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浅谈双碳目标下电动汽车有序充电及车网互动关键技术探究
摘要：本文立足全球能源危机大背景，聚焦电动汽车日益普及现状，深入探讨其有序充电与车网互动技术相关内容。鉴于大规模电动汽车无序充电给电力系统带来用电压力，尤其是加剧峰谷差扩大等问题，凸显出规划有序充电的紧迫性。同时结合我国截至2021年7月的电动汽车保有量及充电设施建设情况，详细分析有序充电控制、充电设施优化规划、与可再生能源发电融合、大规模有序充电调度与控制等关键技术问题，并针对各问题提出相应解决思路与策略，旨在助力实现电动汽车与电网的良性互动，推动双碳目标的达成。
关键词：双碳目标；电动汽车；有序充电；车网互动；全球能源危机
一、引言
在全球能源危机的严峻形势下，传统能源供应面临诸多不确定性与挑战，而电动汽车作为一种以电能为驱动的绿色交通方式，正日益普及开来。其凭借自身优势在缓解能源压力、减少碳排放等方面被寄予厚望，然而，随着电动汽车保有量的快速攀升，大规模电动汽车无序充电现象愈发凸显，给电力系统带来了新的用电压力，例如导致用电峰谷差不断扩大等问题，严重影响电网的稳定运行与高效利用。在此背景下，科学规划电动汽车有序充电，妥善处理好其充电与电力系统的协调关系，成为当下亟待解决的重要课题，对于保障能源的合理利用以及双碳目标的实现都有着关键意义。
二、电动汽车在双碳目标及能源危机背景下的发展现状与意义
（一）电动汽车的发展现状
近年来，全球电动汽车市场呈现出蓬勃发展的态势，我国更是走在前列。截至2021年7月，我国电动汽车保有量已达630万辆，与之相配套的充电基础设施建设也取得了显著成果，累计建设充电站6.6万座、换电站716座、公共充电桩92.3万台，逐步构建起覆盖一定范围的充电网络，为电动汽车的日常使用提供了必要的保障。从全球范围来看，众多国家和地区都在不断加大对电动汽车产业的支持力度，无论是研发投入、政策扶持还是市场推广等方面，都促使电动汽车越来越多地出现在人们的生活中。
（二）电动汽车对实现双碳目标及应对能源危机的意义
在全球能源危机下，传统燃油能源供应紧张且其燃烧带来的碳排放对环境造成巨大压力。电动汽车以电能为驱动能源，当其电能来源更多依托清洁能源时，可有效减少对传统化石能源的依赖，从能源利用角度缓解能源危机。同时，交通领域作为碳排放的重要源头，电动汽车的推广应用能够极大地削减因交通运输产生的二氧化碳排放量，对于实现 “碳达峰、碳中和” 目标发挥着不可替代的作用，成为应对能源与环境双重挑战的有力举措。
三、电动汽车充电负荷对电网运行的影响
3.1无序充电带来的挑战
3.1.1增加电网调峰难度
电动汽车用户充电行为具有较大的随机性，在缺乏有效引导的情况下，大量电动汽车集中在电网负荷高峰时段充电，会使原本就紧张的电网高峰负荷进一步加剧，而低谷时段充电需求又过少，导致电网负荷峰谷差不断扩大。以我国当前数百万辆的电动汽车保有量规模来看，若无序充电问题得不到解决，这种峰谷差扩大的影响将更为显著，给电网的调峰工作带来沉重负担，增加了电网运行成本以及对调峰电源的依赖，影响电网的安全稳定运行。
3.1.2影响电网电能质量
无序充电时，电动汽车充电设备接入电网的随机性可能造成局部电网的电压波动、谐波污染等电能质量问题。特别是在一些老旧小区等电网较为薄弱的区域，大量电动汽车同时充电容易引发电压越限等故障，影响周边用户的正常用电体验，进一步凸显出有序充电规划的必要性。
3.2作为柔性负荷的积极作用
3.2.1平滑负荷曲线
电动汽车可以通过合理的充电时间安排，在电网负荷低谷时段充电，在高峰时段停止充电甚至向电网反馈电能（对于具备双向充电功能的车辆），起到 “削峰填谷” 的作用，使电网负荷曲线更加平缓，优化电网的整体运行状态，提高电网设备的利用率。即使面对我国规模庞大的电动汽车群体，若能实现有序充电，其在平滑负荷曲线方面的作用将十分显著，助力电网更好地应对用电压力。
3.2.2降低电网运行成本
借助有序充电和车网互动，电网可以减少对调峰机组等昂贵的备用电源的依赖，降低发电成本以及电网的建设和运维成本。同时，通过更好地整合利用现有电力资源，避免电力资源的浪费，实现经济效益的提升，对于缓解能源危机下的资源紧张局面有着积极意义。
3.2.3助力可再生能源消纳
新型电力系统中可再生能源的占比日益提高，但可再生能源具有间歇性、波动性等特点。电动汽车作为可灵活调节的柔性负荷，可以根据可再生能源的发电情况，适时调整充电策略，例如在风电、光伏发电充足的时段增加充电量，从而有效消纳这些不稳定的可再生能源，提高整个电力系统的清洁能源利用率，进一步契合双碳目标及能源可持续发展的要求。
四、电动汽车有序充电与车网互动关键技术问题
4.1有序充电控制技术
有序充电控制旨在根据电网的运行状态、用户的充电需求以及相关约束条件，对电动汽车的充电过程进行合理的引导和调控。常用的控制方法包括基于价格信号的控制，即通过峰谷电价等价格机制引导用户主动选择在低谷时段充电；还有基于电网调度指令的控制，由电网运营管理部门根据实时电网负荷情况向电动汽车发送充电功率、充电时间等指令进行控制。但我国庞大的电动汽车用户群体使得这些方法在实际应用中面临着用户响应程度不确定、控制信息传递及时性等问题，需要进一步优化，以确保有序充电控制能有效覆盖众多的电动汽车，保障电网稳定。
4.2充电设施优化规划
合理的充电设施布局对于实现电动汽车有序充电至关重要。需要综合考虑城市规划、交通流量、电网承载能力等多方面因素，确定充电桩的数量、类型（快充、慢充）以及安装位置等。以我国现有的电动汽车保有量和充电设施建设情况为例，在大型商业区、交通枢纽等人流量大且停车时间相对较长的地方，应适当增加快充桩的比例；而在居民区，则要结合居民用电负荷特点，合理规划慢充桩数量及分布，避免对小区电网造成过大冲击，同时满足不同区域电动汽车用户的充电需求，提升整个充电网络的合理性与有效性。
4.3与可再生能源发电融合技术
要实现电动汽车与可再生能源发电的深度融合，关键在于建立有效的信息交互和协同控制机制。一方面，需要实时获取可再生能源的发电功率、电量等信息；另一方面，要准确掌握电动汽车的充电需求和可调节能力。通过构建智能的能源管理系统，根据可再生能源的发电情况动态调整电动汽车的充电策略，确保可再生能源尽可能多地被电动汽车消纳，同时保障电动汽车的充电需求得到满足，尤其在我国大力发展可再生能源以及电动汽车日益普及的背景下，这种融合技术的研究与应用显得更为迫切。
4.4大规模有序充电调度与控制技术
随着我国电动汽车保有量的持续增长，面对大规模电动汽车的充电调度与控制成为一个复杂的系统工程。需要借助先.进的信息技术，如大数据、云计算、物联网等，对海量的电动汽车充电信息进行采集、分析和处理。同时，建立高效的调度模型和算法，综合考虑电网安全、用户满意度、可再生能源消纳等多目标优化问题，实现对大规模电动汽车充电行为的精.准调度与有效控制，以应对数百万辆电动汽车充电带来的复杂调度需求，保障电力系统的平稳运行。
五、安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展
5.1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。
5.2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。
5.3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。
5.4安科瑞充电桩云平台系统功能
5.4.1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。
5.4.2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。
5.4.3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。
5.4.4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。
5.4.5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。
5.4.6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。
5.4.7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
5.4.8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。
5.5系统硬件配置
类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
安科瑞充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 |
| 安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。 |
互联网版智能交流桩 | AEV-AC007D |
| 额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC030D |
| 额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC060S |
| 额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC120S |
| 额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
10路电瓶车智能充电桩 | ACX10A系列 |
| 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电 |
2路智能插座 | ACX2A系列 |
| 2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电 |
20路电瓶车智能充电桩 | ACX20A系列 |
| 20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电 |
落地式电瓶车智能充电桩 | ACX10B系列 |
| 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告 |
绝缘监测仪 | AIM-D100-ES |
| AIM-D100-ES系列直流绝缘监测仪可以应用在15~1500V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
绝缘监测仪 | AIM-D100-T |
| AIM-D100-T系列直流绝缘监测仪可以应用在10~1000V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
智能边缘计算网关 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。 |
扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | ||
扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G全网通 | ||
导轨式单相电表 | ADL200 |
| 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证 |
导轨式电能计量表 | ADL400 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证 |
无线计量仪表 | ADW300 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证 |
导轨式直流电表 | DJSF1352-RN |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证 |
面板直流电表 | PZ72L-DE |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证 |
电气防火限流式保护器 | ASCP200-63D |
| 导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。 |
开口式电流互感器 | AKH-0.66/K |
| AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。 |
霍尔传感器 | AHKC |
| 霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。 |
智能剩余电流继电器 | ASJ |
| 该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。 |
六、结论
在全球能源危机与双碳目标的双重驱动下，电动汽车有序充电与车网互动技术的研究与应用对于实现交通领域减碳、缓解能源压力以及保障电网的稳定、高效运行具有重要意义。尽管目前在有序充电控制、充电设施规划、与可再生能源融合以及大规模充电调度等方面还存在诸多技术问题，但通过不断探索相应的解决策略，提升各关键技术环节的水平，有望实现电动汽车与电网的和谐共生、协同发展，为我国乃至全球应对能源与环境挑战、达成双碳目标贡献积极力量。未来，还需进一步关注技术的更新迭代以及市场和政策环境的变化，持续完善相关技术体系，推动电动汽车产业更好地服务于双碳战略。
原创作者：南川区嶺绣山庄
