浅谈电动汽车有序充电控制：策略优化与智能调度

1引言

1.1 研究背景与意义

随着全球对环境保护和可持续发展的关注度不断提升，电动汽车作为一种清洁能源交通工具，其市场规模在近年来呈现出迅猛增长的态势。国际能源署（IEA）数据显示，2023年全球电动汽车保有量已突破1.4亿辆，年销售量超过1400万辆，与2020年相比，保有量增长了近两倍。在中国，据中国汽车工业协会统计，2024年上半年新能源汽车产量为389万辆，销量达391万辆，同比分别增长32%和33%，新能源汽车渗透率达31.6%，比去年同期提升5.9个百分点。电动汽车的广泛应用，在减少碳排放、缓解石油危机等方面无疑发挥着重要的作用。

然而，电动汽车的无序充电却给电网带来了诸多严峻挑战。当大量电动汽车在同一时段集中充电时，电网负荷会瞬间急剧攀升，可能远超电网的承载能力，进而导致电网峰谷差。以某城市夏季用电高峰为例，由于电动汽车无序充电，局部区域电网负荷在傍晚时分骤增，峰谷差率较平时扩大了20%，严重影响了电网的安全稳定运行。不仅如此，无序充电还会引发电网电压波动、谐波污染等电能质量问题。电动汽车充电设备中的电力电子装置在工作时会产生谐波电流，这些谐波电流注入电网后，会使电网电压波形发生畸变，降低电能质量，对电网中的其他用电设备造成干扰和损害。

为有效应对这些问题，电动汽车有序充电控制方法的研究显得尤为关键。通过合理引导电动汽车充电时间、优化充电功率分配等手段，实现电动汽车与电网的协调互动，不仅能够保障电网的安全稳定运行，还能显著提升能源利用效率，减少能源浪费，促进电动汽车产业的可持续、健康发展。

2电动汽车有序充电控制原理

2.1 智能充电技术基础

智能充电技术是实现电动汽车有序充电的核心手段，其依托于充电桩与电动汽车之间的通信以及充电桩对充电过程的精准控制。

充电桩与电动汽车之间的通信方式主要分为有线和无线两种。有线通信方式包括有线以太网（RJ45 线和光纤）以及工业串行总线（RS458、RS232、CAN 总线）。其中，有线以太网具有数据传输可靠、网络容量大的优势，然而其布线复杂、扩展性差、施工成本高且灵活性不足；工业串行总线则数据传输可靠、设计相对简单，但存在布网复杂、扩展性差、通信容量低等问题。无线通信方式如 GPRS、EVDO、CDMA 等，虽可减少布线成本，但需支付昂贵的月租和年费，且随着充电桩数量增加成本会大幅上升。同时，移动运营商对数据安全性和网络可靠性的限制，不利于设备安全运行，在局部区域大量设备接入时，接入可靠性和用户平均带宽会恶化，不适用于充电桩群的密集接入与大数据量传输。在实际应用中，需综合考虑通信的可靠性、建设费用、双向通信需求、多业务数据传输速率以及通信的灵活性和可扩展性等因素，选择合适的通信方式。

在充电过程中，充电桩与电动汽车之间会传输多种数据，涵盖充电电压、电流、剩余电量等。智能充电桩依据这些数据，通过其内部的控制模块对充电过程进行智能调控。当电动汽车连接到智能充电桩时，充电桩首先会识别电动车的通信信号，以此判断电动车的类型、电池容量等信息，进而确定合适的充电模式与参数。例如，对于电池容量较大且剩余电量较低的电动汽车，充电桩可能会选择恒流充电模式，以快速补充电量；而当电池电量接近充满时，充电桩会自动切换到恒压充电模式，避免过充，保障电池安全。在整个充电过程中，充电桩会实时监测电压、电流等参数，确保电能传输的安全与。

2.2 充电策略制定依据

充电策略的制定需要综合考量多方面因素，其中配电网负荷状况与电动汽车用户需求尤为关键。

在分析配电网负荷时，需着重研究其负荷曲线，明确负荷高峰与低谷时段及其差值。以某城市配电网为例，工作日白天工业用电需求大，傍晚居民用电集中，形成双峰型负荷曲线，峰谷差较大。在此情况下，为电动汽车制定充电策略时，应引导其避开电网负荷高峰，如鼓励在夜间低谷时段充电，从而有效降低电网峰谷差，提升电网运行的稳定性与经济性。

考虑电动汽车用户需求时，充电时间与充电速度是关键。用户的日常出行习惯、用车频率等会影响充电时间选择。例如，上班族通常在下班后或夜间有较长时间可用于充电，而出租车、网约车等运营车辆则需在运营间隙快速充电以保障续航。对于充电速度，不同用户因行程安排紧急程度、电池类型及容量等因素，需求各异。长续航需求的用户可能更倾向于快速充电，而对电池寿命较为关注的用户则可能选择较为温和的充电速度。

充电策略对电网和电池具有不同影响。从电网角度看，合理的充电策略可优化负荷分布，降低峰谷差，减少电网建设与运营成本，提高电网电能质量，避免电压波动与谐波污染。若大量电动汽车在电网薄弱环节集中快速充电，可能导致电压骤降、线路过载等问题，影响电网安全稳定运行。从电池角度出发，科学的充电策略能延长电池使用寿命、提高充电效率并确保充电安全。例如，避免电池过度充电或过度放电，依据电池剩余电量、温度等因素动态调整充电电流与电压，可减少电池损耗，提升电池性能与安全性。

3常见有序充电控制方法

3.1 基于时间的控制方法

3.1.1 分时电价策略

分时电价策略是依据不同时间段的用电负荷情况制定差异化电价，以引导电动汽车用户合理安排充电时间，实现削峰填谷，提升电网负荷平衡与能源利用效率。在我国，许多城市已推行电动汽车充电分时电价政策，例如北京，将一天划分为峰、平、谷三个时段，峰时段为 10:00 - 15:00 和 18:00 - 21:00，平时段为 7:00 - 10:00、15:00 - 18:00 和 21:00 - 23:00，谷时段为 23:00 - 次日 7:00。峰时段电价较高，谷时段电价较低，平时段电价则介于两者之间。通过这种价格差异，鼓励用户在谷时段充电。据统计，实施分时电价后，某大型居民区在谷时段的电动汽车充电量占比从之前的 20%提升至 40%，有效降低了电网在峰时段的负荷压力，峰谷差率降低了约 15%，同时，用户充电成本平均降低了 25%左右。

3.1.2 时间窗控制策略

时间窗控制策略是设定特定的允许充电时间区间，避免电动汽车集中在某一时段充电，保障电网安全稳定运行。以某城市商业区为例，根据该区域电网的负荷特性与用电规律，设定电动汽车的充电时间窗为 22:00 - 次日 6:00。在这个时间窗内，电动汽车可自由充电；而在其他时段，充电则受到限制或禁止。这样的控制策略有效分散了充电负荷，避免了充电集中导致的电网过载问题。通过实际监测发现，实施时间窗控制策略后，该商业区电网在高峰时段的负荷波动明显减小，电压稳定性显著提高，因充电导致的电网故障次数降低了约 30%。然而，时间窗控制策略也在一定程度上限制了用户的充电灵活性，部分用户可能因时间窗限制而无法及时满足充电需求，需要合理规划出行与充电计划。

3.2 基于功率的控制方法

3.2.1 恒定功率充电

恒定功率充电是指在整个充电过程中，充电功率保持不变。这种充电方式的工作原理相对简单，充电桩按照设定的固定功率输出电能，电动汽车的电池管理系统则负责监控电池的电压、电流和温度等参数，以确保充电过程的安全。例如，在一些早期的电动汽车充电桩中，常采用恒定功率充电模式，将充电功率设定为 3.5kW 或 7kW。

恒定功率充电的优点在于控制简单，易于实现。充电桩不需要复杂的功率调节装置，降低了成本和技术难度。然而，其缺点也较为明显。由于充电功率固定，难以适应电网负荷的动态变化。在电网负荷高峰时段，大量电动汽车进行恒定功率充电，会进一步加重电网负担，导致峰谷差。而且，在电池电量较低时，采用恒定功率充电可能会使充电电流过大，对电池寿命产生不利影响，因为过大的电流可能导致电池发热加剧，加速电池内部化学反应的速度，从而缩短电池的使用寿命。

3.2.2 功率动态调整策略

功率动态调整策略则是根据电网的实时负荷情况，动态调整电动汽车的充电功率。当电网负荷较低时，适当提高电动汽车的充电功率，以加快充电速度；而当电网负荷较高时，降低充电功率，避免给电网带来过大压力。

以某地区的实际应用为例，该地区安装了智能充电系统，能够实时监测电网负荷。在电网负荷处于低谷时段，如凌晨 2 点至 6 点，系统会将电动汽车的充电功率提高到 6kW 甚至更高，充分利用此时的富余电力资源；而在电网负荷高峰时段，如晚上 6 点至 10 点，充电功率会被限制在 2kW 以内，以保障电网的稳定运行。通过采用这种功率动态调整策略，该地区电网的峰谷差率得到了，从原来的 30%降低至 20%左右，有效提升了电网的稳定性和可靠性。

不过，功率动态调整策略在技术实现上存在一定难点。它要求充电桩与电网之间建立的通信连接，以便及时获取电网负荷信息。充电桩还需要具备的功率调节能力，能够根据接收到的指令快速、准确地调整充电功率。此外，还需要考虑如何在满足电网需求的同时，兼顾用户的充电需求和满意度，例如避免因过度降低充电功率而导致用户充电时间过长等问题。

4安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

4.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

4.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

4.4安科瑞充电桩云平台系统功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

4.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

4.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

4.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

4.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

4.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

4.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

4.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

4.5系统硬件配置

5总结

尽管电动汽车有序充电控制方法的研究已取得诸多成果，但仍有一些问题亟待解决，未来的研究可从以下几个方向深入展开。

在用户行为建模方面，目前的研究对用户充电行为的不确定性考虑尚不充分。未来需要深入探究用户的心理、习惯、经济状况等因素对充电行为的影响，建立更加精准的用户行为模型。通过大数据分析、机器学习等技术，挖掘用户充电行为的潜在规律，提高对用户充电需求预测的准确性，从而为制定更加合理有效的充电策略提供依据。

随着可再生能源在电力系统中的占比不断增加，电动汽车与可再生能源的协同控制成为重要研究方向。如何实现电动汽车充电与风电、光伏等可再生能源发电的有效匹配，充分利用可再生能源，减少对传统化石能源的依赖，是亟待解决的问题。这需要深入研究电动汽车与可再生能源之间的能量交互机制，开发相应的控制策略与优化算法，在满足电动汽车充电需求的同时，提高可再生能源的利用率，促进能源的可持续发展。

参考文献：

[1] 刘磊.电动汽车充电对配电网负荷的影响及有序控制策略探究

[2] 电动汽车有序充电控制：策略优化与智能调度

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版