CN109347123B - 一种基于车载三端控制器的充放电控制方法 - Google Patents

一种基于车载三端控制器的充放电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于车载三端控制器的充放电控制方法，属于充放电控制技术领域，解决了现有技术中电动汽车充放电管理中心在电动汽车数量较多会遇到维数灾难，以及电网负荷波动过大的问题。一种基于车载三端控制器的充放电控制方法，具体包括以下步骤：电动汽车接入电网后，获取当日电网负荷曲线；预测电动汽车满足行驶需求下的最小电池SOC值；根据所述最小电池SOC值和当日电网负荷曲线，计算电动汽车的充电起止时刻或放电起止时刻；电网信息中心根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线。实现了电动汽车的充放电起止时刻的控制，使电动汽车充放电管理中心可有效避免维数灾难，同时有效降低了电网负荷的波动。

Description

一种基于车载三端控制器的充放电控制方法
技术领域
本发明涉及充放电控制技术领域，尤其涉及一种基于车载三端控制器的充放电控制方法。
背景技术
目前随着国家大力推动新能源汽车的发展，电动汽车的保有量将逐步增加，但是大量电动汽车不受管理的进行充电或放电会加剧电网负荷的波动，降低电能质量，因此急需一种基于实时电价的电网负荷调节的控制策略，以控制电动汽车的充放电行为，从而降低电网负荷的波动。目前常用的方法是设置管理中心对电动汽车的充放电行为进行统一管理，但是该方法需要管理中心进行大量复杂的运算，在电动汽车数量较多时，容易出现“维数灾难”问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于车载三端控制器的充放电控制方法，用以解决现有技术中电动汽车充放电管理中心在电动汽车数量较多会遇到维数灾难，以及电网负荷波动过大的问题。
本发明提供了一种基于车载三端控制器的充放电控制方法，包括以下步骤：
电动汽车接入电网后，获取当日电网负荷曲线；
预测电动汽车满足行驶需求下的最小电池SOC值；
根据所述最小电池SOC值和当日电网负荷曲线，计算电动汽车的充电起止时刻或放电起止时刻；
根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线。
上述技术方案的有益效果为：实现了电动汽车的充放电起止时刻的自主控制，使电动汽车充放电管理中心可有效避免维数灾难，同时有效降低了电网负荷的波动。
进一步地，所述方法还包括，根据昨日电网负荷，并结合价格需求弹性矩阵，预测得到当日电网负荷曲线，具体包括：将一天分为n个时段，根据昨日每个时段的平均负荷m1，m2...mn，利用公式
Figure BDA0001885228010000021
预测得到当日n个时段的电网负荷，将所述当日n个时段的电网负荷绘制成当日电网负荷曲线，其中，E为价格需求弹性矩阵，pn为昨日第n个时段的电价，Δpn为第n个时段的价格变化差值。
上述进一步地技术方案的有益效果为：通过上述方案可以方便、有效的预测得到当日电网负荷曲线。
进一步地，预测电动汽车满足行驶需求下的最小电池SOC值，具体包括：
电动汽车的三端控制器根据车辆所需的电量和动力电池的基础SOC值，利用电池最小SOC值预测公式
Figure BDA0001885228010000022
预测电动汽车满足行驶需求下的最小电池SOC值；
其中，Ms为行驶里程，Ep100为电动汽车的百公里耗电，Bc为电池容量，η为放电效率，SOCr为基础SOC值，α为冗余系数。
进一步地，电动汽车根据所述最小电池SOC和当日电网负荷曲线，计算电动汽车的充、放电起止时刻，具体包括：
电动汽车入网后，根据是否为晚间充电时段以及电动汽车当前电池SOC与最小电池SOC的大小关系，确定电动汽车进行充电还是进行放电；
若电动汽车进行充电，则利用所述电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的充电时间Tct；根据所述充电时间Tct与电动汽车入网时间，确定电动汽车的充电起始时刻hs；根据所述充电起始时刻hs和充电时间Tct确定电动汽车的充电终止时刻he；
若电动汽车进行放电，则利用所述最小电池SOC以及电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的放电时间Tdt；根据所述放电时间Tdt与电动汽车入网时间，确定电动汽车的放电起始时刻is；根据所述放电起始时刻和放电时间Tdt确定电动汽车的放电终止时刻ie。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过综合考量当前电池SOC与最小电池SOC的大小，充电时间与电动汽车入网时间，放电时间与电动汽车入网时间等因素，合理的确定电动汽车的充、放电起止时刻，按照所述充、放电起止时刻对电动汽车进行充、放电可以有效的减小电网负荷的波动。
进一步地，根据是否为晚间充电时段以及当前SOC与最小电池SOC的大小关系，确定电动汽车进行充电还是进行放电，具体包括：若为晚间充电时段则进行充电，若不是晚间充电时段，则判断电动汽车当前电池SOC与最小电池SOC的大小关系，若所述当前电池SOC大于最小电池SOC，则进行放电，否则进行充电。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过综合考量是否为晚间充电时段以及当前SOC与最小电池SOC的大小关系，合理的确定电动汽车是应该充电还是放电。
进一步地，利用所述电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的充电时间Tct，具体包括：根据最小电池SOC值、电动汽车当前电池SOC，利用
Figure BDA0001885228010000041
计算出电动汽车的充电时间Tct，其中，1表示电池满负荷状态时的SOC值，Bc为电池容量，Pc为充电功率，SOCc为当前电池SOC。
进一步地，根据所述充电时间Tct与电动汽车入网时间，确定电动汽车的充电起始时刻hs，具体包括：若充电时间Tct小于电动汽车入网时间，则利用
Figure BDA0001885228010000042
和电网负荷曲线，确定电动汽车的充电起始时刻hs，否则电动汽车的充电起始时刻hs等于电动汽车入网时刻Tr，其中，Tl为电动汽车离网时刻，Pc为充电功率，mh′为当日第h个时段的负荷。
上述进一步技术方案的有益效果为：根据所述充电时间与电动汽车入网时间，合理的确定电动汽车的充电起始时刻。
进一步地，利用所述最小电池SOC以及电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的放电时间Tdt，具体包括：根据最小电池SOC值、电动汽车当前电池，利用SOC以及
Figure BDA0001885228010000043
计算出电动汽车的放电时间Tdt，其中，Bc为电池容量，Pd为放电功率，SOCc为当前电池SOC。
进一步地，根据所述放电时间Tdt与电动汽车入网时间，确定电动汽车的放电起始时刻is，具体包括：若放电时间Tdt小于电动汽车入网时间，则利用
Figure BDA0001885228010000044
和电网负荷曲线确定电动汽车的放电起始时刻is，否则电动汽车的放电起始时刻is等于电动汽车入网时刻Tr，其中，Tl为电动汽车离网时刻，Pd为放电功率，mi′为当日第i个时段的负荷。
上述进一步技术方案的有益效果为：根据放电时间与电动汽车入网时间，合理的确定电动汽车的放电起始时刻。
进一步地，根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线，具体包括：电动汽车将所述充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率上传至电网信息中心；
电网信息中心根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过以上述方法更新电网负荷曲线，后序的电动汽车将会获取最新的电网负荷曲线，并根据更新后的电网负荷曲线来控制自身充放电，以避免电动汽车过度集中的充电或放电。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可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说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例所述方法流程示意图；
图2为本发明实施例所述电动汽车与电网信息中心的连接示意图；
图3为电网昨日的负荷曲线与预测的电网负荷曲线示意图；
图4为本发明实施例所述三端控制器决策流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例
本发明的一个具体实施例，一种基于车载三端控制器的充放电控制方法，所述方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
步骤S1、电动汽车接入电网后，从电网信息中心获取当日电网负荷曲线；
具体的，所述当日电网负荷曲线由电网信息中心根据昨日的电网负荷，并结合价格需求弹性矩阵预测得到；而价格需求弹性矩阵可根据电网的价格和负荷的历史信息得到；图2为电动汽车与电网信息中心的连接示意图；
电网信息中心根据昨日的电网负荷，结合价格需求弹性矩阵预测当日电网负荷曲线，具体包括：
将一天分成n个时段，n越大预测得到的电网负荷曲线越精确，但相应的计算越复杂，示例性的，n取值24，即将一天中每小时分为一个时段；则昨日每个时段的平均负荷分别为m1，m2...mn，则定义价格需求弹性为：
Figure BDA0001885228010000061
其中，m∈{m1,m2…mn}，ρ为价格需求弹性，p0、p分别为连续两天的用电价格，m0、m对应两个电价下的电网负荷，dp、dm为价格差和负荷差。
不同时段的价格需求弹性ρ可以构成价格需求弹性矩阵E：
Figure BDA0001885228010000071
其中，ρnn为昨日第n个时段对第n个时段的价格需求弹性系数，电网信息中心预测当日负荷曲线时，则可以采用如下公式预测得到当日n个时段的电网负荷：
Figure BDA0001885228010000072
将所述当日n个时段的电网负荷绘制成当日电网负荷曲线；式(3)中m1,m2…mn为电价改变前的用电需求(即昨日的负荷)，m’1,m’2…m’n为电价改变后的用电量(即当日的负荷)，pn为昨日第n个时段的电价，Δpn为第n个时段的价格变化差值；
如图3所示，虚线表示电网中心所预测的当日电网负荷曲线，实线表示昨日的电网负荷曲线，所述电网负荷仅包含居民用电量，不包括电动汽车对电网的影响。
步骤S2、电动汽车的三端控制器预测电动汽车满足行驶需求下的最小电池SOC值；
具体的，电动汽车接入电网后，电动汽车的三端控制器，根据电动汽车所需的电量和动力电池的基础SOC值，利用最小电池SOC值预测公式，预测电动汽车满足行驶需求下的最小的电池SOC值(即未来所需要的最小电池SOC值)，其中，最小电池SOC值预测公式为：
Figure BDA0001885228010000073
式中，Ms为行驶里程，单位为km，Ep100为电动汽车的百公里耗电，Bc为电池容量，η为放电效率，SOCr为基础SOC值，过度放电会损伤电池寿命，SOC的最小值应大于SOCr，α为冗余系数，这是因为用户的行为具有随机性，预测时可能会出现偏差，为了保证用户的使用，在预测值
Figure BDA0001885228010000081
的基础上乘以一个大于1的系数。
步骤S3、电动汽车根据所述最小电池SOC值和电网负荷曲线，计算电动汽车的充电起止时刻或放电起止时刻；
电动汽车以目标函数最小化为目标确定自己的充放电时刻和时长，目标函数为：
Figure BDA0001885228010000082
式中m’i表示预测得到的第i个时段电网负荷，Pd为电动汽车的放电功率，Pc为电动汽车的充电功率,xi和xh分别表示第i、h个时段电动汽车的决策变量，它们的取值为0时，表示电动汽车不充电不放电，取值为1时，表示电动汽车充电，取值为-1时，表示电动汽车放电，is表示放电的起始时刻，ie表示放电的截止时刻，hs表示充电的起始时刻，he表示充电的截止时刻，这里n取24；该目标函数代表了电网的负荷波动情况，越小则说明电网负荷波动越小；其中is、ie、hs、he有如下关系，
Figure BDA0001885228010000083
式中，Tct为充电时间，Tdt为放电时间，其通过公式(7)计算，
Figure BDA0001885228010000084
其中，SOCc为当前电池SOC，同时，is、ie、hs、he还有如下约束条件，
Figure BDA0001885228010000091
式中，Tr,Tl分别为电动汽车的入网和离网时刻，公式(8)表示电动汽车的充电或放电的时段应该在其进网与离网之间，Tl-Tr为电动汽车的入网时间；
对于电动汽车来说，电动汽车接入电网后，需要求解充放电的起始与截止时刻；为了方便求解，将求解过程分为充电与放电两个部分；
为了方便求解，将求解过程分为充电与放电两个部分。求解时采用动态插入的方式求解，在求解充电时刻时，将电动汽车自身的负荷“插入”到电网负荷中，并找到使电网负荷在充电时段负荷波动最小的充电起始时刻；同理，找到使电网负荷在放电时段，波动最小的放电起始时刻；这样就将目标函数(5)简化为如下两个公式计算；
Figure BDA0001885228010000092
Figure BDA0001885228010000093
采用式(9)求解充电起始时刻，采用式(10)求解放电起始时刻；
于是，电动汽车(具体为其三端控制器)根据所述最小电池SOC值和电网负荷曲线，计算电动汽车的充电起止时刻或放电起止时刻，具体包括以下步骤：
电动汽车入网后，根据是否为晚间充电时段以及电动汽车当前电池SOC与最小电池SOC的大小关系，确定电动汽车进行充电还是进行放电；
具体的，若为晚间充电时段则进行充电，若不是晚间充电时段，则判断电动汽车当前电池SOC(即SOCc)与最小电池SOC(即SOCmin)的大小关系，若所述当前电池SOC大于最小电池SOC，则进行放电，否则进行充电；
若电动汽车进行充电，则利用所述电动汽车当前电池SOC以及电池满电荷状态时SOC值(SOC＝1)，计算出电动汽车的充电时间Tct；需要说明的是，电动汽车的三端控制器与电池管理系统通信获取可以获取当前电池SOC值SOCc。
具体的，根据最小电池SOC值、电动汽车当前电池SOC，利用
Figure BDA0001885228010000101
计算出电动汽车的充电时间Tct；
接着，根据所述充电时间Tct与电动汽车入网时间，确定电动汽车的充电起始时刻hs；
具体的，若充电时间Tct小于电动汽车入网时间，则利用式(9)和电网负荷曲线，确定电动汽车的充电起始时刻hs，否则电动汽车的充电起始时刻hs等于电动汽车入网时刻Tr，其中，mh′为当日第h个时段的负荷；利用(9)和电网负荷曲线，确定电动汽车的充电起始时刻hs，即采用采用动态插入的方式，通过不断的调整充电起始时刻，最终找到使电网负荷，在充电时段波动最小的充电起始时刻，即使(9)最小的充电起始时刻；
而后，根据所述充电起始时刻hs和充电时间Tct确定电动汽车的充电终止时刻he；
若电动汽车进行放电，则利用所述最小电池SOC以及电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的放电时间Tdt；
具体的，根据最小电池SOC值、电动汽车当前电池，利用SOC以及
Figure BDA0001885228010000111
计算出电动汽车的放电时间Tdt；
接着，根据所述放电时间Tdt与电动汽车入网时间，确定电动汽车的放电起始时刻is；
具体的，若放电时间Tdt小于电动汽车入网时间，则利用式(10)和电网负荷曲线确定电动汽车的放电起始时刻is，否则电动汽车的放电起始时刻is等于电动汽车入网时刻Tr，其中，mi′为当日第i个时段的负荷；即即采用采用动态插入的方式，通过不断的调整放电起始时刻，最终找到使电网负荷，在放电电时段波动最小的充放电起始时刻，即使(10)最小的充电起始时刻；
而后，根据所述放电起始时刻和放电时间Tdt确定电动汽车的放电终止时刻ie；
有上述描述可知三端控制器的决策流程，如图4所示。
步骤S4、根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线；
具体的，电动汽车将所述充电起止时刻(is和ie)和充电功率Pc，或放电起止时刻(hs和he)和放电功率Pd上传至电网信息中心，电网信息中心根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线。
需要说明的是，经过这样更新电网负荷曲线后，后序的电动汽车将会获取最新的包含电动汽车负荷的电网负荷曲线，这样在此之前的接入电网的电动汽车对电网负荷的影响全部体现在这个电网负荷曲线上，新接入电网的电动汽车根据更新后的电网负荷曲线来规划自身充放电行为，就可以避免电动汽车过度集中的充电或放电，而且该充电、放电行为完全由电动汽车自身控制，电网信息中心仅起到信息传递的作用无需复杂计算，避免了当电动汽车数量过大时，统一调度方式所面临的“维数灾难”问题；
对于电网信息中心来说，当一天结束时，根据步骤S1预测出当日的电网负荷曲线，当有电动汽车接入并提交充放电时段时，电网信息中心将电动汽车的负荷按所提交的时段添加到电网当日负荷曲线中。
在本发明中，电网信息中心用于估计当日负荷并收集车辆的充、放电时刻及充、放电功率，以更新电网负荷曲线，而电量消耗的估计和计算充、放电时刻由电动汽车自行规划；本发明利用价格弹性理论预测当日的电网负荷曲线，并作为控制电动汽车充、放电的依据，然后估算电动汽车需要消耗的电量作为充放电的约束条件，由电动汽车自身根据电网负荷曲线，规划自身的充、放电时刻和时长，以达到减少电网负荷波动的目的。
本发明与现有技术相比的有益效果是：利用预测出的电网负荷曲线作为电动汽车充放电规划的依据，使电动汽车充放电规划时更具合理性避免了过度集中充电或放电的情况，有效降低了电网的负荷波动，提高电网运行的可靠性；同时，本方法易于实现，没有复杂的运算秩序车辆与电网信息中心的通信即可完成规划，不需要统一的调度中心规划所有电动汽车的充放电行为，使电动车更加自主；便于商业化开发，随着车联网和充电基础设施的发展，该方法不再需要其它的硬件成本，便于商业开发，有较好的商业开发前景。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于车载三端控制器的充放电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
电动汽车接入电网后，获取当日电网负荷曲线；
预测电动汽车满足行驶需求下的最小电池SOC值；
根据所述最小电池SOC值和当日电网负荷曲线，计算电动汽车的充电起止时刻或放电起止时刻；具体包括：
电动汽车入网后，根据是否为晚间充电时段以及电动汽车当前电池SOC与最小电池SOC值的大小关系，确定电动汽车进行充电还是进行放电；
若电动汽车进行充电，则利用所述电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的充电时间Tct；根据所述充电时间Tct与电动汽车入网时间，确定电动汽车的充电起始时刻hs；根据所述充电起始时刻hs和充电时间Tct确定电动汽车的充电终止时刻he；
根据所述充电时间Tct与电动汽车入网时间，确定电动汽车的充电起始时刻hs，具体包括：若充电时间Tct小于电动汽车入网时间，则利用
Figure FDA0002596099860000011
和电网负荷曲线，确定电动汽车的充电起始时刻hs，否则电动汽车的充电起始时刻hs等于电动汽车入网时刻Tr，其中，Tl为电动汽车离网时刻，Pc为充电功率，mh′为当日第h个时段的负荷；
若电动汽车进行放电，则利用所述最小电池SOC值以及电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的放电时间Tdt；根据所述放电时间Tdt与电动汽车入网时间，确定电动汽车的放电起始时刻is；根据所述放电起始时刻和放电时间Tdt确定电动汽车的放电终止时刻ie；
根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，根据昨日电网负荷，并结合价格需求弹性矩阵，预测得到当日电网负荷曲线，具体包括：将一天分为n个时段，根据昨日每个时段的平均负荷m1，m2...mn，利用公式
Figure FDA0002596099860000021
预测得到当日n个时段的电网负荷，将所述当日n个时段的电网负荷绘制成当日电网负荷曲线，其中，E为价格需求弹性矩阵，pn为昨日第n个时段的电价，Δpn为第n个时段的价格变化差值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预测电动汽车满足行驶需求下的最小电池SOC值，具体包括：
电动汽车的三端控制器根据车辆所需的电量和动力电池的基础SOC值，利用最小电池SOC值预测公式
Figure FDA0002596099860000022
预测电动汽车满足行驶需求下的最小电池SOC值；
其中，Ms为行驶里程，Ep100为电动汽车的百公里耗电，Bc为电池容量，η为放电效率，SOCr为基础SOC值，α为冗余系数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据是否为晚间充电时段以及当前SOC与最小电池SOC值的大小关系，确定电动汽车进行充电还是进行放电，具体包括：若为晚间充电时段则进行充电，若不是晚间充电时段，则判断电动汽车当前电池SOC与最小电池SOC值的大小关系，若所述当前电池SOC大于最小电池SOC值，则进行放电，否则进行充电。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的充电时间Tct，具体包括：根据电动汽车当前电池SOC，利用
Figure FDA0002596099860000031
计算出电动汽车的充电时间Tct，其中，1表示电池满负荷状态时的SOC值，Bc为电池容量，Pc为充电功率，SOCc为当前电池SOC。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述最小电池SOC值以及电动汽车当前电池SOC，计算出电动汽车的放电时间Tdt，具体包括：根据最小电池SOC值、电动汽车当前电池SOC，以及
Figure FDA0002596099860000032
计算出电动汽车的放电时间Tdt，其中，Bc为电池容量，Pd为放电功率，SOCc为当前电池SOC。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述放电时间Tdt与电动汽车入网时间，确定电动汽车的放电起始时刻is，具体包括：若放电时间Tdt小于电动汽车入网时间，则利用
Figure FDA0002596099860000033
和电网负荷曲线确定电动汽车的放电起始时刻is，否则电动汽车的放电起始时刻is等于电动汽车入网时刻Tr，其中，Tl为电动汽车离网时刻，Pd为放电功率，mi′为当日第i个时段的负荷。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线，具体包括：电动汽车将所述充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率上传至电网信息中心；
电网信息中心根据上传的充电起止时刻和充电功率，或放电起止时刻和放电功率更新电网负荷曲线。
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