《×××××》项目总结报告-南京理工大学

《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。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-1-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，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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、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 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 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：-2-2016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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ；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。-3-4、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-4-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SAEJ1939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。-5-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（SmartJunctionUnit）并可集成到高压系统智能控制管理单元。控制管理单元（PDMU）采用符合汽车电子安全 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 （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-6-2）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-7-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，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。-8-图3排序算法-9-图4功率分摊算法-10-2、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：-11-①根据目前的资料来看，会影响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。-12-表1动力电池特性比较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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 》（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-13-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-14-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。-15-二是无序充电模型。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，-16-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电网波峰值电网波谷值峰谷值差的数量/万/万千瓦/万千瓦/万千瓦06474452025633.4470.3163.110619.8492.4127.415606.2511.195.13）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。-17-图5V2G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。-18-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，具体完成情况如下：-19-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，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，-20-201611235317.9，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-21-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。-22-