电动汽车充放电控制与电网互动研究进展

引言

电动汽车的普及在带来显著环境效益的同时，也对其能源补给主体——电力系统构成了严峻挑战。若数以百万计的电动汽车用户在用电高峰时段（如傍晚）进行无协调、即插即充的“无序充电”，将产生叠加效应，形成极高的负荷峰值，加剧电网的峰谷差，可能导致局部配电设施过载、电压越限， 重影响电网的电能质量和供电可靠性。

电动汽车与电网互动的基本模式

1. 单向有序充电模式

在这种模式下，电动汽车仅从电网获取电能，但充电过程并非随意进行，而是根据电网的负荷情况、电价信号等因素进行有序安排。电网运营者可以通过通信技术与电动汽车充电设施进行实时信息交互，在电网负荷低谷时段，鼓励电动汽车进行充电，此时电价相对较低，既可以降低用户的充电成本，又能充分利用电网的剩余容量。例如，在夜间居民用电低谷期，电网可以向连接的电动汽车充电设施发送允许充电的指令，使电动汽车有序接入电网进行充电，避免了无序充电对电网造成的冲击。

2. 双向互动充放电模式

这是更为高级的互动模式，即车辆到电网（V2G）技术的具体应用。电动汽车不仅可以从电网充电，还能在电网需要时向电网反向输送电能。当电网处于高峰负荷时段，或者可再生能源发电（如太阳能、风能）出现波动导致电力供应不足时，电动汽车可以作为分布式储能单元，将自身储存的电能反馈给电网，起到削峰填谷的作用。例如，在白天光照不足而用电需求又高的时段，电动汽车可以向电网输送电能，缓解电网的供电压力。同时，用户也能通过向电网售电获得一定的经济收益，实现了电动汽车与电网的双赢互动。这种模式对电动汽车的电池技术、通信技术以及电网的调控能力都提出了更高的要求，但它能够最大程度地发挥电动汽车作为移动储能单元的价值，提高电网的稳定性和可再生能源的消纳能力。

二、 核心控制策略与研究进展

1. 基于模型预测控制的策略

该策略核心是构建电动汽车电池、电网系统及配套设备的精细化数学模型体系，经实时计算和仿真分析，精准预测和评估未来特定时段系统运行状态。具体可准确预估未来数小时及更长时间内电网负荷波动、可再生能源发电功率、电池储能充放电能力等关键参数。基于预测数据，系统用先进优化算法智能调度和动态调整电动汽车充放电行为，如选择充电时机、调节充电功率、必要时反向放电。此前瞻性策略能有效应对电网波动，提升电力系统运行稳定性，通过削峰填谷实现更优经济效益，达成电网安全运行与经济效益双赢。

2.分布式协同控制策略

在大规模电动汽车接入电网场景下，传统集中式控制面临诸多挑战。而分布式协同控制策略能规避集中控制的通信资源过度消耗和单点故障风险等问题。在该控制架构中，每辆电动汽车或集群作为自主决策单元，通过高效信息交互网络实现多层次协同优化控制。具体是相邻区域控制单元实时共享电池荷电状态、充放电能力等参数，结合电网实时负荷需求，用智能算法动态协调各单元充放电功率。这种分布式控制可实现局部功率动态平衡，还能扩展到整个电网优化运行。比如，某区域电网有功率缺口时，相邻单元协商调用电量充足车辆放电；电网负荷低时，协调车辆有序充电，保障用户需求同时优化电网资源配置。

3.基于智能算法的自适应控制策略

通过采用先进的智能优化算法，如遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等，对电动汽车的充放电控制策略进行动态自适应优化调整。这些智能算法具有强大的全局搜索能力和自适应特性，能够基于实时采集的电网运行数据、电动汽车电池状态信息以及用户个性化需求等多维度参数，通过迭代计算自动寻找最优化的控制参数组合。具体而言，随着季节更替和时间变化，电网的负荷特性曲线会呈现明显的周期性波动，同时电动汽车的使用模式和充电需求也会发生显著变化。在这种情况下，智能算法能够持续监测这些变化趋势，通过机器学习不断优化控制策略，实现充放电功率的精准调节。这种自适应调整机制不仅可以有效平衡电网负荷，还能显著提升充电效率，延长电池使用寿命，最终实现整个充放电系统运行性能和能源利用效率的全面提升。

三、 关键使能技术

1. 先进的通信技术

为实现电动汽车与电网之间高效、稳定的信息交互，需要先进的通信技术作为支撑。例如，5G通信技术具有高速率、低时延、大容量的特点，能够确保电动汽车与电网控制中心之间实时准确地传输数据。通过 5G 网络，电网可以及时获取每辆电动汽车的电池状态、位置、预计充电时长等信息，电动汽车也能快速接收电网的控制指令，如调整充放电功率、参与需求响应等。此外，无线通信技术如 Wi-Fi、蓝牙等也可用于电动汽车内部各部件之间以及电动汽车与充电桩之间的通信，提高系统的灵活性和便捷性。

2.高精度的电池管理系统

电池作为电动汽车的核心部件，其性能和状态直接影响到充放电控制和电网互动的效果。高精度的电池管理系统（BMS）能够实时监测电池的电压、电流、温度、SOC（荷电状态）等参数，准确估算电池的健康状态（SOH）和剩余使用寿命。通过对电池状态的精确监测和评估，BMS 可以优化电池的充放电过程，避免过充、过放等情况的发生，延长电池的使用寿命。同时，BMS 还可以将电池的相关信息反馈给电网，为电网制定合理的充放电控制策略提供依据。例如，当电池SOC 较低时，电网可以优先安排该电动汽车充电；当电池 SOH 较差时，电网可以适当降低其充放电功率，以保护电池。

3.智能充电桩技术

智能充电桩是实现电动汽车与电网互动的关键设备之一。它不仅具备基本的充电功能，还能够与电网和电动汽车进行双向通信，实现智能化的充放电控制。智能充电桩可以根据电网的实时电价、负荷情况以及电动汽车的需求，自动调整充电功率和时间。例如，在电网负荷低谷期，充电桩可以以较高的功率为电动汽车快速充电；在电网负荷高峰期，充电桩可以降低充电功率或暂停充电，参与电网的需求响应。此外，智能充电桩还可以支持多种充电模式，如快充、慢充、换电等，满足不同用户的需求。

四、 结论

电动汽车与电网的互动是实现交通与能源两大系统深度融合、支撑新型电力系统建设的核心抓手。本文综述表明，该领域的研究已从初期的无序充电影响分析，发展到以有序充电和V2G 为核心的主动调控技术探索。在互动模式上，形成了从 V1G 到 V2G 的清晰路径；在控制策略上，分层分布式控制和人工智能方法已成为解决大规模优化问题的主流方向；在使能技术上，通信、聚合商、电力电子等支撑体系日趋成熟。

参考文献：

[1]于悦媛. 园区微电网电动汽车充放电控制与调度方法研究[D]. 江南大学, 2023.

[2]裴振坤. 基于虚拟同步机的电动汽车充放电控制及辅助调频策略[D]. 华南理工大学, 2022.

[3]郑旭. 车网互动模式下电动汽车并网控制策略的研究[D]. 沈阳工业大学, 2022.

作者简介：张英龙、1989 年、男、汉族、天津人、职称：助理电气工程师研究方向为电气工程