電動(dòng)汽車充電模式選擇與充電負(fù)荷計(jì)算的研究

劉琰，何偉哲

（國(guó)網(wǎng)西安供電分公司，陜西西安710048）

電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)以電代油，具備能源利用效率高、廢氣排放少、噪音低等優(yōu)勢(shì)，是用以解決能源和環(huán)境問(wèn)題的重要手段之一。而作為電動(dòng)汽車能源補(bǔ)給的重要基礎(chǔ)設(shè)施充電站，理應(yīng)受到重視。由于當(dāng)前車載電池存在著能量密度限制，導(dǎo)致電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程短。因此，建立完善充電設(shè)施保障電動(dòng)汽車日常使用十分必要。為了滿足電動(dòng)汽車用戶充電負(fù)荷，規(guī)劃區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車最大充電負(fù)荷需求應(yīng)該小于充電站額度容量?？紤]電動(dòng)汽車車主充電習(xí)慣，充電負(fù)荷具有比較大的隨機(jī)性。通過(guò)運(yùn)用蒙特卡羅模擬方法[1]來(lái)確定規(guī)劃區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車最大充電負(fù)荷[2-3]，綜合城市交通公共服務(wù)設(shè)施和普通用電設(shè)施雙重屬性，建立起充電站最優(yōu)規(guī)劃的一個(gè)多目標(biāo)決策模型，其目標(biāo)是最小化配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗、最小化節(jié)點(diǎn)電壓偏移以及最大化交通流量。

1 西安市電動(dòng)汽車充電模式選擇

1.1 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件分析

快充模式的充電站的成本主要包括2大方面，分別是可變成本因素和固定成本因素，其投入成本主要如圖1所示。

圖1 快充模式下充電站投入成本構(gòu)成圖Fig.1 The cost composition of the charging station under the fast charging mode

在成本計(jì)量的過(guò)程中，其需要根據(jù)電動(dòng)汽車充電站的規(guī)模和運(yùn)營(yíng)模式來(lái)確定規(guī)模和投入情況。這主要是因?yàn)殡妱?dòng)汽車充電站是滿足電動(dòng)汽車快速充電的重要基礎(chǔ)設(shè)施，而電動(dòng)汽車所需要的電量、充電時(shí)間以及電動(dòng)汽車運(yùn)行的特點(diǎn)等又決定著電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)規(guī)模和后期的運(yùn)行成本，影響充電站的固定投資成本和可變的運(yùn)行成本。

快充模式是不斷用反復(fù)充放電來(lái)循環(huán)充電的[4]，首先給電池組用0.8～1倍額定容量的大電流進(jìn)行定流充電，使蓄電池在短時(shí)間內(nèi)充至額定容量的50%～60%。接著由電路控制先停止充電25～40 ms，接著再放電或反充電，使電池組反向通過(guò)一個(gè)較大的脈沖電流，然后再停止充電。之后的充電就按照“正脈沖充電—停充—負(fù)脈沖瞬間放電—停充—正脈沖充電”的循環(huán)[5]，直至充滿。

雖然快充模式的充電速度非常高，其充電時(shí)間稍長(zhǎng)于燃油汽車加油的時(shí)間。可是充電設(shè)備安裝要求和成本非常高。并且快速充電的電流電壓較高，短時(shí)間內(nèi)對(duì)電池的沖擊較大，容易令電池的活性物質(zhì)脫落和電池發(fā)熱，因此對(duì)電池保護(hù)散熱方面要求有更高的要求[6]。

1.2 慢充模式技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件分析

電動(dòng)汽車慢充電和快充電相比，充電站內(nèi)必要的設(shè)備投入大體上相似，投入的成本內(nèi)容也幾乎相同，可以參見(jiàn)圖1。慢充模式可以使用家用電源或?qū)Ｓ玫某潆姌峨娫矗潆婋娏饕话阍?6～32 A，可通過(guò)直流或者交流，根據(jù)電池容量的不同充電時(shí)間通常為5～8 h。盡管慢充模式缺點(diǎn)——較長(zhǎng)的充電時(shí)間，非常明顯，但其對(duì)充電的要求并不高，充電器的安裝成本較低；可充分利用夜間谷值電價(jià)進(jìn)行充電，降低充電成本，更為重要的優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)電池深度充電，提升電池充放電效率，延長(zhǎng)電池壽命。因充電時(shí)間較長(zhǎng)，可大大滿足白天運(yùn)作晚上休息的車輛。慢充模式主要采用定流充電和定壓充電2種方式進(jìn)行充電。現(xiàn)在的慢充模式基本都采用定流和定壓充電混合工作，充電前期采用定流充電，可保證電池深度充電；后期則采用定壓充電，可自動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小結(jié)束充電，避免過(guò)充電。

1.3 換電模式技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件分析

電動(dòng)汽車換電模式與快充、慢充模式相比，投資較大，成本主要增加在電池儲(chǔ)備上，而充電站的充電設(shè)施也需要增加部分設(shè)備，其主要部件和功能如表1所示。

表1 換電設(shè)施部件和功能Tab.1 Components and functions of batteries replacement facilities

換電模式集成了快充、慢充模式的優(yōu)點(diǎn)[7]，通過(guò)使用機(jī)械設(shè)備更換，整個(gè)電池更換過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間與現(xiàn)有燃油車加油時(shí)間大致相當(dāng)。但換電模式最大的限制是各大廠商需要統(tǒng)一電池規(guī)格等標(biāo)準(zhǔn)，并且無(wú)法保證每塊電池組的性能一致，從而制約其發(fā)展。

由于換電模式需要各方的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，在實(shí)際操作過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)，加之建設(shè)運(yùn)維成本高，因此國(guó)家電網(wǎng)已放棄了2011年提出的“換電為主、插電為輔、集中充電、統(tǒng)一配送的”充換電站商業(yè)模式，在2014年推出“主導(dǎo)快充、兼顧慢充、引導(dǎo)換電、經(jīng)濟(jì)適用”的充電站建設(shè)原則。

2 快、慢結(jié)合的充電模式下充電負(fù)荷測(cè)算

隨著電動(dòng)汽車規(guī)模的增大，用戶的無(wú)序充電將不斷地加大電網(wǎng)的峰谷差率，勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行產(chǎn)生巨大壓力[8]。在電網(wǎng)建設(shè)方面，電網(wǎng)企業(yè)必須加大投資力度才能滿足負(fù)荷高峰期用戶的電力需求，而這些投資的機(jī)組在夜間等谷值時(shí)段通常處于輕載或停運(yùn)狀態(tài)，由此一來(lái)降低了設(shè)備的平均利用率，造成資源的浪費(fèi)。在電網(wǎng)運(yùn)行方面，不斷加大的峰谷差率，不僅增大了電網(wǎng)損耗，還將對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，增加了電網(wǎng)調(diào)峰的壓力。尤其是大型居民區(qū)，大量電動(dòng)汽車的無(wú)序充電，會(huì)對(duì)該區(qū)域的電力線路和電氣設(shè)備造成極大的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

假設(shè)電動(dòng)汽車的車主的行駛習(xí)慣與燃油汽車車主相同，可以統(tǒng)計(jì)出電動(dòng)私家車、電動(dòng)出租車、電動(dòng)公交車的行駛數(shù)據(jù)[9]，并基于此進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)模擬，發(fā)現(xiàn)3種車型的的日均行駛里程滿足式（1）中的函數(shù)。

充電負(fù)荷需求是在時(shí)間和空間2個(gè)維度上被影響的，而且充電的開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間影響程度更大[10]。以下將根據(jù)上述3種車型不同的日均續(xù)航里程及行駛、充電時(shí)間的特性，利用蒙特卡羅模擬方法進(jìn)行負(fù)荷測(cè)算，以發(fā)現(xiàn)大規(guī)模集中充電對(duì)電網(wǎng)的影響。

2.1 基于蒙特卡洛模擬方法的負(fù)荷計(jì)算模型

將一天分解為48個(gè)時(shí)段（每30 min一個(gè)段），將上述3種汽車在各時(shí)段內(nèi)的快、慢充電負(fù)荷進(jìn)行累加，得到如下函數(shù)

式中，P(i,k,t)表示在第t個(gè)時(shí)段（t=1、2、3，…，48）中第i種汽車（i=電動(dòng)私家車、電動(dòng)出租車、電動(dòng)公交車）的第k種充電負(fù)荷（k=快充、慢充）；Ni表示第i種汽車的數(shù)量；p(i,k)表示第i種汽車在第k種充電模式下的單車充電功率。

那么在該時(shí)段內(nèi)上述3種車型在某種充電模式下的負(fù)荷為

將通過(guò)模特卡羅模擬方法計(jì)算電動(dòng)私家車、出租車、公交車在快、慢結(jié)合的充電模式下負(fù)荷情況，步驟如圖2所示。

2.2 電動(dòng)私家車充電負(fù)荷測(cè)算

私家車的使用主要在于車主上下班和日常生活，因此電動(dòng)私家車相應(yīng)的充電地點(diǎn)應(yīng)該在單位辦公停車場(chǎng)、商場(chǎng)超市和居民停車場(chǎng)等[11]。以西安市私家車的出行為例，上班出行的高峰時(shí)段為7：00—9：00，占據(jù)了私家車總量的67.34%。車輛到達(dá)高峰期的時(shí)段為7：30—9：30，占了私家車總量的72.18%。

從圖3可以看出，電動(dòng)私家車通過(guò)慢充模式的充電負(fù)荷在一日的各時(shí)段內(nèi)數(shù)值較大，從第14、15個(gè)時(shí)間段開(kāi)始慢充充電的私家車數(shù)量逐步增多，并在第37個(gè)時(shí)段附近達(dá)到峰值，隨后開(kāi)始充電的數(shù)量逐步減少，也反映出百姓工作生活的作息習(xí)慣。快充模式的負(fù)荷曲線較為平穩(wěn)，主要反映在第15個(gè)時(shí)間段左右至第38個(gè)時(shí)間段期間，人們的外出活動(dòng)增多。

圖2 基于蒙特卡洛模擬方法的負(fù)荷計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart of load calculation based on Monte Carlo simulation method

圖3 5 000輛電動(dòng)私家車快、慢結(jié)合充電負(fù)荷曲線Fig.3 The charging load curve of 5 000 private electric cars in the combined mode of fast and slowing charging

2.3 電動(dòng)出租車充電負(fù)荷測(cè)算

通過(guò)對(duì)西安市出租車運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行調(diào)研得出，出租車日均行駛的里程為350～500 km。每一輛出租車有2名司機(jī)，通常有小班和大班2種倒班模式。在大班司機(jī)休息時(shí)間內(nèi)可以對(duì)電動(dòng)出租車進(jìn)行慢充，小班司機(jī)只能夠進(jìn)行快速充電[12]，見(jiàn)圖4。

圖4 5000輛電動(dòng)出租快充充電負(fù)荷曲線圖Fig.4 The charging load curve of 5000 electric taxis in the fast charging mode

2.4 電動(dòng)公交車充電負(fù)荷測(cè)算

根據(jù)對(duì)于西安市公交車的運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行的調(diào)研，電動(dòng)公交車的示范運(yùn)營(yíng)額定行駛的里程大約為200 km，在公交車白天運(yùn)營(yíng)的時(shí)間段內(nèi)，只能進(jìn)行快充；在夜間停運(yùn)的時(shí)間段內(nèi)電動(dòng)公交車進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間慢充[13]，見(jiàn)圖5。

圖5 2000輛電動(dòng)公交車快、慢結(jié)合充電負(fù)荷曲線Fig.5 The charging load curve of 2000 electric buses in the combined mode of fast and slowing charging

2.5 電動(dòng)汽車充電負(fù)荷測(cè)算

根據(jù)上述分析計(jì)算，可以得出在5 000輛電動(dòng)私家車、5 000輛電動(dòng)出租車和2 000輛電動(dòng)公交車的假設(shè)前提下的充電負(fù)荷情況，如圖6所示。

圖6 三類汽車快、慢結(jié)合充電負(fù)荷曲線圖Fig.6 The charging load curve of three kinds of electric vehicles in the combined mode of fast and slowing charging

3 充電站接入對(duì)電網(wǎng)的影響

充電站提供充電服務(wù)時(shí)，電動(dòng)汽車的保有量、車輛類型、充電時(shí)間、充電模式等因素主要影響到電網(wǎng)的電能質(zhì)量、供電能力和峰谷差3個(gè)方面：1）對(duì)電能質(zhì)量的影響。電動(dòng)汽車充電離不開(kāi)充電機(jī)，一般采用三相橋式整流或12脈波整流，其運(yùn)行時(shí)必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。隨著電動(dòng)汽車的普及應(yīng)用，大規(guī)模電動(dòng)汽車充電機(jī)或充電站工作時(shí)的諧波對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響不容忽視。另外，如果接入電網(wǎng)點(diǎn)越接近配電網(wǎng)線路末端，對(duì)網(wǎng)點(diǎn)及線路其他節(jié)點(diǎn)的電壓將增大，也將對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。經(jīng)測(cè)算，交流慢充對(duì)配電網(wǎng)的影響較小，直流快充對(duì)局部配電網(wǎng)的影響較大，有可能造成電網(wǎng)局部過(guò)負(fù)荷、線路擁塞等問(wèn)題[14]。2）對(duì)供電能力的影響。在沒(méi)有接入電動(dòng)汽車以前，每個(gè)生活小區(qū)的用電負(fù)荷變化平穩(wěn)，當(dāng)接入電動(dòng)汽車，無(wú)論是大規(guī)模接入還是小范圍接入，都會(huì)對(duì)原有的配電網(wǎng)產(chǎn)生極大影響，特別是對(duì)于負(fù)荷高峰的影響[15]。當(dāng)小區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車有更高的滲透率時(shí)，即有更多電動(dòng)汽車接入小區(qū)電網(wǎng)時(shí)，如果沒(méi)有足夠的充電站，將會(huì)使設(shè)置有充電站的節(jié)點(diǎn)上的峰值過(guò)高，嚴(yán)重時(shí)可能超過(guò)變壓器的容量，給電網(wǎng)帶來(lái)巨大危害，所以應(yīng)根據(jù)電動(dòng)汽車的滲透率合理地建設(shè)充電站。3）對(duì)峰谷差的影響。大規(guī)模電動(dòng)汽車在時(shí)間和空間上的無(wú)序充電行為會(huì)產(chǎn)生電力負(fù)荷“峰上加峰”的現(xiàn)象，加大電網(wǎng)峰谷差。峰谷電價(jià)對(duì)電動(dòng)汽車用戶的充電電價(jià)有一定影響，對(duì)引導(dǎo)用戶有序充電具有一定的吸引力，有序充電可有效減小電網(wǎng)峰谷差[16]。在電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式下，國(guó)網(wǎng)西安供電公司可以對(duì)全網(wǎng)的充電站、電動(dòng)汽車的充電時(shí)間進(jìn)行集中優(yōu)化控制，根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷情況優(yōu)化充電狀態(tài)，減輕大規(guī)模電動(dòng)汽車接入充電對(duì)電網(wǎng)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)3種電動(dòng)汽車充電模式—快充模式、慢充模式、換電模式從成本、充電便利性、充電性能等方面進(jìn)行了分析對(duì)比，并最終確定了符合西安市現(xiàn)狀的快、慢結(jié)合的充電方式。其次對(duì)電動(dòng)汽車行駛里程進(jìn)行了分析建模，將一天分成48個(gè)時(shí)間段后提出了基于蒙特卡羅模擬方法的充電負(fù)荷計(jì)算模型，并依據(jù)此模型對(duì)電動(dòng)私家車、電動(dòng)出租車及電動(dòng)公交車的充電負(fù)荷進(jìn)行測(cè)算。最后根據(jù)負(fù)荷測(cè)算過(guò)程中的影響因素和負(fù)荷曲線，介紹了充電站提供充電服務(wù)時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。

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