 研 制 ， 具 体 为 电 动汽 车 多 功 能 车 载 双 向 充 电 与 控 制系 统 样 机 1 套 ， 恒 流 恒 压 充 电 输 出电 压 范 围 400V ～ 700VDC ， 输 出 电 流 范围 10A ～ 120A ； 发 表 论 文 5 篇 ； 申 请发 明 专 利 4 件 。 具 体 具 体 信 息 如下 ：

1 、 论 文 ：（ 1 ） 基 于 Advisor 的 增 程 式 电 动 校

车 动 力 系 统 参 数 匹 配 与 仿 真 研 究 ，32

周 炜 、 方 斌 等 ， 工 业 控 制 计 算 机 ；（ 2 ） 区 间 时 滞 系 统 的 PID 控 制 器

设 计 ， 曹 浩 、 方 斌 等 ， 工 业 控 制计 算 机 ；

（ 3 ） 三 相 电 压 型 PWM 整 流 电 路的 控 制 与 实 验 ， 孙 美 玲 、 周 炜 等 ，工 业 控 制 计 算 机 ；

（ 4 ） 电 动 汽 车 不 同 充 放 电 模 式下 的 负 荷 模 型 仿 真 与 研 究 ， 彭 富明 、 邵 敏 峰 、 方 斌 ， 机 械 制 造 与自 动 化 ；

（ 5 ） 智 能 充 电 桩 支 持 的 小 区 储能 容 量 池 调 度 研 究 ， 彭 富 明 、 邵敏 峰 、 方 斌 ， 机 械 制 造 与 自 动 化 ；

2 、 发 明 专 利 ：（ 1 ） 基 于 DSP的 电 动 汽 车 用 永 磁

同 步 电 机 矢 量 解 耦 控 制 器 ，201611235317.9， 南 京 理 工 大 学 ；

（ 2 ） 发 明 专 利 ： 一 种 储 能 快 充的 充 电 桩 系 统 ， 201710587422.7， 南 京 理工 大 学 ；

（ 3 ） 发 明 专 利 ： PMSM无 位 置 传33

感 器 矢 量 控 制 系 统 及 方 法 ，201710543820.9， 南 京 理 工 大 学 ；

（ 4 ） 发 明 专 利 ： 微 细 电 火 花 脉冲 电 源 及 基 于 该 电 源 的 分 段 控 制方 法 ， 201710387666.0， 南 京 理 工 大 学 。

3 、 样 机 ：电 动 汽 车 多 功 能 车 载 双 向 充 电

与 控 制 系 统 样 机 1 套 。

图 7 样 机 实 物 图五 、 项 目 绩 效 分 析鉴 于 该 项 目 为 产 学 研 联 合 研 究

项 目 ， 产 生 的 成 果 将 由 合 作 单 位南 京 怡 咖 电 气 科 技 有 限 公 司 进 行产 业 化 ， 随 着 产 品 逐 步 走 向 市 场 ，以 电 动 汽 车 多 功 能 大 功 率 双 向 充

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电 机 10 万 元 / 台 、 利 润 率 25%， 车 载双 向 充 电 机 每 台 1 万 / 台 、 利 润 率25%计 算 ， 按 年 产 1 万 台 将 实 现 大 量的 经 济 效 益 ； 此 外 ， 通 过 本 项 目的 研 究 ， 一 方 面 ， 可 以 有 效 提 升当 前 电 动 汽 车 车 载 充 电 系 统 的 性能 ， 同 时 ， 还 可 以 在 电 动 汽 车 与智 能 电 网 双 向 互 动 技 术 方 面 形 成突 破 ， 打 通 电 动 汽 车 与 智 能 电 网之 间 的 通 道 ， 对 于 促 进 社 会 发 展 、科 技 进 步 和 企 业 创 新 能 力 提 升 ，推 动 电 动 汽 车 的 大 规 模 应 用 具 有积 极 意 义 ， 将 产 生 良 好 的 社 会 效益 。六 、 存 在 问 题 、 有 关 建 议 及 下

一 步 研 究 设 想1 、 存 在 问 题本 项 目 虽 然 在 电 动 汽 车 与 智 能

电 网 双 向 互 动 技 术 方 面 取 得 了 一定 成 果 ， 但 是 在 实 际 应 用 的 过 程中 ， 如 何 将 该 技 术 快 速 、 合 理 地

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应 用 到 实 际 中 区 ， 如 何 顺 利 打 通电 动 汽 车 与 智 能 电 网 间 的 通 道 ，还 有 待 进 一 步 解 决 。 此 外 ， 项 目原 计 划 产 出 1 件 软 件 著 作 权 ， 在 实施 过 程 中 ， 结 合 当 前 政 策 及 知 识产 权 保 护 力 度 、 含 金 量 等 方 面 考虑 ， 经 过 项 目 团 队 慎 重 研 究 ， 最终 调 整 为 申 报 发 明 专 利 ， 以 确 保项 目 成 果 得 到 有 效 保 障 。

2 、 有 关 建 议 及 下 一 步 研 究 设 想本 项 目 取 得 的 研 究 成 果 ， 已 经

达 到 了 预 期 的 目 标 。 在 下 一 步 考虑 的 工 作 中 ， 更 多 的 应 该 是 如 何进 一 步 对 项 目 成 果 加 以 运 用 ， 产生 更 大 的 产 业 化 效 应 。 建 议 政 府相 关 部 门 加 强 对 本 类 项 目 的 跟 踪和 扶 持 ， 对 于 完 成 情 况 好 的 ， 产业 化 前 景 好 的 项 目 ， 通 过 成 果 转化 等 专 项 加 以 支 持 ， 有 效 助 推 科技 成 果 的 产 业 化 、 规 模 化 。

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