电动车辆系统的大规模充电的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权声明
[0002] 本发明要求2012年7月23日提交的序列号为61/674,488的美国专利申请的优 先权。
[0003] 政府咨金咨助
[0004] 本发明得到美国国家自然科学基金的资助，资助授权号为CCF-1018115及 CNS-1135844。美国政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
[0005] 本发明主要涉及电动车辆领域，更具体地，涉及一种同时对多辆电动车辆充电的 系统和方法。大规模充电设施包括智能能源管理系统，该系统使用硬件-软件架构来管理 利用多种能量供应源为多辆电动车辆同时充电的行为。
【背景技术】
[0006]交通系统的电力化是向清洁和可持续发展社会迈进的一个关键驱动力。向基于电 动车辆的交通运输系统过渡的核心是建立大规模的充电基础设施，即在公共停车设施、工 作场所和公寓大楼等设立的电池充电系统，在上述这些地方，大量的电动车辆同时进行充 电。对于不能够选择在家充电的人口密集的城区而言，大规模的充电基础设施是很有吸引 力的。
[0007] 电动车辆充电带来了超出传统加油站商品交付操作的重大挑战，因为电力交付的 所有方面必须适应联网的电力网的要求。电动车辆产业有多个利益相关方，包括政府及其 管理者、车辆制造商、公用事业单位、基础设施技术提供商和城市规划者。近年来，这些利益 相关方一直在为即将到来的巨大的电动车辆市场积极推动实用的解决方案，目前的一个热 点是建造随处可及的公共充电基础设施。
[0008] 政府管理者之前总是支持和刺激对在能源和环境领域具有潜力的新兴事业进行 投资，将其作为其长期策略，但目前也特别关注电动车辆事业和电动车辆充电基础设施。 加利福尼亚州、华盛顿州、俄勒闪州和弗罗里达州等，以及其他一些州，正在建造上百个电 动车辆公共充电站。
[0009]车辆制造商们和基础设施技术提供商们一直对电动车辆产业将带来的巨大现金 流充满了希冀，他们正在与另一个不可缺少的驱动力（公共事业单位）一起采取行动。IBM、 本田汽车和太平洋煤气电力公司最近启动了一个试验性的合作项目，以证明对每个电动车 辆电池进行充电调度优化从而持续满足用户和电力网的需求的能力。
[0010] 私募股权投资公司和风险投资家也在冲进这个领域，雄心勃勃地试图使整个世界 脱离化石燃料车辆。私募股权投资公司和风险投资家的参与带来了电动车辆充电产业的创 业潮，这也再次显示了这个市场的巨大潜力。
[0011] 快速充电和无线充电设备等新技术正在涌现。其他许多新技术也在催生类似的商 业机会，对于电动车辆公共充电的未来而言，一种合适且可持续盈利的商业模式是至关重 要的，该商业模式包括但不限于在电动车辆公共充电基础设施中采用划算的管理、计量和 收费策略，以将电动车辆并入到互联网络的巨大图景中。
[0012] 使用电动车辆的一个好处是其环境效益。然而，电动车辆充电站通常连接到电力 网，这通常意味着它们的电力来自化石燃料电站。为了充分利用电动车辆的优势，诸如太阳 能和风力发电等清洁可再生能源应当参与为电动车辆充电的行动。这需要克服一些集成间 歇性可再生能源的技术难题，以满足电动车辆客户的需求。
[0013] 关于电动车辆充电调度的问题，目前人们已提出大量的模型和优化技术。其中提 出的一种技术包括离线分散式协议，使电动车辆车主与充电设施协商日前的家用电动车辆 充电价格和充电时间，使充电负荷填补夜间需求低谷。提出的另一种技术将家用电动车辆 的充电调度问题转化为一个最优能流（OptimalPowerFlow,OPF)问题，然后利用OPF的求 解结构进行充电调度。另一种技术则考虑了（具有固定的能量供应源的）公共停车场的电 动车辆充电问题，采用了一种探索式的优化方法。另外，已经研宄了将可再生能源用于电 动车辆充电并考虑储备的需求；但是，没有考虑价格机制。其他一些技术则考虑了对电动 车辆的充电管理，以及潜在考量可再生能源扩张所需的其他调整服务。另外一种技术则考 虑了将停车设施用作能源交换站以用于车辆到电网（Vehicle-t〇-Grid，V2G)的应用的想 法，这种技术展示了将电动车辆作为能源储备以用于管理需求方的优势。还有一种技术 则提出一种分散算法，以协调非合作博弈框架下的电动车辆自治充电行为，该算法收敛于 接近实现理想解决方案（安排电动车辆充电负荷去填补夜间用电低谷）的纳什均衡（Nash equilibrium)〇
[0014] 虽然存在无管理的充电行为（即在没有中央控制器进行任何协调的情况下，电动 车辆车主在到达充电设施的时刻即对他们的车辆进行充电的集合行为），但对于大规模的 充电基础设施而言，仍然存在对大量电动车辆同时充电进行管理的需要。
【发明内容】
[0015] 本发明提出了一种对大量的电动车辆（ElectricVehicle,EV)同时充电进行 管理的基础设施。电动车辆包括插电式混合动力电动车辆（Plug-inHybridElectric Vehicle,PHEV)和纯电动车辆（BatteryElectricVehicle,BEV)。根据本发明，电池充电 系统可以在以下场所实施：停车库、二维（2D)停车场、三维（3D)停车场，可能在街边停车场 或者任何对大量电动车辆同时进行充电的地方，比如，在公共停车设施、工作场所或者公寓 大楼。
[0016] 该基础设施包括智能电源管理系统，该系统为硬件-软件架构，以通过一些由网 络切换器（networkswitch)控制的电动车辆充电端口接入一个或多个电源，这些电源例如 是可再生能量供应源、本地存储电源和电力网电源等。根据本发明的基础设施提供了一种 创新的商业模式和一种有效的方法，以便将多个电源整合起来，通过利用灵活的充电调度 和规模效应的优势来最大限度地降低运营成本，降低在电力网上进行无管理充电行为的负 面影响，以及聚集需求方的响应而向电力网出售辅助服务。
[0017] 中央处理单元（CentralProcessingUnit，CPU)部件一方面与大量联网的电动车 辆对接，另一方面与能量供应源对接，所述能量供应源可以包括例如配置的诸如太阳能电 池板或风车的可再生能源，诸如安装的蓄电池组或用于电池更换服务的电池的本地存储电 源，以及电力网电源。
[0018] 更具体地，该CPU组件具有三个功能模块。电力分配模块提供可再生能源、电力网 和本地存储电源的最优电力组合。调度模块根据多种因素使获利最大化，这些因素包括电 动车辆车主特定的充电需求、可再生能源电源的可用性、本地存储电源的状态、电力网上的 实时电价和辅助服务的实时价格。例如，对于商场停车库的情形，充电需求可指定所期望的 电池充电量和截止时间，电动车主在该截止时间前后完成购物。电动车辆车主也称为"客 户"。接纳控制模块确定每个正在到达的电动车辆充电请求的可盈利性，以及管理客户的报 价和结账。
[0019] 网络切换部件（networkswitchcomponent)的作用与互联网中路由器的功能相 类似。受调度模块控制，该网络切换部件激活网络切换器的特定充电端口，以利用各个客户 设置的充电需求的内在灵活性。该架构可以采用二级（leveltwo)电动车辆充电器（比 如，AC电源输入到车载充电器，208 - 240伏特，单相，最大电流32安培，最大连续输入功率 7. 68kW)实现，软件层运行在硬件层之上，以执行对网络切换器的控制。
[0020] 用于给电动车辆充电的调度模块控制电力分配模块和接纳控制模块。调度模块在 截止时间约束条件（比如，客户需要将他们的电动车辆充至指定的电池电量和在指定的取 回时间前充电）下使获利最大化。为此，调度模块连续不断地监控所有停放的电动车辆的 充电状态，检查本地存储电源的状态，以及电力网的辅助服务和电的实时价格，并预测可再 生能源的可用性。为了使大规模充电系统平稳运行，调度模块必须具有较低的复杂度并能 实时运行。
[0021] 在收到新客户的充电请求后，调度模块对所有停放的电动车辆的充电状态和能量 供应源的当前信息进行综合分析，并计算正在到达客户请求的可盈利性。调度模块将估计 的可盈利性传递给接纳控制模块，以便确定给正在进入的新客户的报价。一旦客户接受报 价，包含具体充电电量和截止时间的合同即成立。然后，调度模块相应地调整各电动车辆的 实时充电计划表。
[0022] -旦预测到可再生能源的低可用性时间段，调度模块确定如何恰当地组合使用各 种电源，以维持顺利运作和期望的利润，比如，可以从电力网购买电能以对冲可再生能源供 给的不连续性，或者可能需要本地存储电源放电。
[0023] 调度模块还会就本地存储电源的充电/放电决定与电力分配模块通信，比如，可 以在电费低的晚间时段或者在有大量可再生能源可以利用的时候进行对本地存储电源充 电。
[0024] 本发明分摊到每辆电动车辆上的计算复杂度为O(logn)，其中n为服务的电动车 辆数量。研宄显示，对于商场停车库场景，与无管理的充电行为相比，在低流量情况