基于电网调度的电动汽车换电方法和换电服务物联网

技术领域

本发明涉及电动汽车充换电技术领域，具体地，涉及一种基于电网调度 的电动汽车换电方法和换电服务物联网。

背景技术

随着动力电池技术的不断发展，电动汽车以其高效、节能、低噪声、零 排放的优势在不少发达国家初具规模，并将在未来市场中得到快速的发展和 广泛的应用。动力电池以租赁的形式提供给电动汽车车主，进站车辆对整车 电池进行分箱更换，以达到快速进站换电、快速出站运行的目的。电池租赁 可以降低用户的购车费用、提高电池利用率、延长电池寿命。同时，集中型 充电站便于管理、能降低随机充电给电网带来的波动。

在V2G(VehicletoGrid)模式中，电池作为移动储能设备，一方面可以 为电动汽车提供行驶动力，一方面在车辆停驶时可以将电能返还到电网中， 用于削峰填谷。但是，这需要对电网接入系统进行开发，并大量安装接入设 备。同时，电动汽车在行驶过程中，具有随机性、分散性和不确定性的特点， 在V2G背景下的存在系统复杂、实现困难等问题。

B2G模式(BatterytoGrid)克服了电池管理困难、对电网冲击大的缺点， 为电动汽车的发展提供了新思路。然而，集中充换电站若不考虑配电网负荷 情况而对电池进行无序充电，仍然会对电网用电调度造成影响，也不能完全 满足电动汽车对换电的需求。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中电池管理困难、对电网冲击大缺陷，根据 本发明的一个方面，提出一种基于电网调度的电动汽车换电方法。

本发明实施例提供的一种基于电网调度的电动汽车换电方法，包括：车 载终端获取电动汽车的电池状态信息，电池状态信息包括当前电池SOC值和 /或电池SOC值下降速度；根据用户设定和当前电动汽车行驶情况确定用电需 求信息，用电需求信息包括当前电池容量和电动汽车预测行驶距离；车载终 端将用电需求信息和车辆信息发送至监控中心，车辆信息包括车辆位置信息 和电池型号；监控中心根据车载终端发送的用电需求信息、当前站内电池总 量和配电网负荷情况，监控中心调度站内电池进行有序充电。

在上述技术方案中，该方法还包括：监控中心确定电动汽车与换电站之 间的距离；当电动汽车与换电站之间的距离大于电动汽车预测行驶距离时， 监控中心安排移动配送车为电动汽车换电。

在上述技术方案中，当前电池容量为：

$C=\frac{W}{S_{t1}-S\left(t\right)}\mathrm{\Delta D}\left(t\right);$

其中，W表示电动汽车每百公里电耗，t1为SOC开始下降的时刻，S_t1为 t1时刻的SOC值，S(t)为电动汽车t时刻的SOC值；ΔD(t)为从SOC开始下 降时刻起车辆行驶的距离。

在上述技术方案中，监控中心调度站内电池进行有序充电，包括：

根据电网调度需求将线路上的传输功率P`t保持在预设范围内：

其中，P_t,min,P_t,max分别表示在时刻t电网调度下提供的功率范围的最小值 和最大值；

限制单个站内电池的充电时长，且站内电池充电容量为：

$C_1=\mu \underset{t=1}{\overset{t_{\max }}{\Sigma }}{P}_t\mathrm{\Delta t};$

μ为电池的充电效率，P_t为电池在t时刻的充电功率，在任意时刻，充电 功率P_t均不大于最大充电功率P_max，t_max为单个站内电池的最大充电时长。

本发明是为了克服现有技术中电池管理困难、对电网冲击大缺陷，根据 本发明的一个方面，提出一种换电服务物联网。

本发明实施例提供的一种换电服务物联网，包括：感知层、网络层和应 用层；

感知层包括电池箱，用于利用电池箱内的信息采集模块获取电动汽车的 电池状态信息，并通过网关传输到网络层，电池状态信息包括当前电池SOC 值和/或电池SOC值下降速度；

网络层用于根据有线通信和/或无线通信实现感知层与应用层之间的数据 传输；

应用层包括车载终端和监控中心，用于从网络层获取各类感知数据，并 进行数据分析处理；

车载终端还用于根据用户设定和当前电动汽车行驶情况确定用电需求信 息，用电需求信息包括当前电池容量和电动汽车预测行驶距离；车载终端将 用电需求信息和车辆信息发送至监控中心，车辆信息包括车辆位置信息和电 池型号；

监控中心根据车载终端发送的用电需求信息、当前站内电池总量和配电 网负荷情况，监控中心调度站内电池进行有序充电。

在上述技术方案中，应用层包括：数据子层、服务子层和应用子层；

数据子层，用于接收各类感知数据，并按照一定的规则和形式，实现信 息存储与数据映射；

服务子层，用于对服务网络的功能进行抽象与分类，将服务网络的功能 归结于不同的服务类别，并为具体应用提供服务接口；

应用子层，用于完成服务网络的各类业务应用。

在上述技术方案中，监控中心还用于确定电动汽车与换电站之间的距 离；当电动汽车与换电站之间的距离大于电动汽车预测行驶距离时，监控中 心安排移动配送车为电动汽车换电。

在上述技术方案中，当前电池容量为：

$C=\frac{W}{S_{t1}-S\left(t\right)}\mathrm{\Delta D}\left(t\right);$

其中，W表示电动汽车每百公里电耗，t1为SOC开始下降的时刻，S_t1为 t1时刻的SOC值，S(t)为电动汽车t时刻的SOC值；ΔD(t)为从SOC开始下 降时刻起车辆行驶的距离。

在上述技术方案中，监控中心还用于，根据电网调度需求将线路上的传 输功率P`t保持在预设范围内：

其中，P_t,min,P_t,max分别表示在时刻t电网调度下提供的功率范围的最小值 和最大值；

限制单个站内电池的充电时长，且站内电池充电容量为：

$C_1=\mu \underset{t=1}{\overset{t_{\max }}{\Sigma }}{P}_t\mathrm{\Delta t};$

μ为电池的充电效率，P_t为电池在t时刻的充电功率，在任意时刻，充电 功率P_t均不大于最大充电功率P_max，t_max为单个站内电池的最大充电时长。

本发明实施例提供的一种基于电网调度的电动汽车换电方法和换电服 务物联网，考虑电网负荷情况对站内电池进行有序充电，根据换电需求和 电网调度对电池进行有序充电管理，减少对电网带来的冲击。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从 说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其 他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结 构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图 中：

图1为本发明实施例中基于电网调度的电动汽车换电方法流程图；

图2为本发明实施例中电动汽车换电服务基本流程图；

图3为本发明实施例中针对电网调度进行电池有序充电的流程图；

图4为本发明实施例中电动汽车换电服务物联网的构架结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本 发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

电动汽车采用电池租赁的换电服务，从根本上实现了车辆与电池的解 耦，从而摆脱了车辆属性对于电池充放电的一系列束缚。然而，随之也带 来了电池使用、监测、管理等方面的问题。一方面，电池作为资产，运营 公司需要对其进行跟踪和统计，掌握电池运行状态，合理配置和管理电池 的使用和充电；另一方面，电动汽车车主通过安装在电池内的感知模块， 实时掌握电池状态，根据自身需求安排换电服务。因此，实时掌握电池的 相关信息显得尤为重要，而物联网技术的应用，可以为电动汽车换电服务 的各个环节提供有力支持。

根据本发明实施例，提供了一种基于电网调度的电动汽车换电方法， 参见图1所示，该方法具体包括：

步骤101：车载终端获取电动汽车的电池状态信息，电池状态信息包括 当前电池SOC值和/或电池SOC值下降速度。

SOC(stateofcharge，荷电状态)也叫剩余电量，代表的是电池使用一段 时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百 分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1 时表示电池完全充满。

电动汽车电池SOC的下降与电动汽车行驶直接相关，随着SOC的下 降，电动汽车会根据情况进行换电服务：

(1)电动汽车在行驶过程中，SOC下降到报警阈值，电动汽车会进 行换电服务；

(2)电动汽车在一天最后一次停车后进行换电服务；

(3)虽然SOC没有下降到一定阈值，但电动汽车需要在接下来的时 间内进行长距离无换电服务行驶。

步骤102：根据用户设定和当前电动汽车行驶情况确定用电需求信息， 用电需求信息包括当前电池容量和电动汽车预测行驶距离。

其中，电动汽车预测行驶距离即为电动汽车电池剩余容量可行驶的距 离。

电动汽车某一时刻的SOC可以表示为

$S\left(t\right)=S_{t1}-{\int }_{t1}^t{v}_{\mathrm{SOC}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中，t1为SOC开始下降的时刻，S_t1为t1时刻的SOC，v_SOC为SOC 下降速度。

某一辆电动汽车的电池容量C与v_SOC之间的关系可以表示为

$C={\int }_{t1}^t\frac{D\left(t\right)}{T\left(t\right)}\frac{W}{v_{\mathrm{SOC}}\left(t\right)}\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中，D(t)表示电动汽车行驶的距离，T(t)表示电动汽车行驶的时间， W表示电动汽车每百公里电耗。由式(1)(2)可以得到换电需求模型

$\left(\begin{array}{c}C=\frac{W}{S_{t1}-S\left(t\right)}{\int }_{t1}^t\frac{D\left(t\right)}{T\left(t\right)}\mathrm{dt}\\ =\frac{W}{S_{t1}-S\left(t\right)}[D\left(t\right)-D\left(t1\right)]\\ =\frac{W}{S_{t1}-S\left(t\right)}\mathrm{\Delta D}\left(t\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，ΔD(t)为从SOC开始下降时刻起车辆行驶的距离，可以通过统 计分析进行预测，电动公交车和电动出租车每日行驶距离满足正态分布

$f_1\left(D\right)=\frac{1}{{\sigma }_1\sqrt{2\pi }}\exp [-\frac{{(D-{\mu }_1)}^2}{{2\sigma }_1^2}]---\left(4\right)$

电动私家车每日行驶距离满足对数正态分布

根据上述换电服务情况(尤其是前两种情况)，监控中心和充换电站 可以根据当前电动汽车的S(t)，SOC开始下降时刻t1，t1时刻的SOC值S_t1， 以及t1时刻之后预测电动汽车行驶的距离ΔD(t)，计算当前电池容量C，提 前预测当天服务范围内所有电动汽车的换电总需求量。

步骤103：车载终端将用电需求信息和车辆信息发送至监控中心，车 辆信息包括车辆位置信息和电池型号。

步骤104：监控中心根据车载终端发送的用电需求信息、当前站内电 池总量和配电网负荷情况，监控中心调度站内电池进行有序充电。

优选的，监控中心还需要确定电动汽车与换电站之间的距离；当电动汽 车与换电站之间的距离大于电动汽车预测行驶距离时，监控中心安排移动配 送车为电动汽车换电。

基于换电服务物联网的电动汽车换电方法基本流程如图2所示。

步骤201：车载终端通过CAN总线获取电池状态。

步骤202：根据用户设定和当前行驶情况预测用电需求，若车辆不需 要换电，则返回步骤201，若车辆需要换电服务，则进入步骤203。

步骤203：将车辆信息(如车辆信息、电池型号、车辆位置等)和用 电需求通过网络上传至运营公司监控中心。

步骤204：监控中心根据信息进行电池调配。

步骤205：若车辆能够自行前往换电站，则通知换电站作好换电服务 准备，进入步骤207，若车辆电量耗尽不能自行前往换电站，进入步骤206。

步骤206：集中充换电站安排移动配送车前往送电。

步骤207：电动汽车接受换电服务。

步骤208：运营公司更新电池信息和电动汽车车主账户信息。

步骤209：回收电池进入充电站进行维护，根据电网调度进行电池充 电。

由电动汽车换电服务物联网架构和基本流程可以看出，车载终端需要 具有车辆用电需求预测的能力。通过用电需求预测，车主可以了解车辆可 以行驶的距离，何时进行换电，充换电站和运营公司监控中心也可以根据 服务范围内所有车辆的用电需求，在电网调度安排下进行电池有序充电管 理。

与电动汽车前往充电站充电不同，换电模式可以根据电网调度来对站 内的电池进行有序充电，避免因电动汽车无序充电造成的“峰上加峰”的 现象，减小电网峰谷差对电网稳定运行带来的影响。根据服务范围内的换 电总需求，若当前站内电池总量能满足未来一段时间(一般为24小时)的 换电总需求，则可以安排站内电池在电网谷时进行充电；若当前站内电池 总量不能满足未来一段时间的换电总需求，则充电站应当在电网调度下， 根据配电网当前负荷情况，合理安排电池有序充电时间，实现配电网网损 的最小化，即满足：

$\min \underset{t=1}{\overset{t_{\max }}{\Sigma }}{\mathrm{RI}}_t^2\mathrm{\Delta t}---\left(6\right)$

式中，R为配电网中的线路电阻，I_t为配电网中t时刻的电流，Δt为充 电控制时间间隔。站内电池充电容量C1为

$C1=\mu \underset{t=1}{\overset{t_{\max }}{\Sigma }}{P}_t\mathrm{\Delta t}---\left(7\right)$

式中，μ为电池的充电效率，P_t为电池在t时刻的充电功率(在任意时 刻，充电功率均不大于最大充电功率P_max)，t_max为单个站内电池的最大充 电时长。充电站服务范围内的换电总需求决定了充电站是否需要在配电网 用电高峰时间段内对电池进行充电操作。若需要对电池进行充电，为了避 免配电网负荷过大导致电压下降甚至越限，充电站在电网调度下应避免多 个电池在相对集中的时间段内进行充电。因此，在任意时刻t，线路上的 传输功率P'_t应根据电网调度需求保持在一定范围内：

式中，P_t,min,P_t,max分别表示在时刻t电网调度下提供的功率范围。同时， 应对单个电池的充电总时长进行限制，即单个电池应在t_max时间内电池充 满。

根据电网调度要求，对电池进行有序充电，即在式(7)(8)和最大充电时 长t_max的约束条件下，根据式(3)电池容量，计算满足式(6)的有序充电方案， 实现配电网网损最小化，具体流程如图3所示。

步骤301：获取充电需求初始信息；

步骤302：根据获取的初始充电需求信息，计算充电功率；

步骤303：根据计算得到的充电功率计算电压；

步骤304：根据电网调度优化电压；

步骤305：若换电需求发生变化，进入步骤306，否则进入步骤307；

步骤306：更新换电需求信息，进入步骤302；

步骤307：根据当前优化策略进行有序充电。

本发明实施例提供的一种基于电网调度的电动汽车换电方法，考虑电 网负荷情况对站内电池进行有序充电，根据换电需求和电网调度对电池进 行有序充电管理，减少对电网带来的冲击。

本发明实施例还提供一种换电服务物联网，包括：感知层、网络层和 应用层，完成服务网络中信息的感知、识别、传输、监控、管理与服务； 具体结构参见图4所示。

其中，感知层包括电池箱，用于利用电池箱内的信息采集模块获取电 动汽车的电池状态信息，基于RFID、传感器等各类感知技术，完成各类应 用场景下电池的状态信息、身份信息的采集，并通过网关传输到网络层， 电池状态信息包括当前电池SOC值和/或电池SOC值下降速度。

网络层用于根据有线通信和/或无线通信实现感知层与应用层之间的 数据传输。具体的，采用有线通信(CAN总线、载波通信、光纤通信等) 和无线通信(WSN/GPRS/3G/4G等)多种通信技术，完成换电服务网络各 组成部分之间(如：电池、电动汽车、移动配送车、集中充电站、手持终 端、运营管理系统等)的信息通信。

应用层包括车载终端和监控中心，用于从网络层获取各类感知数据， 并进行数据分析处理；车载终端还用于根据用户设定和当前电动汽车行驶 情况确定用电需求信息，用电需求信息包括当前电池容量和电动汽车预测行 驶距离；车载终端将用电需求信息和车辆信息发送至监控中心，车辆信息包 括车辆位置信息和电池型号；监控中心根据车载终端发送的用电需求信息、 当前站内电池总量和配电网负荷情况，监控中心调度站内电池进行有序充 电。

上述应用层可细分为三个层次，最下层为数据子层，对于接收到的感 知信息，需要一定的规则和形式，实现信息存储与数据映射；中间层为服 务子层，通过对服务网络的各种功能进行抽象与分类，将其归结于不同的 服务类别，并为具体应用提供服务接口；最上层为应用子层，完成服务网 络的各类具体业务应用。

优选的，监控中心还用于确定电动汽车与换电站之间的距离；当电动汽 车与换电站之间的距离大于电动汽车预测行驶距离时，监控中心安排移动配 送车为电动汽车换电。

优选的，当前电池容量为：

$C=\frac{W}{S_{t1}-S\left(t\right)}\mathrm{\Delta D}\left(t\right);$

其中，W表示电动汽车每百公里电耗，t1为SOC开始下降的时刻，S_t1为 t1时刻的SOC值，S(t)为电动汽车t时刻的SOC值；ΔD(t)为从SOC开始下 降时刻起车辆行驶的距离。

优选的，监控中心还用于，根据电网调度需求将线路上的传输功率P`t保 持在预设范围内：

其中，P_t,min,P_t,max分别表示在时刻t电网调度下提供的功率范围的最小值 和最大值；

限制单个站内电池的充电时长，且站内电池充电容量为：

$C_1=\mu \underset{t=1}{\overset{t_{\max }}{\Sigma }}{P}_t\mathrm{\Delta t};$

μ为电池的充电效率，P_t为电池在t时刻的充电功率，在任意时刻，充电 功率P_t均不大于最大充电功率P_max，t_max为单个站内电池的最大充电时长。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图4为例结合 附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体 实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当 了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何 体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围 之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于 限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领 域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。