電動(dòng)汽車充電站需求影響因素及預(yù)測(cè)方法

許文超 ，牛 濤 ，顏淋麗 ，韓 鑫

（1.江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇南京211102；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京210096）

電動(dòng)汽車在節(jié)能減排方面表現(xiàn)優(yōu)異，成為部分購車者在選擇新能源汽車時(shí)的首選[1]。隨著電動(dòng)汽車的融入，其對(duì)城市供電能力的需求也在日益影響著城市現(xiàn)有的供配電體系。因此，對(duì)電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)規(guī)模進(jìn)行規(guī)劃研究具有重要意義。目前對(duì)電動(dòng)汽車充電站的需求預(yù)測(cè)、充電站建設(shè)規(guī)劃還沒有比較成熟的方法。由于電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)規(guī)模與其能提供的配電系統(tǒng)直接相關(guān)，充電站的需求電量不能完全反映充電站的建設(shè)規(guī)模。在實(shí)際的充電站建設(shè)中，不同配電功率的充電設(shè)備對(duì)應(yīng)不同的供電需求。將不同配電功率的充電設(shè)備進(jìn)行等級(jí)匹配，可以滿足絕大部分的電動(dòng)汽車需求，同時(shí)也直接影響了充電站的規(guī)模。因此，假設(shè)充電站的服務(wù)時(shí)間固定不變，采用配電功率作為充電站需求預(yù)測(cè)的中間目標(biāo)是合理的。

1 充電站規(guī)模影響因素分析

（1）電動(dòng)汽車保有量。保有量對(duì)充電站規(guī)模的預(yù)測(cè)有著顯著的影響。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和保障新能源汽車發(fā)展政策的推行，電動(dòng)汽車的保有量將逐年上升，對(duì)充電站的需求大幅增大，對(duì)充電站的配電功率要求也逐漸提高?，F(xiàn)已對(duì)江蘇省充電站建設(shè)發(fā)展較快的城市進(jìn)行了相關(guān)調(diào)研，各地方2015年關(guān)于電動(dòng)汽車保有量與配電功率需求的數(shù)據(jù)如表1、圖1所示。在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，在其他影響因素不變的情況下，得出電動(dòng)汽車保有量與充電站規(guī)模成正相關(guān)關(guān)系。從表1、圖1中可看出，隨著電動(dòng)汽車保有量的增長(zhǎng)，充電站的配電功率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

（2）電動(dòng)汽車每次充電功率。根據(jù)前文分析，取配電功率作為充電站需求預(yù)測(cè)的變量指標(biāo)。顯而易見，每輛電動(dòng)汽車每次充電功率的大小對(duì)充電站規(guī)模的影響成線性關(guān)系。在其他相關(guān)因素相同的情況下，電動(dòng)汽車每次充電功率越大，充電站配電功率呈線性增長(zhǎng)，充電站的規(guī)模也將越大。

表1 電動(dòng)汽車保有量因素

圖1 電動(dòng)汽車保有量與充電站配電功率關(guān)系

（3）電動(dòng)汽車動(dòng)力電池特性。動(dòng)力電池特性包括平均日充電次數(shù)、一次充電完成后的續(xù)駛里程、充電時(shí)間和每公里耗電量[2]。對(duì)于同樣的日行駛里程，電動(dòng)汽車每日充電次數(shù)越多，說明其一次充電完成后續(xù)駛里程越短，每公里耗電量越多，若充電時(shí)間較長(zhǎng)，則電動(dòng)汽車不能滿足日常正常行駛的需要[3]。因此在某種程度上，應(yīng)限制電動(dòng)汽車一次充電時(shí)長(zhǎng)。在這種情況下，配電功率的需求越大，充電站的規(guī)模也隨之越大。

（4）電動(dòng)汽車日平均行駛里程。一般意義而言，每天行駛里程越長(zhǎng)，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池需提供的動(dòng)力能量越大，在充電時(shí)間及其他相關(guān)因素?zé)o差別的情況下，充電站配電功率越大。理論分析表明，充電站的規(guī)模將隨電動(dòng)汽車的日行駛里程數(shù)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，在其他影響因素不變的情況下，電動(dòng)汽車每天平均行駛里程與充電站規(guī)模成正相關(guān)的關(guān)系。為驗(yàn)證分析結(jié)果，對(duì)江蘇省各城市電動(dòng)汽車的日行駛里程進(jìn)行了調(diào)查，得到各地方2015年關(guān)于電動(dòng)汽車日平均行駛里程與配電功率需求的數(shù)據(jù)，如表2和圖2所示。

表2 電動(dòng)汽車日平均行駛里程因素

圖2 日平均行駛里程與配電功率關(guān)系

電動(dòng)汽車充電站的需求預(yù)測(cè)不能通過現(xiàn)有的仿真軟件實(shí)現(xiàn)，如何考慮單因素變化下電動(dòng)汽車充電站配電功率的變化是建立需求預(yù)測(cè)模型的前提和基礎(chǔ)。通過對(duì)充電站規(guī)模影響因素進(jìn)行分析，尋找直接影響因素，將其作為需求預(yù)測(cè)模型的自變量，從而提出預(yù)測(cè)模型。

2 充電站需求預(yù)測(cè)模型

電動(dòng)汽車充電站規(guī)模必須考慮每臺(tái)充電機(jī)能提供的充電功率。若充電站只配置一臺(tái)功率最大的充電機(jī)，在若干臺(tái)動(dòng)力電池特性不統(tǒng)一的電動(dòng)汽車需要同時(shí)充電時(shí)，會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)。降低充電機(jī)工作功率可減小此類浪費(fèi)情況，但卻將延長(zhǎng)充電時(shí)間，而且并不能滿足快速充電的要求[4]。

充電站需求預(yù)測(cè)，首先分析城市電動(dòng)汽車的車輛現(xiàn)狀，根據(jù)車輛保有量的預(yù)測(cè)，確定電動(dòng)汽車充電站的各種影響因素，將其量化，然后建立量化的影響因素與充電需求的數(shù)學(xué)模型關(guān)系，最終得出電動(dòng)汽車充電站的合理規(guī)模。在模型建立階段，將配電功率定義為變量X。根據(jù)上述分析，電動(dòng)汽車充電站的總充電需求應(yīng)該滿足地區(qū)電動(dòng)汽車用電量的總消耗，類似于加油站需求預(yù)測(cè)[5]，充電站的需求預(yù)測(cè)模型為：

式中：X為配電功率，kV·A；M為模型修正系數(shù)，數(shù)值范圍0～1；Q為區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車保有量，臺(tái)；S為單次充電平均續(xù)駛里程，km；P為每公里耗電量，VA·h/km；T為平均充電時(shí)間，h；N為充電次數(shù)，次；L為每臺(tái)電動(dòng)汽車日平均行駛里程，km。

考慮家庭自充等因素，并不是所有電動(dòng)車在充電站充電，因此需要模型修正系數(shù)M，其數(shù)值為0～1。同時(shí)，不同城市不同類型的電動(dòng)汽車日平均行駛里程有很大差異，不同類型的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池性能也有很大差異，從而每公里耗電量也不一樣。此外，隨著技術(shù)革新，動(dòng)力電池的性能會(huì)不斷提高，單次充電續(xù)駛里程、充電時(shí)間都將會(huì)發(fā)生變化。充電站的充電需求將隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的更新而不斷發(fā)展變化。

3 充電站建設(shè)規(guī)模

根據(jù)充電站建設(shè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，按照充電站的配電功率和設(shè)備數(shù)量可將充電站規(guī)模分為3類：大型充電站、中型充電站和小型充電站；同時(shí)根據(jù)充電機(jī)的充電能力、功率，將充電設(shè)備分為大型充電機(jī)、中型充電機(jī)、小型充電機(jī)以及交流充電樁等。各類充電站規(guī)模和充電機(jī)的配電參數(shù)如表3、表4所示。

表3 充電站規(guī)模分類

表4 充電機(jī)配電參數(shù)

為更好地應(yīng)用充電站需求預(yù)測(cè)模型，建議在充電站充電功率需求預(yù)測(cè)完成之后，按照表3和表4的分類規(guī)則，在充分考慮區(qū)域經(jīng)濟(jì)和電動(dòng)汽車發(fā)展的前提下，合理分配充電功率，確定電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)規(guī)模。

4 算例

采用本文所提出的預(yù)測(cè)方法對(duì)江蘇省“十二五”期間及遠(yuǎn)景的電動(dòng)汽車充電站建設(shè)規(guī)模進(jìn)行了初步預(yù)測(cè)。

首先在江蘇省內(nèi)現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將與機(jī)動(dòng)車保持同樣增長(zhǎng)比例的預(yù)測(cè)方法與專家預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)結(jié)果相結(jié)合，預(yù)測(cè)江蘇省2015年電動(dòng)汽車保有量和充電需求分別為45 900臺(tái)和16 049臺(tái)，2020年分別為70 200臺(tái)和24 577臺(tái)。

針對(duì)江蘇省實(shí)際情況，預(yù)測(cè)方法中各參數(shù)取值如表5所示，根據(jù)本文模型得出配電功率總需求量后，根據(jù)表3充電站規(guī)模分類，結(jié)合考慮江蘇省電動(dòng)汽車充電站實(shí)際的建設(shè)需求和建設(shè)條件，江蘇省“十二五”期間及遠(yuǎn)景電動(dòng)汽車充電站需求預(yù)測(cè)如表6所示。

表5 江蘇省充電站需求預(yù)測(cè)參數(shù)

表6 江蘇省充電站需求預(yù)測(cè)

5 結(jié)束語

電動(dòng)汽車保有量、單次充電平均續(xù)駛里程、充電次數(shù)、每公里耗電量、平均充電時(shí)間以及日平均行駛里程等因素都對(duì)電動(dòng)汽車充電站配電功率需求有重要影響。本文所構(gòu)建的電動(dòng)汽車充電站需求預(yù)測(cè)模型，可作為充電站規(guī)模及類型合理的預(yù)測(cè)參考依據(jù)之一。鑒于國內(nèi)電動(dòng)汽車發(fā)展尚處于起步階段，電動(dòng)汽車充電站需求預(yù)測(cè)需結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法、彈性系數(shù)法、類比法等多種方法進(jìn)行綜合判定。隨著電動(dòng)汽車和車輛電池性能的不斷完善，充電站預(yù)測(cè)模型中各指標(biāo)值的精度和范圍還有待于進(jìn)一步研究。

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