電壓穩(wěn)定性和充電服務質(zhì)量的電動汽車充電站規(guī)劃研究

姚騰飛，鮑恩奇

（1.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 211100；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211100）

1 電動汽車充電設施充電方式的選擇問題

1.1 常規(guī)充電設施充電方式

常規(guī)充電方式是充電設施，采用較低的電流，為車用動力電池進行穩(wěn)定式的充電。這種充電方式一般采用的是交流充電樁作為充電設施，連接的是車載的充電機，完成向車載電池充電。常規(guī)充電模式中，充電電流通常較小，充電時間耗時較長，因此常規(guī)的充電模式也被稱為慢速的充電模式。常規(guī)充電模式是保證電池深度充電的有效方式，采用這一方式進行充電，能夠結合電流與電壓的穩(wěn)定性，實現(xiàn)定壓充電。常規(guī)充電對于電壓的穩(wěn)定性要求較高，但可以有效的減少電流的大小。針對具體充電時間，能夠完成有效的控制，避免車輛車載電池過度的充電。常規(guī)充電的優(yōu)勢在于，其充電電流較為穩(wěn)定，同時充電功率較小，對于車載電池的使用壽命來說，沒有過多的影響，能夠保證電壓的穩(wěn)定性，減小充電行為、充電樁對于電網(wǎng)負荷的沖擊。相對來說，常規(guī)充電能夠利用電網(wǎng)的功能低下時段，充電成本較少。但是，常規(guī)充電也有其固有的缺點，主要在于其充電時間較長，對于充電車輛來說需要一個長期穩(wěn)定的?？康攸c，對于充電樁的占用時長較長。同時，由于車輛緊急充電時需求的電能供應速率較快，常規(guī)充電難以滿足這樣的緊急電腦需求。

1.2 快速充電設施充電方式

快速充電是針對非車載充電機采用的大電流供電設施完成的，車載電池直接充電。快速充電方式能夠使車載電池快速完成電量補充。可將電池電量充至80%左右，充電電壓一般在150～400 A，200～750 V。充電功率一般大于50 kW，充電時間在20～120 min 以內(nèi)。為完成快速充電，一般采用的供電方式為直流供電?？焖俪潆姷某潆娬?，需要完成穩(wěn)定的充電電流。目前快速充電電壓充電站的供電電壓能夠接近380 V?？焖俪潆娬驹陔妷涸O置上，最高可達120 kW?？焖俪潆姳M管充電方式較快，但是目前適應的車型較少，只有部分特斯拉、比亞迪、北汽新能源電動汽車支持這種充電模式?？焖俪潆姷某潆妰?yōu)勢十分明顯，在于充電時長短，能夠快速完成70%～80%的電能充電。不僅充電功率大，同時能夠提升車主充電滿意度，提高充電便捷性。但是，快速充電的缺點也十分明顯，由于電流過大，對電池造成了嚴重的發(fā)熱影響，會降低電池使用壽命，同時短時間內(nèi)的密集快充會影響電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。

1.3 電池更換

電池更換的充電方式，對充電站一般難以滿足。這種充電方式，主要應用于電池組較為標準的電動汽車群體，如公交車、出租車、公務車、環(huán)衛(wèi)車等。電池更換的充電方式能夠快速完成第一股電的電能補充，同時能夠通過純手動、半自動或機械自動更換的3種形式，完成電池組的更換。10 min 即可完成電池組更換過程，能夠緩解充電時長的缺陷問題。電池更換對車主來說是十分便捷的，能夠充分地滿足車輛使用者的充電需求，并且能夠完成電池的集中管理，提高電池使用壽命。但是更換電池需要保證電池規(guī)格，確保電池維護標準化，因此對于電池的管理以及充電站運營成本方面來說，都是一項較大的挑戰(zhàn)。

2 電動汽車充電設施規(guī)劃方法內(nèi)容以及原則

2.1 電動汽車充電設施規(guī)劃原則

針對電動汽車的充電設施規(guī)劃，要立足于電壓穩(wěn)定、電網(wǎng)布局。促進充電服務的合理發(fā)展，并且以電網(wǎng)降低成本目標為基準，充分選擇具體充電設施，完成城市整體規(guī)劃。針對城市充電，要滿足車輛聚集、車輛排隊、充電樁設施等具體設計規(guī)劃內(nèi)容，同時關注車輛的充電時間，在提升充電功率的同時減小車輛在集中時段的充電需求。

2.2 電動汽車充電設施規(guī)劃方法內(nèi)容

針對具體的充電設施規(guī)劃內(nèi)容，可以從電動汽車充電方式、充電需求等多個方面，進行規(guī)劃方式的分析。要重點關注城市內(nèi)電動汽車分布情況、車輛排隊情況、電動汽車耗電量等具體因素。將這些內(nèi)容綜合考慮進電動汽車充電設施規(guī)劃中，對不同電動汽車的具體電壓需求以及不同車主的充電服務需求進行關注。從城市電網(wǎng)總體規(guī)劃方面入手，結合具體的充電設施，完成定容、選址等規(guī)劃內(nèi)容，確保對方案完成優(yōu)化評價工作，實現(xiàn)充電設施優(yōu)化規(guī)劃的效果。

3 電動汽車充電需求預測

3.1 充電功率

電動汽車車用電池目前主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池3種類型。3種電池目前采用的主要是恒流到恒壓兩階段的充電方式。開始充電時，先以恒定的電流將電池充電至一個電壓閥值，然后在這個電壓閥值的狀態(tài)下進行恒壓充電直至電池充滿。在恒流充電階段，電池端電壓不斷地升高，充電功率也逐漸升高。在恒壓充電階段，充電電流隨著電池的荷電比例逐漸減小，充電功率逐漸下降。動力電池隨著使用時間的增長其內(nèi)阻也將逐漸增大，內(nèi)阻較大的電池在恒流充電階段所儲存的電能較少，時間也比較短，電能的補充主要來自于恒壓充電階段，在這一階段充電功率的變化不是很明顯。

3.2 充電持續(xù)時間

電動汽車的日行駛里程LEV主要分布在32～97 km 之間，超過257 km 的很少。若電動汽車的百英里耗電量W是恒定的，且電動汽車的充電功率Pcm也是一個定值，考慮充電機的充電效率kx，則電動汽車的持續(xù)充電時間可由式（1）計算得出。

3.3 充電排隊時間

可建立一個充電排隊模型，對充電站排隊時間進行規(guī)劃。這一模型是指針對充電用戶接受充電服務時的排隊時間，形成一個車輛到站、車輛等待以及充電時間的總體模型。這一模型結合了充電站的服務特點與經(jīng)典排隊模型，能夠提升充電設施的利用率。

充電站排隊模型考慮電動汽車的到達時刻，對各個時段的到達電動車數(shù)量，進行泊松分布的概率函數(shù)探究，同時考慮電動汽車的等待時間模型，通過充電起始時刻與到達時間的差值確定電動汽車的等待時間。另外，電動汽車充電時間的模型，可采用二階段法進行恒功率充電，忽視充電效率的影響。針對以上排隊模型考慮內(nèi)容，進行排隊算法的研究。將顧客的狀態(tài)分為到達狀態(tài)、排隊狀態(tài)、服務狀態(tài)以及離開狀態(tài)；對充電樁的狀態(tài)劃分為忙碌狀態(tài)和空閑狀態(tài)?；诖?，建立包含電動汽車等待時間、電動汽車充電時間以及充電設施利用率的充電站排隊模型。

電動汽車等待時間計算公式如式（2）。

式（2）中，Ta為電動汽車的到達時刻，Ts為電動汽車的起始充電時刻，TW為電動汽車等待時間。

電動汽車充電時間計算公式如下。

式（3）中，SOCe為電動汽車的期望充電電量，SOC0為電動汽車的起始電量，Qmax為電池的額定容量，Pc為恒功率階段電動汽車的充電功率，TC為電動汽車充電時間。

充電設施利用率計算公式如下。

式（4）中，Nt為時段數(shù)，Dt為時刻t時，充電站內(nèi)正在運行的充電樁數(shù)量。Nc為充電站內(nèi)充電樁的數(shù)量。

4 電壓穩(wěn)定性和充電服務質(zhì)量的電動汽車充電站規(guī)劃

在考慮電壓穩(wěn)定性和充電服務質(zhì)量的前提下，利用電動汽車充電設施規(guī)劃原則來引導電動汽車用戶進行充電。充電站規(guī)劃的模型涉及到3個方面的內(nèi)容，分別是充電功率、充電持續(xù)時間、充電排隊時間。這3方面內(nèi)容并不相互獨立的，而是相互耦合、相互關聯(lián)、相互影響的。（1）充電功率的劃分直接影響著電動汽車充電負荷曲線的特性，進而影響充電負荷與原始電網(wǎng)負荷疊加后的負荷峰谷特性。合理充電功率的劃分會有效地將充電負荷引導至原始電網(wǎng)負荷低谷區(qū)段，達到削峰填谷的目的。（2）充電功率差的大小影響著響應不同充電方式的電動汽車用戶的比例。充電功率太小，難以調(diào)動電動汽車用戶的響應積極性；充電功率過大，將會影響電動汽車的推廣和應用，有可能使得一部分用戶因為難以承受，同時影響充電站的成本。（3）由于電動汽車作為交通工具的行駛功能與充電狀態(tài)存在時間上的沖突，即電動汽車在行駛時無法進行充電，而處于充電狀態(tài)時則不能實現(xiàn)行駛功能，所以不同充電持續(xù)時間、充電排隊時間的用戶對于行駛需求不同，會對具體的充電服務質(zhì)量反應不同。這3個方面涉及到的變量，相互之間存在著比較強的耦合性，單獨對任意一個變量進行尋優(yōu)都不能達到理想的效果，所以需要對充電功率、充電持續(xù)時間、充電排隊時間這3個方面進行綜合考慮，完成綜合優(yōu)化。最后通過分析充電排隊時間以及充電服務質(zhì)量，針對電動汽車充電需求的隨機性、不確定性以及和居民生活出行的關系，分析了電動汽車充電需求預測方面的適應性，構建了電動汽車需求和預測模型，分析電動汽車規(guī)?；瘧煤?，其充電站規(guī)劃帶來的影響。

5 結束語

綜合考慮充電站作為電壓用電設施和公共服務設施2方面電壓穩(wěn)定性和充電服務質(zhì)量屬性，分析了充電站規(guī)劃多目標充電功率、充電持續(xù)時間、充電排隊時間3方面的數(shù)據(jù)模型影響。優(yōu)化電動汽車充電站的規(guī)劃建設，提升充電站規(guī)劃效果，滿足電動汽車發(fā)展需要。