電動汽車快速充電站的負(fù)荷特性

胡 榮，趙品賢

(上海電力學(xué)院 電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

近年來，在全球環(huán)境惡化及傳統(tǒng)化石能源短缺的背景下，各國加緊了電動汽車應(yīng)用的探索和研究.預(yù)計2015年，我國純電動汽車的保有量將達(dá)266萬輛左右.每輛電動汽車功率按20 kW計算，則總?cè)萘繛?.32×107kW.由此可見，電動汽車在規(guī)?；瘧?yīng)用后，其總的負(fù)荷需求將十分龐大.

電動汽車充電負(fù)荷在時間和空間上具有一定的隨機(jī)性，可能導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷高峰的增加，需要新增電網(wǎng)裝機(jī)容量，而一些輸配電網(wǎng)絡(luò)將不能承載其能量需求［1，2］.因此，分析電動汽車的電能需求對未來城市負(fù)荷預(yù)測、電力配送，以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃等具有重要意義.定量評估電動汽車負(fù)荷帶來的影響已成為許多電力工作者關(guān)注的焦點(diǎn).文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］采用電動汽車負(fù)荷1 d的分布對歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行疊加，得到了電動汽車對日負(fù)荷曲線的影響;文獻(xiàn)［5］通過“填谷”方法按電量計算了美國各區(qū)域電網(wǎng)可承受的插入式混合動力汽車的數(shù)量;文獻(xiàn)［6］分析了未經(jīng)管理的充電和經(jīng)電價引導(dǎo)的充電對電網(wǎng)的影響;文獻(xiàn)［7］對一個大型停車場車輛的駛?cè)霑r刻進(jìn)行了統(tǒng)計，并根據(jù)統(tǒng)計出的規(guī)律對變壓器、供電電纜進(jìn)行了設(shè)計;文獻(xiàn)［8］根據(jù)充電功率的統(tǒng)計規(guī)律建立了用于多臺電動汽車充電機(jī)諧波評估的數(shù)學(xué)模型.本文從電動汽車充電模式著手，分析了各種充電模式對電網(wǎng)的影響，探討了對電網(wǎng)影響相對較大的快速充電站的負(fù)荷特性.

1 蓄電池的充電模型

電動汽車的充電模式分為常規(guī)充電模式、快速充電模式和換電池模式3種.

(1)常規(guī)充電模式 通常采用充電樁充電，充電電壓一般為交流220 V，充電電流為10～15 A，充電時間為5～8 h.可利用夜晚在住宅小區(qū)和停車場充電，達(dá)到削峰填谷的效果.但常規(guī)充電時間一般較長，給實(shí)際使用帶來許多不便.

(2)快速充電模式 快速充電電池的出現(xiàn)，為純電動汽車的商業(yè)化提供了技術(shù)支持.快速充電又稱應(yīng)急充電，以150～400 A大電流在電動汽車停車的20 min至2 h內(nèi)，為其提供70% ～80%充電服務(wù).其充電電壓一般為直流400 V或750 V.2010年5月，國家電網(wǎng)簽署了267份電動汽車充電設(shè)施建設(shè)戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，占全國273個地級市的98%.光大證券預(yù)測，2012年全國將建成快速充電樁36 200個，慢充電樁7 400個.

(3)換電池模式 主要是通過更換電動汽車的電池組來達(dá)到為其充電的目的.更換電池快捷方便，可在2 min內(nèi)由專業(yè)人員借助專業(yè)機(jī)械快速完成，其缺點(diǎn)是電動汽車和電池的標(biāo)準(zhǔn)化問題難以統(tǒng)一.

上述3種模式中的快速充電模式對電網(wǎng)影響最大.本文以快速充電模式為研究對象，根據(jù)電動汽車的充電特性建立快速充電站負(fù)荷特性模型.

2 快速充電模型

2.1 單臺蓄電池充電特性

根據(jù)馬斯定律:在充電過程中，蓄電池的充電電流始終等于或接近于蓄電池的可接受電流(即蓄電池不被擊穿的最大電流)，在很短的時間內(nèi)完成對蓄電池的充電，而在這個過程中，溫度也不會太高(40℃以下).在充電過程中，為了盡量減少極化，可以得出蓄電池的允許充電特性，即在不產(chǎn)生氣泡或微產(chǎn)生氣泡的條件下充電電流隨時間變化的曲線如圖1所示.

圖1 蓄電池快速充電特性曲線

蓄電池的快速充電模型為［9］:

式中:I——蓄電池可以接受的充電電流(不會使蓄電池?fù)舸?，即允許的充電電流;

I0——當(dāng)t=0時最大的允許充電電流，由蓄電池的使用狀態(tài)決定;

α——蓄電池固有充電電流接受比，也稱固有接受比，α=I0/C(C為蓄電池需要充入的電量).

從蓄電池接受比α的定義中可以看出，當(dāng)蓄電池的容量確定后，α越大表示蓄電池接受能力越強(qiáng)，充電的速度也將越快，即充電時間越短.

2.2 電動汽車充電時刻的選擇

借鑒汽車加油統(tǒng)計規(guī)律，假定電動汽車充電到達(dá)時刻服從泊松過程，當(dāng)λ較大時，則用均值μ=λ，方差σ2=λ的正態(tài)分布去近似于泊松分布，結(jié)果令人滿意.為此，我們假設(shè)電動汽車的充電到達(dá)時刻服從分布，即:

2.3 多臺充電功率模型

各蓄電池的充電過程相互獨(dú)立，所以蓄電池的充電電流符合獨(dú)立同分布:

充電站全部充電機(jī)同時進(jìn)行充電時所需的總功率為:

式中:Q——近似為蓄電池同時充電時總電流;

η——充電機(jī)的充電效率.

3 案例分析

假設(shè)某大型充電站有50臺電動汽車同時充電，充電時間服從:

蓄電池的單臺容量為120 Ah，最大允許充電電流為275 A，充電電壓為直流400 V，充電機(jī)效率η取0.9，則由馬斯定律可知:

考慮充電過程C的變化，為簡化計算C統(tǒng)一取為90 Ah，則:

故單臺充電電流 I=250e－0.051t，考慮到不同時刻對充電電流的影響:

因?yàn)楦餍铍姵爻潆娯?fù)荷獨(dú)立同分布，故:

由中心極限定理可知，大量獨(dú)立同分布隨機(jī)變量和的分布近似服從于正態(tài)分布:

所以變電站的總負(fù)荷為:

若由最大電流計算，則:

考慮快速充電過程中不同充電時刻電流的變化，用E(i)－3σ，E(i)+3σ來估算電動汽車充電負(fù)荷，在滿足充電負(fù)荷需求的前提下，能極大地減少充電站的配電容量配置.

4 結(jié)語

本文由電動汽車充電服從泊松分布、近似服從正態(tài)分布，以及不同蓄電池在不同充電時刻的錯峰效應(yīng)，借助概率論數(shù)學(xué)期望和方差知識，分析了一臺電動汽車充電時的電流，然后利用統(tǒng)計學(xué)大數(shù)定律和中心極限定理，得出了電動汽車總的最大充電功率遠(yuǎn)小于單臺最大功率之和、在滿足充電需求的同時可以減少配電設(shè)備投資的結(jié)論.

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