邱健蓄电池通过后向归纳的模型预测控制利用纯电动汽车储能潜力实现家庭节能

纯电动汽车(BEVs)凭借其运用清洁动力的才能、平稳运转和低噪音特性，正在不断扩大商场份额，污染物排放以及保护需求。电池作为BEV关键技能之一，其功能直接影响车辆本钱与续航路程这两个顾客最重视的方针。尽管BEV的能量存储才能一般超出通勤需求，电池还可用于家庭动力办理体系选用双向充电技能。本文提出一种高效动力办理体系用于智能家居配备纯电动汽车和双向充电器的最优操控问题经过拟定电池充放电战略以最小化动力耗费与本钱的决议计划过程。为此，本研讨根据当周数据猜测未来数周的电价与开销，并选用完好体系模型，经过后退时域法中的逆向归纳求解最优计划。所提出的战略依赖于近期家庭及车辆能耗数据与动力价格的实时可用信息。研讨结果标明，在所述运用场景中可完成超过20%的电力本钱下降。

导言

纯电动车辆(BEVs)作为潜在的零排放处理计划，被视为内燃机车辆(ICEVs)的重要替代选择[1][2]。电动汽车(EVs)的转型已明显影响全球交通商场，其销量激增即为明证：2022年全球新车销量中电动汽车占比达14%[3]。在技能进步和锂离子电池本钱下降的推动下（2010年至2019年间价格降幅超80%[4][5]），这一增加趋势估计将继续。$1000kWh−12010年的$156kWh−12019年[4][5]。
尽管电池本钱日益下降，其仍是纯电动汽车价格的重要构成部分。但是，这些电池的才能不只限于为车辆供给动力；经过车家互联（V2H）与车网互动（V2G）技能[6][7]，它们还可在家庭及电网动力办理中发挥关键作用。这些技能使纯电动汽车能够作为可逆储能体系运转，既可在用电顶峰时段为家庭供电，亦可向电网回馈能量[8]。
此外，通信技能的进步使得优化大型家用电器能量流动的信息获取更为便捷。因此，智能家居动力办理体系（SHEMS）估计将为未来可继续性成果方针的完成作出重要奉献[9][10]。这些体系不只支撑家用电器的独立操控，还能施行旨在改动消费形式的电网办理办法[11]。此外，经过整合需求呼应、储能技能、家庭自动化和自适应操控等战略，可进一步进步能效。这些办法经过根据电价信号和电网状况战略性调整用电形式，完成能耗优化[12][13]。
随着电动汽车普及率的继续进步，经过V2G与V2H技能完成其与家庭及电网动力体系的整合将至关重要。这类整合不只进步了纯电动汽车的实用价值，更对进步全体动力功率与下降用能本钱具有明显奉献[14][15]。
当时大多数关于智能家居的研讨聚焦于运用可再生动力（如光伏电池与风能）发电以满足家庭电力需求平衡，却未触及电动汽车的储能潜力。这一结论可经过文献计量剖析（图1）得以验证——相关研讨以智能动力办理为中心主题，无论其研讨对象是家庭用电、电网体系抑或家用电器。
剖析标明，与家庭动力办理体系（SHEMS）相关的研讨首要聚焦于四个范畴：电动汽车（赤色聚类群组）——该方向首要研讨电网与车辆储能体系的联合优化战略。值得注意的是，"车辆到电网（vehicle to grid）"主题的低频呈现提醒了这一新式研讨范畴的潜力；动力办理体系（绿色聚类群组）——致力于规划操控战略并开发更优的动力优化办法；物联网（蓝色聚类群组）——探究经过联网/云端设备进步动力办理功率和用户体验的路径。最终是黄色聚类群组，其间心关键词虽包含智能家居、电网及电器设备，但"动力办理体系"这一术语的呈现频次最为明显。
在调查这些研讨对家庭动力办理体系（HEMS）前沿发展的奉献时，不同学者提出了全面总述。例如，聚焦于整合可再生动力住所的研讨——如Balakrishnan和Geetha[16]与Shareef等人[17]的成果——深入探讨了可继续技能如何明显下降能耗并进步住所动力自主性。Balakrishnan与Geetha[16]研讨了不同寓居条件及气候环境下的家庭动力办理体系，着重配电中心与用户之间双向通信对有用办理动力生产与消费的必要性。Shareef等人[17]则着重剖析了需求呼应东西在HEMS中的集成运用，该机制经过综合考虑动力本钱、环境影响及用户舒适度（依托智能技能强化），完成了消费时段的优化调度。
此外，Natarajan等人[18]深入研讨了物联网对动力办理的影响，该研讨经过Wi-Fi和智能手机传感器完成基于物联网的智能调度与住所 occupancy detection（占用检测），从而进步检测精度与动力办理功率。类似地，Sharda等人[19]探讨了智能电网中施行需求侧办理的应战，要点剖析了家用电器的特性表征与可再生动力的整合问题，这对开发符合实际的优化算法至关重要。McIlvennie等人[20]对SHEMS进行了跨学科元总述，指呈现有研讨首要集中于技能操控层面而缺乏以用户为中心的办法整合，主张转向更全面的处理计划以完成有用的动力办理。
该常识的成功运用体现在Ali等人[21]的研讨中，他们评估了可再生动力与家庭动力办理体系（HEMS）的集成，并着重了智能电网在进步动力功率和最小化耗费方面的作用。与之互补的是，Han等人[22]探讨了HEMS的社会经济优势，包括经过家庭配备的战略操控与调度下降居民用电本钱，并进步公用事业动力体系的运转功率。这些研讨提醒了动力运用的实时监测如何与家用电器的猜测性保护战略相结合，从而促进高效的动力分配和智能电网集成。
在智能家居深度整合操控与监测功能的布景下，旨在下降住所能耗（特别是家电和供暖体系）的战略被证明既能坚持既定热舒适水平，又能有用节能。Zheng等[23]经过提出一种住所光伏-电池体系的集成SHEMS模型，选用杂乱的两阶段随机规划办法处理可再生动力交换和不完美猜测等应战，为此供给了范例。类似地，Lotfi等[24]研讨了家庭动力办理体系（HEMS）与电动汽车停车场办理体系之间的协同机制，提出了一种混合整数线性规划办法，该办法在不将电动汽车充电直接归入住所动力办理的前提下，优化了智慧城市中的动力资源办理。
为拓展电动汽车在家庭动力体系中的整合范围，Ameur等人[25]的研讨经过将电动汽车充电时间优化归入更广泛的家庭动力办理战略，开端着手处理这一范畴的研讨空白。该研讨办法尽管归入了电动汽车要素，但首要将其视为体系中的被动元件，要点重视经过优化充电时段来下降用能本钱并减轻电网负荷。
在这些重要发展的基础上，近期研讨开端探究电动汽车在家庭动力体系中的自动运用。Ben Arab等人[26]提出了一种分层动力办理框架，其间电动汽车电池扮演双向人物：不只从电网或家庭动力中获取电力，还能向家庭或电网反哺能量，经过战略性充放电有用滑润功率曲线并下降电费开销。无独有偶，Tostado-Veliz等人[27]开发了一种针对智能电网社区内动力交易的新式调度模型，该研讨着重了包括电动汽车电池在内的储能财物在经过双向能量流进步能效和下降本钱方面的重要作用。这些研讨提醒了将电动汽车作为自动元件整合至SHEMS（智能家居动力办理体系）中的潜力，与本研讨的方针高度符合——当时研讨同样将车载电池作为双向储能体系，并将其整合至动力办理战略中。
为使本工作对前沿范畴的首要奉献更易于呈现，表1展现了所提办法与同范畴研讨的对比剖析。
与文献中胪陈的现有办法不同，本研讨的创新性奉献在于将住所动力办理体系与电动汽车电池储能计划进行全面整合。基于当时研讨布景及前文讨论的技能，本文提出了一种新的战略以最小化智能家居的动力本钱。经过操控纯电动汽车（BEV）电池作为能量缓冲装置，该战略有用下降了顶峰时段的电网能耗。这一战略经过将家庭动力办理与纯电动汽车电池的动态充放电整合至统一操控体系中，一起基于前史数据和当时值考量未来动力需求与价格波动，直接处理了常识缺口问题。
本研讨开发了一个集成电动汽车的住所降阶模型，该模型结合了典型家庭用电形式和前史动力价格数据。该模型需预先获取首要家用电器的能耗数据、近期动力价格信息以及电动汽车的前史运用形式。经过选用逆向归纳法（BI）与模型猜测操控（MPC）相结合的两层优化战略，对问题进行了求解。
逆向归纳法用于创立周时间尺度下的"本钱-to-go"矩阵，该矩阵被归入本钱函数中（即一个表示从恣意给定状况出发未来决议计划累积本钱的矩阵[33]）。这种长时间规划保证体系能综合考虑未来动力需求与价格波动。与此一起，模型猜测操控（MPC）办法以日时间尺度优化短期运转决议计划。MPC经过重复求解有限移动时域的最优操控问题（OCP），继续运用最新信息更新体系状况与扰动变量。这种两层办法将MPC的即时调整才能与BI"本钱-to-go"矩阵供给的战略前瞻性相结合，完成了短期运转决议计划与长时间战略规划的协同优化。经过这种集成办法，体系在保证动力耗费与本钱效益最优化的一起，坚持了运转适应性与经济可继续性。
与其他以用户为中心的办法相比，本文提出的战略具有明显优势。该战略选用两层办法，经过BI完成长时间战略规划与经过MPC进行短期运营决议计划的整合。传统的以用户为中心办法一般仅依赖短期优化，这可能导致无法考虑未来不确定性与长时间规划[34]。
此外，该办法运用前史动力价格数据与典型家庭运用形式，进步了动力办理体系的猜测准确性与适应才能。传统办法一般运用前史数据建立静态模型来猜测未来趋势，而不会继续更新这些数据或模型本身[21]。相比之下，所提出的办法保证操控体系继续获取过往数据，动态更新其猜测，并进步其对实时变化与干扰的呼应才能。