電動(dòng)汽車換電電池冗余度及充電規(guī)模研究

符 楊，邱 云，鄭志敏，勵(lì)文偉

(1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315010)

電動(dòng)汽車換電電池冗余度及充電規(guī)模研究

符 楊1，邱 云1，鄭志敏2，勵(lì)文偉2

(1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315010)

電動(dòng)汽車蓄電池成本占整車成本約三分之一，因此規(guī)?；瘧?yīng)用之后，針對電動(dòng)汽車換電站不同時(shí)段的蓄電池儲備量及充電設(shè)備規(guī)模的優(yōu)化研究對提高換電站建設(shè)運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性及促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重大意義。提出了換電站蓄電池冗余度的概念，建立了基于一定用戶換電需求和換電站充電管理策略下，換電站充電設(shè)備規(guī)模和蓄電池冗余度需求模型。應(yīng)用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法進(jìn)行仿真計(jì)算，得出換電站不同充電設(shè)備規(guī)模下的儲備蓄電池冗余度。算例分析表明，所提方法在充電設(shè)備規(guī)模增長初期可以大幅減少電池冗余度，達(dá)到相應(yīng)規(guī)模之后還能提升可用于優(yōu)化控制充電的蓄電池的數(shù)量和電量裕度。

電動(dòng)汽車；換電模式；充電設(shè)備；電池冗余度；蒙特卡洛法

隨著全球氣候變暖和化石燃料短缺，電動(dòng)汽車的研究和推廣應(yīng)用受到了越來越多的重視。目前，電動(dòng)汽車能源供給方式主要分為充電模式和換電模式兩種[1]。充電模式指電動(dòng)汽車采用整車充電，按充電功率和時(shí)間分為快速充電和常規(guī)充電。換電模式指采用更換電池的方式為電動(dòng)汽車提供能源補(bǔ)給，在換電站對電池進(jìn)行集中充電。國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司對換電模式高度重視，在2011年提出以換電為主的電動(dòng)汽車運(yùn)營模式。電動(dòng)汽車規(guī)?；瘧?yīng)用后，必然帶來蓄電池充電和數(shù)量儲備問題[2]。如果換電站內(nèi)充電設(shè)備的規(guī)模不足或者儲備滿電量的蓄電池?cái)?shù)量不夠，會導(dǎo)致部分電動(dòng)汽車換電需求在某一時(shí)刻無法得到滿足。相反，充電設(shè)備的過度建設(shè)以及電池的數(shù)量過多所造成的財(cái)力上的浪費(fèi)，必然會降低電動(dòng)汽車運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。因此，有必要展開針對電動(dòng)汽車換電站充電設(shè)備規(guī)模和儲備電池冗余度的研究。

在電動(dòng)汽車換電站充電需求和管理方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，但針對電池及充電設(shè)備數(shù)量的優(yōu)化研究較少。文獻(xiàn)[3]總結(jié)了電動(dòng)汽車及充電站在我國的建設(shè)現(xiàn)狀，分析了影響電動(dòng)汽車充電的因素以及充電站布局原則。居民負(fù)荷分布近似于電動(dòng)汽車的負(fù)荷分布，文獻(xiàn)[4]利用居民負(fù)荷的分布情況模擬電動(dòng)汽車負(fù)荷分布來確定候選地址的權(quán)重，使用層次分析法，以電動(dòng)汽車分布情況、充電站安裝費(fèi)用等為約束條件，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)作為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化方法，建立優(yōu)化模型來解決電動(dòng)汽車充電站的選址、定容問題。文獻(xiàn)[5]借用了數(shù)學(xué)中的裝箱問題來解決電動(dòng)汽車蓄電池?cái)?shù)量規(guī)劃，提出了近似著色法、首次適應(yīng)下降算法(FFD)以及雙模態(tài)啟發(fā)式算法(BMH)這3種方案來解決電動(dòng)汽車電池規(guī)劃問題。文獻(xiàn)[6]提出了換電充裕度的概念，在無序充電模式下通過蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，基于電動(dòng)汽車用戶的用車習(xí)慣來模擬求得不同時(shí)間段內(nèi)換電站所需儲備的蓄電池?cái)?shù)目，但沒有考慮充電設(shè)備的規(guī)模約束可能帶來的電池冗余度的增加。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文針對換電模式下充電規(guī)模和電池冗余度需求，同時(shí)考慮充電設(shè)備容量約束和換電需求約束，建立充電設(shè)備規(guī)模和電池冗余度需求模型，采用Monte Carlo仿真方法來驗(yàn)證上述模型的有效性，并針對不同方案的結(jié)果進(jìn)行討論。

1 電池冗余度及充電規(guī)模的影響

在換電模式下，換電站電池冗余度是為滿足換電站任意時(shí)刻電動(dòng)汽車換電需求所需儲備冗余的滿電量電池的數(shù)量。能否滿電動(dòng)汽車換電需求，主要的影響因素是t時(shí)刻換電所需電池組數(shù)量以及換電站所能提供的滿電電池?cái)?shù)量。用數(shù)學(xué)公式表示如下：

式中：Nleft(t－1)表示換電站滿足電動(dòng)汽車在t－1時(shí)刻的換電需求后，所剩余的儲備蓄電池?cái)?shù)量；N(t)表示換電站在t－1時(shí)刻尚未充滿電，在t－1到t時(shí)間段電量達(dá)到滿負(fù)荷的電池?cái)?shù)目；R(t)表示在t時(shí)刻電動(dòng)汽車所需更換的電池?cái)?shù)量，即t時(shí)刻換電需求。

Nleft(t－1)主要取決于電動(dòng)汽車換電需求以及蓄電池的充電管理策略。N(t)不僅受到上一時(shí)刻換電站內(nèi)尚未充滿電的電池?cái)?shù)目的約束，同時(shí)電動(dòng)汽車換電站的充電規(guī)模有限，換電站在同一時(shí)刻無法對所有未滿電電池組進(jìn)行充電。若充電設(shè)備規(guī)模不足，充電高峰時(shí)換下的電池?zé)o法得到即時(shí)充電，導(dǎo)致后續(xù)必須投入新的冗余滿電蓄電池來滿足換電需求。由于目前充電設(shè)備和電池成本昂貴，因此無論換電站充電設(shè)備規(guī)模過剩，還是儲備電池冗余度過高，都將降低電動(dòng)汽車運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。

2 換電站充電規(guī)模和電池冗余度模型的建立

由式(1)可知影響電動(dòng)汽車換電站充電規(guī)模和電池冗余度指標(biāo)的主要因素是t時(shí)刻電動(dòng)汽車換電需求和換電站充電功率及電池?cái)?shù)量。換電需求取決于電動(dòng)汽車的數(shù)量、用戶出行特征和行駛里程等因素。換電站充電規(guī)模和電池冗余度相互契合，以滿足電動(dòng)汽車換電需求。結(jié)合換電模式自身特點(diǎn)，本文對電動(dòng)汽車換電需求和換電站充電做出了如下假設(shè)。

2.1 電動(dòng)汽車換電需求建模

由式(1)可得，計(jì)算電動(dòng)汽車的換電需求，必須先建立電動(dòng)汽車日功率消耗模型，本文針對單臺電動(dòng)汽車日功率消耗模型做出如下假設(shè)。

(1)假定電動(dòng)車輛對傳統(tǒng)車輛的替代使用不會影響用戶出行特征，根據(jù)美國交通部2009年對全美家用車輛的調(diào)查結(jié)果[7-9]，采用文獻(xiàn)[10]的方法對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，得到電動(dòng)汽車每次行駛里程總數(shù)以及每小時(shí)行車占總里程百分?jǐn)?shù)。

歸一化處理單臺汽車日行駛里程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并用極大似然估計(jì)的方法將其近似為對數(shù)正態(tài)分布。處理后，單臺汽車日行駛里程概率密度函數(shù)如下所示：

文獻(xiàn)[9]給出了普通家用汽車每小時(shí)行駛距離占每日總里程比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由于直接擬合該數(shù)據(jù)會帶來較大誤差，并且本文所關(guān)心的是時(shí)間段電池冗余度，因此采用離散化變量來表示汽車每小時(shí)行駛距離所占百分比數(shù)fs(t)，如表1所示。

表1 汽車每小時(shí)行駛距離占比

離散化處理后，電動(dòng)汽車在一天中的總行駛里程可以表示為：

式中：Si0為第i臺電動(dòng)汽車在某日的總行駛里程。

(2)本文針對某一特定類型的電動(dòng)汽車開展研究，并假設(shè)汽車電池滿電量的平均額定容量為C(單位kWh)。為防止電池過度放電對電池壽命的損害，當(dāng)電池剩余電量為kC(k＜1)車主會選擇更換電池。該車型的每百公里耗電量(單位kWh)為W100。由于電動(dòng)汽車換電所需要的時(shí)間數(shù)量級為分鐘，并且本文討論的是一天內(nèi)各個(gè)時(shí)段的電池儲備數(shù)目，因此把1天分為24 h時(shí)間段，單臺電動(dòng)汽車換電池時(shí)不考慮換電時(shí)間的影響。

(3)每輛電動(dòng)汽車的日行駛里程等用戶駕車出行特征均為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量。

(4)假設(shè)被更換下來的電池，在有空閑充電樁的情況下，在換電站內(nèi)立即采用慢充模式充電，直至滿電；如充電樁沒有空余位置，則進(jìn)入等待充電隊(duì)列。

2.2 換電站充電約束

電動(dòng)汽車換電站對蓄電池充電的約束條件主要為換電站充電功率約束和最低保障換電需求儲備電池約束。

(1)換電站電池充電功率約束

式中：Pt為換電站在t時(shí)刻的充電功率；Pit為第i座充電樁在t時(shí)刻充電的功率，其取決于電池型號、電量以及充電設(shè)備功率；Ptmax為換電站在t時(shí)刻的最大充電功率，其取決于充電樁的總數(shù)及其功率，以及t時(shí)刻換電站所在電網(wǎng)能承受的最大負(fù)荷；Ptmin為換電站在t時(shí)刻的最小充電功率。本文沒有考慮電動(dòng)汽車在電網(wǎng)高峰時(shí)段向電網(wǎng)倒送電的情況，因此最小充電功率設(shè)定為0，即沒有充電樁工作。

(2)最低保障換電需求儲備電池約束

在式(1)中，滿足t－1適合換電需求后剩余的蓄電池?cái)?shù)目和t－1到t時(shí)間段所充滿電的電池?cái)?shù)目必須大于t時(shí)刻需要更換電池的電動(dòng)汽車數(shù)量，否則投入新的滿電量蓄電池。

(3)充電功率與充電電量的關(guān)系

式中：ΔQit為第i塊電池在t時(shí)段內(nèi)的充電量；Qit為第i塊電池在t時(shí)刻的電量；t為充電時(shí)間，本文取1 h；C為電動(dòng)汽車蓄電池額定滿電量。

2.3 求解方法

本文采用Monte Carlo方法，以1 h為單位，模擬求解每日24個(gè)時(shí)段電動(dòng)汽車換電需求及換電站充電負(fù)荷和電池冗余度。其具體步驟如下：

(1)輸入?yún)?shù)，初始化電動(dòng)汽車蓄電池以及換電站充電樁狀態(tài)。

(2)根據(jù)式(2)～式(4)模擬電動(dòng)汽車行駛里程，當(dāng)電池電量不足kC時(shí)更換電池。若無滿電蓄電池，投入新的滿電量電池池以滿足換電需求。

(3)更換下電池后根據(jù)式(5)～式(8)約束在換電站充電，若無空閑充電樁排隊(duì)等待至下一時(shí)刻。

(4)統(tǒng)計(jì)電動(dòng)汽車換電需求、換電站充電負(fù)荷及儲備電池?cái)?shù)目。

算法流程如圖1所示。

圖1 程序流程

3 算例仿真

本算例以10 000輛電動(dòng)汽車作為樣本數(shù)量，電動(dòng)汽車百公里耗電量W100為15 kWh，C取30 kWh，k=0.2。為了消除初始電池電量對仿真結(jié)果的影響，連續(xù)計(jì)算15天，并將每一天最后24時(shí)刻電池電量作為第二天0時(shí)刻初始電量，把第15天的仿真結(jié)果作為最終結(jié)果。單座充電樁最大功率為3.75 kW。分別計(jì)算電池充電樁在600～900座時(shí)為保障換電需求電動(dòng)汽車的電池冗余度，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

由圖2可得第15天24個(gè)時(shí)刻的換電需求，在上午9點(diǎn)和下午18點(diǎn)左右形成兩撥換電高峰。每輛汽車日換電期望次數(shù)為0.267 3次。各充電規(guī)模換電站的日換電需求曲線一致。

圖2 第15日各時(shí)刻換電需求曲線

圖3 第15日各時(shí)刻換電站充電負(fù)荷曲線

由于電動(dòng)汽車充電具有一定的延續(xù)性，因此如圖3所示，換電站的充電負(fù)荷高峰延后于換電需求早上9點(diǎn)和下午18點(diǎn)的換電高峰，在早上11點(diǎn)左右到達(dá)充電高峰，23點(diǎn)左右結(jié)束充電高峰，在早晨7點(diǎn)左右達(dá)到充電負(fù)荷的低谷，此時(shí)大部分儲備電池已經(jīng)充滿，可以迎接換電早高峰。充電負(fù)荷峰谷的情況和充電管理策略和換電需求直接相關(guān)。由曲線可得，換電站在600～650充電樁規(guī)模下，始終高負(fù)荷甚至滿負(fù)荷運(yùn)作，沒有裕度來進(jìn)行優(yōu)化充電控制。

結(jié)合圖3和圖4可知，在600座充電樁時(shí)，即使在充電樁滿負(fù)荷工作的情況下，也無法滿足電動(dòng)汽車換電的基本要求，必須不斷投入新的儲備電池，因此該方案無法在實(shí)際運(yùn)營中滿足電動(dòng)汽車換電需求和換電站經(jīng)濟(jì)性要求。充電規(guī)模在650座時(shí)，日所需最大儲備電池?cái)?shù)在11日以后達(dá)到穩(wěn)定，即可以滿足電動(dòng)汽車換電需求，但換電站始終工作在高負(fù)荷工況，沒有電池和充電設(shè)備裕度投入優(yōu)化控制充電。隨著充電規(guī)模的增加，儲備電池冗余度也隨著減少。此外，通過仿真可以得到不同時(shí)間段換電站內(nèi)所需投入儲備電池的冗余度，如圖5所示。

圖4 日所需最大儲備電池?cái)?shù)

表2 充電規(guī)模對冗余度和可優(yōu)化利用充電功率影晌

圖5 第15日各時(shí)間段所需儲備電池?cái)?shù)量

由表2可得換電站充電規(guī)模對冗余度和可優(yōu)化利用充電功率的影響。換電站規(guī)模低于750座充電樁時(shí)，隨著充電設(shè)備數(shù)量和功率的增加，需要的蓄電池冗余度大幅減少；反之，換電站規(guī)模高于750座充電樁時(shí)，充電設(shè)備的增加對減少電池冗余度效果削弱，并在850座充電樁規(guī)模時(shí)達(dá)到飽和?？蓛?yōu)化利用充電功率和占總功率百分比始終隨著充電設(shè)備規(guī)模而提升。

本文仿真表明，對于10 000輛電動(dòng)汽車樣本點(diǎn)，在充電設(shè)備增加的初期，可以大幅減少電動(dòng)汽車電池冗余度，同時(shí)增加可利用優(yōu)化控制充電裕度，提高了換電站經(jīng)濟(jì)性。充電設(shè)備規(guī)模高于某一水平后，電池冗余度受必須滿足換電需求的約束無法繼續(xù)提升。因此，合理規(guī)劃充電站設(shè)備規(guī)模和電池冗余度，對提升換電站經(jīng)濟(jì)性具有很大的效果。同時(shí)，在直接充電管理策略情況下，在電網(wǎng)負(fù)荷的低谷階段，電動(dòng)汽車換電需求少，富余的電池較多，因此不需要電動(dòng)汽車入網(wǎng)給電網(wǎng)倒送電能(vehicles to gird，V2G)；在電網(wǎng)負(fù)荷的高峰階段，電動(dòng)汽車充電負(fù)荷和電網(wǎng)高峰重疊，換電需求高，可用充滿電的蓄電池少，若電池冗余度不足幾乎沒有電池余量能夠投入V2G。其原因主要包括車主用電習(xí)慣、電池充電管理策略、換電站充電設(shè)備的容量和數(shù)量約束。因此，本文所提出的換電站充電規(guī)模和電池冗余度需求模型也可以用于評價(jià)優(yōu)化控制模式下蓄電池的電量裕度和充電管理策略的優(yōu)劣。

4 結(jié)論與展望

本文分析了換電模式下電動(dòng)汽車充電規(guī)模和電池冗余度的需求特性，建立基于電動(dòng)汽車換電需求的換電站充電規(guī)模和電池冗余度的需求模型。通過Monte Carlo方法，得出不同換電站充電設(shè)備規(guī)模及各時(shí)刻所需滿足換電需求的儲備電池?cái)?shù)量。結(jié)果表明，換電站充電設(shè)備容量的提升初期可以大幅減少電池冗余度，提高換電站經(jīng)濟(jì)性，后期還可提升優(yōu)化控制模式下蓄電池的電量裕度。換電站可根據(jù)本地電網(wǎng)情況和電動(dòng)汽車換電需求、分時(shí)電價(jià)以及設(shè)備造價(jià)等優(yōu)化配置換電站的充電設(shè)備規(guī)模和電池冗余度，提高運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。

本文采用充電設(shè)備和電池冗余度模型也適用于電動(dòng)汽車優(yōu)化控制充電運(yùn)營模式。

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Battery redundancy and charging equipment scale of battery swapping modes for electric vehicles

FU Yang1,QIU Yun1,ZHENG Zhi-min2,LI Wen-wei2
(1.Electric Power Engineering College,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;2.Ningbo Power Supply Bureau of Zhejiang Electric Power Corporation,Ningbo Zhejiang 315010,China)

Electric vehicle(EV)battery cost accounts for about one third cost of EVs.After the large-scale application of EV,it is of great significance to study the scale of charging equipment and the number of fully charged batteries in a battery swapping station in different time intervals for economical operation of swapping station and development of EV.The concept of battery redundancy was given,and a mathematical model based on certain EV owners'swapping demand and charging management strategy was proposed.The method was simulated by Monte Carlo method to get the reserved battery redundancy at different scales of charging equipment.The calculation results show that the method can drastically reduce battery redundancy on the initial growth stage of charging equipment scale. After arriving at corresponding scale,it also can contribute to the growth of coordinated charging capacity.

electric vehicle;battery swapping mode;charging equipment;battery redundancy;Monte Carlo method

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1715-04

2015-01-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51177098)；國家“863”計(jì)劃(2012AA051704-4)；上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(11dz1210405)

符楊(1968—)，男，江蘇省人，博士，教授，主要研究方向?yàn)槌鞘须娋W(wǎng)規(guī)劃、儲能及電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)。