双碳背景下电动车的智慧充电技术

  微电网技术是将分散的电力集合起来，充电桩（站）间完成相互连通形成充电网之后，再经5G通信技术与车联网（V2X）融合之后，在电动汽车移动信息互联终端与充电桩这个固定信息互联终端之间组成了能源、信息、交通网络。

  电动车不再只是接收电能，还将成为一种储能设备，并为微电网输送电力，充电桩也不仅只是为电动车充电，已经兼具能源汇集和调度、自动支付、技术升级和信息服务等功能。

  在双碳背景下，电动车充电领域通过技术融合与创新将推动零碳能源发展，成为绿色交通网络的重要组成部分。

  微电网即微型电力网（Microgrid），是一组本地化的电源和输出（负荷），它们通常与传统的集中式供电网(外网)连接并同步运行，但能够准确的通过物理或经济条件的要求自动断开并保持运行。

  微电网是一种由负荷和微型电源共同组成、可提供电能的系统。1999年美国可靠性技术解决方案协会，首次对微电网在结构、控制、经济等方面做了研究并于2002年正式提出了相对完整的微电网概念。

  根据美国能源部微电网交换组（U.S. Department of Energy Microgrid Exchange Group）的定义，“相对于供电网（外网），微电网是一组负荷相互连接的并且分布式能源界定清晰可控的实体。微电网既可以与外网连接用联网模式运行，也可以与外网断开用孤岛模式运行。”

  微电网是在智能电网概念下提出的一种新型配电网络架构，能够充分的利用大量小规模分布式能源资源集成到低压配电系统中的优势。

  微电网的诞生，不仅解决了分布式电源的大规模接入电力网的问题，是传统电网智能化的补充。由于解决了并网的难题，微电网起到了就地消纳分布式电源，集成优化供需资源的作用。

  通过把各处分散产生的能源集中起来，从根本上改变传统电网应对负荷增长的方式，大幅度提升了分布式电源的使用效率，与原分布孤岛的能源使用相比，在提高电力系统可靠性和灵活性等方面具有巨大潜力，是供电网成为工业互联网最大的应用场景。

  跨地区电力能源的联网，提高了整个区域内的能源使用效率，具有相当明显的减排效果，为打造清洁能源优化配置平台创造了条件，也就是能源互联网碳中和的雏形。

  V2G（Vehicle-to-grid，车辆到电网）是指电动汽车与电网双向互动的关系：正向关系是，当车载电池要充电，电流则由电网流向车辆，这是我们一般的理解和认知；逆向关系是，当电动汽车不使用时，车载电池的电能就流向电网系统。

  通过储能，电量越大储能越大，起到电网的平衡作用，可以调度这些储能，实现电动汽车的有序充电。

  V2G就是运用了微网技术原理，V2G技术中把电动车作为分布式能源通过充电桩组成微电网，在需要的时候向电网供电。事实上，从20世纪90年代开始，V2G技术就已确定进入了各国的研究领域。历经近30年的发展，V2G技术日臻成熟，至今已为不少车企所掌握。

  V2G技术的运用，将成为一种为社会、为行业带来非常大正向效应的绿电碳中和方案。

  工信部前不久重申落实《新能源汽车产业高质量发展规划(2021—2035年)》当中提到瞄准“电动化、网联化、智能化”方向，V2G技术正是这一方向的前沿技术。通过V2G让充电和供电网更加智能化，成为新基建催生的充电桩发展新模式。

  电动车的使用离不开充电需求，大规模的集中充电将涉及城市供电网的增容改造，以及充电桩所需的场地，而且充电导致的负荷冲击还可能会影响供电质量。

  若根据微电网的理论，采取分布储能电源的方式，为电动车充电，不仅能用削峰填谷的办法，减少对城市供电网的冲击，还能够少建大型充电站，化解电动车充电与城市用地的矛盾。

  例如，城市中路灯的电源只在夜间为路灯供电，白天因为要给交通信号、通信设施等供电，路灯变压器仍然工作，但负荷很小。如果以路灯变压器为界，通过智控开关连接变压器输出端与储能设备（能够使用退役动力电池组+智能管理系统集成），把智能充电桩与储能设备连接起来，在非繁华路段设置港湾式停车位，形成一个小型的微电网充电站。

  在白天路灯不工作时，利用路灯变压器富裕的容量，由供电网电源通过路灯变压器为储能设备充电，此时储能设备在联网运行的微电网中起到的作用就是储能，如果有电动车要充电连接充电桩即可（该处可以）。

  若充电量大于变压器的容量，储能设备能自动上线补给电量。在夜间路灯开始工作时，储能设备与供电网电源断开，充电桩呈现关闭状态。

  用于通勤代步的V2G电动车，如果电池容量够大，能够最终靠同样具有V2G系统的充电桩，把闲时用低谷电价充满的电，向同样具有V2G系统的供电网出售部分电量，此时放电的电动车，就等于分布式能源在与微电网在组网运行。

  车主在白天电价波峰时，通过V2G技术向电网反向传输电量（即：“卖电”），只保留60%左右的电量作为白天通勤需求；夜晚在电价波谷时进行车辆充电。减去波谷时充电成本，电量在电动车内的进出之间，其价差就是车主得到的利润。

  用于通勤的电动车，其使用时间正常情况下不会大于3小时，应该是有大把时间来做这件双赢的事情的。

  另外，如果电动车的电量始终保持在60%左右，对电池的寿命产生影响是不大的，这样的一个问题通过电动车的储能设备管理系统与V2G数据共享，应该是很容易解决的。

  在5G通信环境下，作为V2X在能源互联领域的重要应用，充电桩经由无线X，并形成车到充电网络（Vehicle-to- Charging Network，V2CN）通信组件。

  通过V2CN（充电网与V2X的数据互通），通过V2X终端的无线自组网，达到充电桩的接口协议， BMS，状态数据及电动车的数据：BMS、车载智能终端、CAN总线等数据均开放共享，充电桩与车、路联网，成为网内的接点，可高效解决车、桩、路之间数据交换，以及优先充电导航，路径诱导，车桩匹配等问题，通过V2CN网络提升充电桩网络稳定性和物联网功能，进而达到车辆充电的有序和智能化，V2CN所组成的充电网将成为工业互联网最大的应用场景。

  随着技术的发展，充电桩与电动车都曾经进行过多次软件升级，因为充电桩的尚未组成V2CN网络，二者的软件升级是分别进行的，如果涉及到充电协议，就可能因为没有同步升级而影响充电。

  有了V2CN之后，能够最终靠空中下载技术（Over-the-air，OTA）经安全通道与目标车辆和充电桩（站）的基础设施进行通讯，对车辆及充电站进行更新，以确保每个车载系统除了拥有最新、最佳的配置设置外，还可以运行最新的软件版本。

  OTA的云端和车端之间的双向通讯产生了重要的充电桩与车辆数据，这一些数据可以安全从车端传送到云端，主机厂能够正常的使用这些数据对车辆的整体健康情况进行分析，并触发实时报警，同步升级将成为必不可少的一个必备功能。

  1) V2X终端接入车位智能地锁,只为需充电的电动车开放，并可解决充完电不及时离开的问题，提高充电桩利用率；

  2) V2CN将充电桩的接口协议、车辆充电接口协议及电池管理系统（BMS）进行识别，然后寻找最近的可谓该车充电的充电桩；

  3) 依据预约大数据,作为充电桩（站）的最优调度策略决策的有效输入，实现有序充电。

  1) 根据V2X路侧终端和车载终端的交互数据:精准识别车牌、大小、载重、电量等信息，诱导车辆进入充电区域。需要排队等候时，通过V2CN直接通知排队等候的排队秩序‘以及大约等候时间；

  2) 结合导航-V2X路侧信号灯服务(接入信号灯配时数据) +边缘服务监控的场站闲置充电资源,实现基于最短距离,最优路径,综合最优充电耗时等不同维度的充电诱导,为C端用户更好的提供超越当前导航的精准诱导；

  3) 在V2CN的诱导下，车辆能够准确的进入充电区域，配合充电桩的机械手，可完全实现充电端口与充电桩自动连接。

  1) 未解决开放专用充电站为公共充电站的柔性调度需求，V2CN对公交、特种车等提供优先级充电服务，同时提高专用充电站的利用率；

  2) 据称2025年电动汽车的保有量将达到5千万辆，未来电动车的无序充电将可能对供电网形成较大的冲击。有序充电对保障供电网的安全、提升电力利用率、提高充电效率的最佳途径。V2CN能够准确的通过供电网的许可容量，结合充电需求(处于充电的不同阶段)，动态分配每个充电桩的输出功率，并通知车主充电完毕的取车时间。

  1) 按照供电网可供充电的能力，以及预约服务的情况，结合在充电序列，待充电序列的需求，充出需求变化。从而能够作为调配供电，交易电价的决策依据；

  2) 基于v2x通信的车辆近场支付,可支持微信、支付、银联等支付方式，提供预约锁定充电位置服务(手机APP) ，按锁定时段进行实时定价付费。

  在V2CN网络中，充电时通过充电桩与车端的数据握手，可以对于车端电池数据来进行收集、分析和诊断，若接收到车辆存在安全风险隐患的信息，可充电的前5分钟之内车辆告知车主不可以进行充电，以避免电动车在充电时发生燃烧等事故。还可判断桩、车充电接口损坏的责任归属,提高充电责任险风险的可控性。

  1) 通过V2CN接入的充电桩数据，实时分析充电桩状态，精准预测常规使用的寿命，有几率存在的隐患，从而通知运维提前解决隐患，提前备货应对更换或维修；

  2) V2CN监测到充电桩状态异常，可按照已有预案或者通过机器学习算法输出解头方案，并按照解决方案尝试修复异常(例如充电异常重启,计费异常等)；

  3) 对于无法自动修复的异常故障，将第一时间通知到运维人员，并给出维修建议，提高运维效率。

  在“30、60”的双碳目标下，汽车工业正在进行的一场“低碳革命”，实际就是一个电动汽车大规模代替传统汽车的过程。

  电动车产业快速的提升与滞后的充电设施规划之间的矛盾日益凸显。电动车的能源补充不同于传统汽车的加油，供电网的属性限制下，不是想在那里充电都可以的。

  传统充电桩类似加油站的模式，已经不适应大规模发展电动车的需求，充电桩的技术进步以及与供电网关联的紧密性，是满足电动车充电的关键途径，随着V2CN得到普及，电动汽车行业也将迎来新一轮发展，“供电网大数据+分布式电力+V2CN +车辆充放电”或许将引领第四次能源革命，为实现国家碳中和的目标做贡献。

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