1、电动汽车发展历程

　　利用电能驱动的交通工具主要包括有轨电车、电气化铁路、电驱动飞机、电动汽车等,已有近200年的发展历程。在19世纪上半叶,已有电力驱动交通工具的实验及专利问世。不过,由于电池技术等的限制,这一时期的电动汽车主要采用无法重复充电的原电池驱动。到了19世纪下半叶,可充电的锂电池技术使得电能驱动车辆得到了迅速发展,并在19世纪末期实现了电池驱动电动汽车的规模化生产,进入了电气化交通发展的一个黄金时期。在20世纪初期,电池驱动的汽车约占美国总汽车保有量的三分之一。

　　由于电池技术的局限,早期电动汽车在续航里程、行驶速度等方面无法与内燃机驱动的汽车相媲美。从20世纪20年代开始,电动汽车逐渐被内燃机驱动的汽车所取代,对电动汽车技术的研究在相当长的时期内也大多局限于原型车的研制。随着全球性的化石能源危机和环境问题逐步凸显,电动汽车从20世纪末期开始重新回到了公众的视野。在电池技术、充电技术、可再生能源发电技术等取得明显发展的背景下,电动汽车可以有效减少对化石燃料的消耗和对环境的污染,且有望逐步实现不逊色于内燃机汽车的行驶特性。近年来,电动汽车开始逐步获得市场认可,且已经成为许多国家乘用车电气化改革的重中之重。

　　现有的电动汽车可以从总体上分为纯电动和混合动力两大类。其中,主流的纯电动汽车(BEV)主要采用锂电池驱动,而混合动力汽车则可进一步细分为油电混合动力汽车(HEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)两类。常见的电动汽车类型和典型参数如下表所示。

　　2、电动汽车接入电力系统的相关研究

　　BEV和PHEV的电池需要接入电力系统进行充电。当BEV和PHEV的数量达到一定规模时,电动汽车充电行为会显著增加电力系统尤其是配电系统的负荷,同时对电力系统规划、运行等方面提出了更高的要求。另一方面,接入电力系统的电动汽车电池可被视为储能元件,有助于改善电力系统的安全与经济运行。近年来,就电动汽车对电力系统影响与其他相关问题,国内外专家学者做了相当多的研究,主要包括以下几个方面。

　　1)电动汽车充电负荷预测与建模

　　受车主行驶习惯等难以预测因素的影响,电动汽车充电负荷具有充电需求、充电时刻、充电地点等时空不确定性。影响电动汽车充电负荷的因素包括但不局限于车辆类型和参数、车主行驶需求和行驶习惯等。电动汽车充电负荷预测通常基于对历史行驶数据的统计学分析,模拟行驶里程的分布函数,并依此预测单个/集群电动汽车的充电负荷需求。在对电动汽车充电负荷时空分布特性进行分析时,则需要在计及车主行驶习惯的基础上,结合交通网络和电力网络等空间信息,对电动汽车的停车位置、停车时长、充电需求等综合考虑。

　　2)电力网络接纳电动汽车的能力分析和充/换电设施的建设规划

　　分析电力网络接纳电动汽车的能力一般需要考虑配电系统容量、电压分布、三相不平衡度、负荷增长情况等。电动汽车充换电设施主要包括集中式充电站、快速充电站、换电站和离散式的充电桩。现有研究侧重于集中式充换电站的选址定容问题,在考虑充换电站的服务半径和地理环境因素基础上,对交通系统网络、交通流量和充电需求、充换电站的电气属性(节点电价、网络拥塞程度等)、与配电系统的协调规划等诸多因素进行了探索。对于离散型充电桩的布局问题,一般根据交通网络和电动汽车分布情况确定,并适当考虑配电系统运行约束。

　　3)电动汽车有序充电策略

　　对电动汽车充电进行适当引导有助于维持甚至改善电力系统运行的安全性和经济性。电动汽车车主可以通过优化充电策略来降低充电成本,而电动汽车充换电站则可以充分利用电价机制来提升运营效益。制定以降低车主充电成本为目标的充电策略需要考虑充电价格机制对充电成本的影响,例如分时电价、实时电价、考虑负荷弹性的电价等,可采用分层、多代理等结构建立车主有序充电的模型。充换电站的运营优化则以最大化运营效益为目标,以充电价格机制为基础,适当考虑充电站的服务能力、车主充电需求、换电站的运营模式、电池管理模式等因素。

　　4)电动汽车参与电力系统运行的互动协调策略

　　通过利用电动汽车电池的储能功能,电动汽车对电力系统优化运行的贡献主要体现在三个方面:削峰填谷,平滑系统负荷曲线;改善潮流分布,减少网络阻塞、减低网损和系统运行成本;与间歇性可再生能源发电互补,增强电力系统消纳间歇性可再生能源发电的能力。通常利用调度和控制手段,对电动汽车电池充电计划进行优化管理。现有文献主要考虑了电动汽车的充电需求和充电功率特性、电力系统运行约束、间歇性可再生能源发电出力的不确定性、不同的充电价格机制等因素的影响,对平滑负荷波动、削峰填谷、平抑间歇性可再生能源发电出力波动、均衡潮流分布、降低网络损耗、降低机组组合成本、减少碳排放成本等多种目标进行了较为广泛的研究。

　　5)电力市场环境下电动汽车与电力系统的协调运行策略

　　在电力市场环境下,电动汽车可以参与电力辅助服务市场,利用电池的储能特性和快速响应能力为系统提供调频等辅助服务,获取一定的收益。为满足辅助服务市场的准入条件,通常由代理商等中间机构,将一定数量的电动汽车进行集群。在满足电动汽车行驶需求的前提下,对电动汽车参与市场的准入机制、相关的市场设计、电动汽车在调频等辅助服务市场的经济效益分析、能量和辅助服务市场的协调互动、电动汽车代理商的竞价策略和博弈问题、电动汽车与其他可控负荷聚类的市场竞价策略、电动汽车电池响应调频信号的调度控制策略等方面开展了比较广泛而初步的研究。

　　6)电动汽车与智能交通系统的交互作用

　　作为智能交通系统的组成部分,电动汽车的行驶特性与交通系统相互影响。在考虑电动汽车行驶行为、充电需求以及充换电设施可用性、交通拥堵情况、交通网络约束等因素的基础上,已有针对电动汽车充换电地点和时间分配、电动汽车充换电路径导航等方面的研究。利用交通系统信息,可以减少电动汽车充换电的排队时间、行驶距离和时间,同时也可以在相当程度上减轻交通系统拥堵,提高电动汽车充换电设施利用率。

　　从时间尺度上,可以将电动汽车相关研究之间的关系用下图表示:

　　电动汽车相关研究之间的关系图