附录B 外文原文
BATTERY CHARGE AND DISCHARGE CONTROL FOR ENERGY MANAGEMENT IN EDV AND UTILITY INTEGRATION
CHAPTER 1
INTRODUCTION
1.1 Summary of Electric drive vehicles（EDVs）
Due to the plentiful consummation of gasoline and exhaust of the greenhouse gases, some environmental problems, such as global warming and non-renewable resources have become a critical problem which has attracted much attention from the whole world. Regarding transportation, vehicles not only consumed voluminous fossil fuel, but also released numerous greenhouse gases to the atmosphere. For this fact, a number of research institutions and automobile companies have gradually devoted their interests on researching and developing alternative energy resource to replace or restrict the gasoline consumption in conventional vehicles. As a substitute of conventional vehicles, Electric Drive Vehicles (EDVs) have gradually been accepted by the public in past decades. Hybrid electric vehicle sales in the United States have grown from 9,367 in 2000 to 324,318 through 2007. The term EDV has actually come to include several different vehicle technologies. The main types available today are listed below.
1. Hybrid electric vehicles (HEVs): A HEV is a type of hybrid vehicle and electric vehicle which combines a conventional internal combustion engine propulsion system with an electric propulsion system. The presence of the electric powertrain is intended to achieve either better fuel economy than a conventional vehicle, or betterperformance. Modern HEVs make use of efficiency-improving technologies such as regenerative braking, which converts the vehicle#39;s kinetic energy into electric energy to charge the battery, rather than wasting it as heat energy as conventional brakes do.
2. Electric vehicles (EVs): an EV uses one or more electric motors or traction motors for propulsion. Besides the capability of reusing the vehiclersquo;s kinetic energy to charge the battery as a HEV, an EV can also be powered by charging from external power source.
3. Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEVs): a PHEV is a hybrid vehicle which utilizes rechargeable batteries, or another energy storage device, that can be restored to full charge by connecting a plug to an external electric power source (usually a normal electric wall socket). A PHEV shares the characteristics of both a conventional hybrid electric vehicle, namely, having an electric motor and an internal combustion engine (ICE).
In fact, HEVs are the only type of EDVs which have been largely sold on the market in the past years. Due to the past technical restriction, the battery in a HEV was designed in a very small capability and is merely used to store energy from the kinetic energy. However, it has already been confirmed by the HEVs customers that this improvement dramatically increase gasoline efficiency and reduce exhaust emission comparing with conventional vehicles.Therefore, it is reasonable to believe that the PHEVs and EVs, which are seen as the next generation of EDVs, will provide a much better energy efficiency and performance than HEVs. Referring to IEEE-USArsquo;s Energy Policy Committee, “a PHEV is designed to possess following characteristics: (1) a PHEV needs to be equipped with a battery storage system with the capability of 4kWh or more, which is used to power the motion of the vehicle; (2) the battery system of a PHEV is able to be charged from an external source of electricity; and (3) the least driving distance of a PHEV has to be more than 10 miles (16.1km) in all-electric mode consuming without gasoline”.Referring to the characteristics listed above, the 10 miles minimum all-electric mode driving distance for a PHEV is the most dominant point than HEVs,since the 10 miles is long enough to satisfy the daily commuting distance to most people. Therefore, the gasoline consumption can be minimized into an impressive extent by the utilization of PHEVs. In the EVs case, it totally gets rid of ICE through a more powerful electric power storage device and electromotor than PHEVs. Due to current technical obstacles, such as energy storage device efficiency, capacity and life cycle, EVs confront more severe technical challenges than PHEVs. Since EVs can completely avoid the consumption of gasoline and can be fully charged by external electric source, EVs are seen as the update of PHEVs in the future.
1.2 Energy storage system of EDVs
The electrical energy storage system in the EVs, HEVs and PHEV is expected to be designed with sufficient energy capacity and adequate output peak power to satisfy real-world vehicle driving and acceleration performance. In addition, adequate cycle and calendar longevity of an energy storage system also play crucial roles in the performance of a PHEV or EV. Although the requirements of the energy storage units vary significantly depending on the various EDVs, it is certain that EDVs have brought severer challenges on the energy storage device than other applications. Regarding this fact, a common problem is presented that it is difficult to store a mass of electrical energy in an economical and efficient way. Capacitors are able to directly store electricity, but the quantities are small. Thus, the storage of electrical energy requires its conversion into another form of energy. A battery is a device that can store the electrical energy into chemical energy and release the energy by chemical reaction when it is needed.
From EDVs perspectives, a battery system is used to store the electric energy by vehicle regenerative braking or charged from external generator plant. Depending on the type of EDVs,the standard of a battery system is variable in many aspects, such as materials, size, weight,capability etc.The size of a PHEV battery system is supposed to be smaller than an EV battery,since the
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附录A 译文
EDV和公用事业一体化能源管理的电池充放电控制
第1章 介绍
1.1 电驱动车辆（EDV）的总结
由于汽油的过度使用和温室气体的排放，一些环境问题如全球气候变暖和不可再生资源已经成为一个备受世界关注的关键问题。就交通运输而言，车辆不仅消耗了大量的化石燃料，而且向大气中释放了不计其数的温室气体。为此，一些研究机构和汽车公司逐渐把兴趣放在研究和开发替代或限制常规汽油消费的替代能源车辆上。作为一种传统汽车的替代品，电动汽车（EDV）在过去的几十年中逐渐被公众所接受。美国混合动力汽车的销量从2000年的9367辆增加到2007年的324318辆。
EDV实际上已成为包括几种不同的汽车技术。如今主要的可用类型如下：
- 混合动力电动汽车（HEV）：HEV是一种将传统内燃机动力系统与电力推进系统混合的新型的混合动力汽车电动汽车。电力传动系统的存在是为了获得比传统车辆更好的燃料燃烧效率与性能。现代的混合动力汽车利用效率提高技术如再生制动技术，将车辆的动能转化为电能给电池充电，而不是像常规制动一样浪费它的热能。
- 电动汽车（EV）：EV使用一台或多台电动机或牵引电动机进行推进。EV除了能像HEV一样将车辆动能再利用外，还可以通过外部电源充电。
- 插入式混合动力电动汽车（PHEV）：PHEV是采用充电电池，或另一种能量储存装置，可以通过连接一个插头连接到外部电源恢复到全费（通常是一个正常的电插座）的混合驱动汽车。PHEV有常规混合动力电动汽车的特点，即有一个电动马达和内燃机（ICE）。
实际上，HEV是唯一一种在过去的几年里已经在市场上大量销售的EDV。过去由于技术的限制，HEV里的电池被设计为小容量并且只能用来存储能量和动能。但是，已经被HEV的用户证实，相对于传统车辆，HEV正在改进汽油效率和减少尾气排放。因此，我们有理由相信，被视为下一代电动汽车的PHEV和EV将提供一个比HEV更好的能源效率和性能比。根据IEEE-USA的能源政策委员会所言，PHEV的设计具有以下特点：（1）PHEV需要配备一个具有4kwh以上能量的电池存储系统，用来驱动车辆的运动；（2）PHEV的电池系统可以从外部电源充电；以及（3）PHEV在没有汽油的全电动模式下的行驶距离至少要超过10英里（16.1km）。结合上述特点，10英里的最小全电动模式较HEV的主要优势在于驾驶距离，因为10英里，足以满足大多数人的日常通勤距离。因此，使用PHEV可以将汽油的消耗量可以减少到一个令人印象深刻的程度。EV通过一个更强大的电力存储装置和电动机摆脱了ICE的限制。由于目前的技术障碍，诸如储能装置的效率、能力和生命周期，EV面临比PHEV更严峻的技术考验。EV由于可通过外部电源充电而完全避免汽油的消耗，被视为电动汽车的未来。
1.2 EDV的能量储存系统
在EV的电能存储系统，HEV和PHEV有望设计足够的能量和足够的输出功率，以满足实际车辆行驶和加速性能。此外，适当的循环和能量存储系统的日程寿命也在PHEV或EV的性能中起着至关重要的作用。尽管能量存储单元的要求基于各种EDV而显着变化，但EDV对能量存储设备的挑战已经比其他应用更为严格。基于这一事实，提出了一个共同的问题，即难以以经济和有效的方式存储大量的电能。电容器可以直接储存电量，但数量很小。因此，电能的储存需要将其转换成另一种形式的能量。电池是一种能够将电能储存在化学能中，并在需要时通过化学反应释放能量的装置。
从EDV的角度来看，电池系统被用于通过车辆再生制动来存储电能或者从外部发电机组充电。根据EDV的类型，电池系统的标准在材料、尺寸、重量、性能等等许多方面是可变的。PHEV电池系统的尺寸应该比EV电池小，因为PHEV需要的电能比EV低。同时，在PHEV中需要深充电能力和长循环寿命电池，而不是HEV中的浅放电电池。而且，PHEV电池必须具有高能量密度和高功率输出以及较长的寿命周期以获得可接受的加速和行驶距离。目前，两种高效电池，镍氢电池和锂离子电池被看作是PHEV和EV车型中最普遍的。
1.3 EDV的充电策略
传统的三种充电水平是由电力研究所定义的，并且同相应的功能要求和安全系统一起在国家电气公司编码。首先，在120V电压和20A电流的电力标准下，AC的1级充电方案是3个级别中的最慢充电方案。通常，1级充电方案可能花费超过8小时来填充10kWh这样的大容量电池组。而且，1级方案的充电器非常简单，充电设备可以结合在车辆上，使其能够在任何家用电源上进行充电。2级AC充电方案使用240V，30A分支电路。 这种单相充电比一级具有更高的充电速度和更昂贵的充电设备。然而，充满大容量2级充电方案的EDV电池然需要花费数小时。因此，1级和2级方案都应该用于家庭车库或公寓大楼的过夜收费。3级直流充电方式是480V三相分支电路中3个级别的充电方式中最快的。理论上，PHEV或EDV电池在10-15分钟内可以获得50％的能量，按照这个充电水平，3级充电方案可以为EDV客户提供与当前加油站相同的加油体验。与1级和2级方案不同的是，快速的充电效率要求在充电过程中有更高的功率补充，这是国内电力供应不能提供的。因此，有必要建立一个并网电动汽车充电站来实现3级快速充电。
1.4 论文的目的
本论文的目的是研究电动汽车充电站等车载综合系统的蓄电池充放电控制策略。在下面的章节中，论文首先介绍了综合效用和车辆系统的典型配置——第二章中的并网EDV充电站。第3章介绍了使用数学和电路导向方法进行串联电池建模的比较。第4章介绍了电网侧变流器（GSC）的直流控制机制。第5章介绍了EDV侧变流器（ESC）的电池充放电管理控制机制。第6章给出了充电站性能评估的实时仿真系统。最后，本文总结了要点。
第二章 EDV和电力公用事业一体化电池能源管理的概述
由于EDV技术的快速发展，预计美国的电力和交通系统将因交通系统的电气化而日益融合，难以区分。EDV电池集成的一个重要问题是EDV电池的功率控制和管理。
2.1 EDV和电网中的电池
由于随着时间的推移能源生产和消费的高度可变性，高容量电池将适应这种能源生产和消费的可变性。在能量的产生高于消耗的时间内，电池可以被充电以储存额外的能量。相反，电池可以放电，并将储存的能量送入电网，以满足电网高峰负荷期间的需求。这样，传统发电机组的发电量不需要急剧增减，以满足一次性消耗，提高了效率，降低了能源生产成本，有利于间歇性能源如光伏发电和风力发电的使用。
另一方面，电池存储系统是EDV最关键和昂贵的部件之一。由于EDV电池的化学结构本质上，EDV电池的健康受到内外环境的严重影响，不正确的充电或放电过程可能会容易地缩短EDV电池的使用寿命并削弱其性能。从经验来看，经常性更换电池和充电设备等的成本被认为是EDV客户的一个沉重负担。尤其是对于PHEV和EV，这两种EDV需要比传统混合动力车更长的电池充放电周期。考虑到充放电循环深度对EDV电池寿命周期的负面影响，PHEV或EV的电池寿命可能远远低于传统的HEV。对于这些事实，需要在PHEV和EV应用中考虑一系列设计问题，包括充电/放电控制策略以及电池寿命、容量、散热、重量、成本和安全性的权衡。特别地，EDV充电本文旨在实现SAE J1772（汽车工程师协会提出的一个适用于电动汽车充电连接器的标准）中定义的3级快速充电体验，并将由于快速充电引起的EDV电池的损坏降至最低。
2.2 并网EDV充电站的控制
电网综合EDV充电站是为PHEV或EV的充电提供电能的基础设施。
图2.1 纽约中央公园的EDV充电套件
随着插电式混合动力汽车和电动汽车用户数量的不断增长，近年来电动车充电站的需求也在不断扩大。目前，大多数充电站还是通过国内供电，目的是为EDV提供一级和二级充电方案。图2.1显示了纽约中央公园的家庭用电充电套件。尽管1级和2级充电方案比快速充电站更容易装备，对大多数家用电源具有成本低和兼容性广的优点，但充电时间仍然是阻碍PHEV和EV普及的因素之一。因此，具有快速充电和其他功能的快速充电站被认为是实现未来EDV推广的更好的解决方案。
用于快速充电方案的电网一体化EDV充电站主要包括三个部分：一系列EDV，电力电子转换器和一个集成控制系统。电力转换系统含有两种类型的电流调节电压源PWM转换器，包括一个网侧变流器（GSC）和一系列EDV侧变流器（ESC）。 如图2.2所示，DC-Link电容器与电路中间的电网侧转换器（GSC）组合，用于在电网的三相电压和EDV的直流电压之间进行转换。直流母线连接一系列EDV，每个EDV配备一个DC-DC转换器。在电路的左侧，在电网和GSC之间引入三相LCL滤波器，以消除高阶频率振荡。
图2.2 并网EDV充电基础设施的配置
与传统的交流总线架构相比，直流总线结构更适合于目标EDV充电站。对于传统的基于AC总线的系统，AC总线由变压器建立，并且每个功率终端客户与AC-DC转换器并置。为了获得直流电源，终端用户还配备了一个DC-DC转换器（图2.3）。实际上，AC系统已经使用了很多年了，现在已经有了很好的标准和技术。另一方面，直流总线架构利用一个高功率3相AC-DC转换器而不是基于AC总线架构的多个AC-DC转换器。由于大部分可再生能源和EDV都是一起连接在一个普通的直流母线，这种架构提供了一个更方便的方式来整合EDV和可再生能源发电机。而且，DC总线架构的转换较少也提高了站的效率并降低了成本。因此，本文采用基于直流总线的结构。
图2.3 电网连接EDV充电基础设施与交流总线
2.3 动态电价和V2G，G2V，V2V功能
如前所述，电力在生产成本上与大多数传统商品是截然不同的，因为它几乎不能经济地储存。这意味着电力需求在电力市场上占据主导地位。而且，电力需求变化很大，每天都在变化。针对这些电力特点，在电力需求低潮期间，部分电量处于闲置状态，而当电力需求高峰时，电量则处于最高水平。关于这两个事实，电价由于供求关系的影响，高峰需求远高于低峰需求。同时，电网在最大容量的情况下，发电成本也会提高电价。因此，电价应以随时间波动的动态价格出售，以反映由供需造成的电价的实际价值，而不是传统的平价价格结构。动态电价在当天和一年中的某个时间内可能会相当高。
目前，电力公司通常在其动态定价计划中使用小时日前实时价格（RTP）结构，其中整个第二天的小时电价在日前公布。南加州爱迪生公司（SEC）和纽约爱迪生公司的RTP关税都在进行这项申请。图2.4显示了对应于不同天气条件（即轻度[lt;80°F]、中度[81°F-84°F]、热[85°F-90°F]、非常热[91°F-94°F]、极热[gt; 95°F]）的五个夏季工作日中SEC的RTP税率，两个冬季工作日的情况以及两个夏季和冬季的周末情况。图中所示的电量的实际值在这些测试平日期间是显着变化的。特别是在一些炎热的日子里，不可能用传统的平价价格结构来准确地反映实际电价。
图2.4 在不同的季节和日期是SEC的动态电价
由于电价变化较大，开发G2V，V2G，V2V功能成为EDV充电站最为引人注目的功能。对于G2V运行模式，EDV在低需求期间从电网吸收电力，此时电力的流动方向是从电网到EDV。根据具体情况，有些EDV也可能处于充电模式，而其他EDV正在放电。这个过程被称为V2V模式，在这种模式下，动力从车辆转移到其他车辆。而在V2G运行模式，充电站向电网供电。综合充电站的这种功能在电力价格保持高水平的高峰需求状况下是特别有利的。
第三章 基于数学和电路定向的电池建模综述
3.1 电池建模简介
由于充放电特性的复杂性和电池的相对损坏特性，有必要建立精确的电池模型，让充电站的设计更加高效和可靠。世界各地的研究人员已经开发了各种不同复杂程度的电池模型。两种主要的建模策略是数学和面向电路的建模策略。
传统上，数学电池模型主要基于Shepherd关系来预测系统级行为，例如电池运行时间、效率或容量。但是，大多数传统的数学电池模型被认为仅适用于特定的应用，并且可能结果存在5％-20％的误差。许多最近的数学电池模型通过添加和修改传统电池模型的术语来显着改善，以放宽Shepherd模型背后的假设，其被认为能够在电流变化时以及当考虑电池时更准确地表示电池电压动态年龄、历史和充电/放电制度。
面向电路的电池模型是使用电压源，电阻器和电容器的组合电气等效模型，并且通常由电气工程师用于与其他电路和系统的协同设计和协同仿真。有很多面向电路的电池模型。类似于数学电池模型的发展，面向电路的电池模型也经历了从早期的低精度基于戴维宁和基于阻抗的电池模型到最近开发的更精确的基于运行时的RC网络电池模型的发展。
由于电池模型在两个不同方向上的发展，使用两种建模方法来研究关系，差异和计算复杂性变得非常重要。本章首先简要回顾3.2节中对电池模型开发非常重要的电化学特性。3.3节介绍了数学电池模型，包括基于MatLab SimPower Systems的改进电池模型。3.4节给出了典型的基于电路的电池模型及其与数学电池模型的关系。3.5节研究参数提取以及与使用两种不同建模方法的模型提取相关的计算复杂性。3.6节给出了不同充电和放电应用的数学电池模型的性能评估。
3.2 各型号的电池特征 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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