基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的直流充電樁溫度影響研究

郭琳，鄒建強(qiáng)，趙雪茹，朱勇志，李明懷，王智東

（1.廣州城市理工學(xué)院，廣州 510800； 2.威凱檢測技術(shù)有限公司，廣州 510663；3.工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510663；4.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

引言

目前隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，直流充電樁得到了廣泛應(yīng)用。直流充電樁運(yùn)行過程中，由于多種不良環(huán)境因素共同作用，如環(huán)境溫度較高、天氣環(huán)境惡劣、空氣含有污染物等,使充電樁產(chǎn)生各種故障，如充電樁部件絕緣性能降低或損壞、塑料部件老化、金屬部件銹蝕、內(nèi)部元件性能降低或損壞等，故障部件及故障概率具有不確定性，采用傳統(tǒng)方法無法進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。文獻(xiàn)[1]以經(jīng)典的直流充電樁為例給出了直流充電樁的可靠性指標(biāo)，深入內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)直流充電樁的功能模塊進(jìn)行可靠性影響分析，并采用最小割集法計(jì)算了直流充電樁的失效指標(biāo)。文獻(xiàn)[2]針對(duì)直流充電樁故障多發(fā)現(xiàn)狀，提出一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直流充電樁故障診斷方法，利用對(duì)整流器輸出電壓的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)充電樁故障實(shí)時(shí)診斷。將輸出電壓數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)輸入對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得出了基于數(shù)據(jù)指針向量故障診斷判據(jù)。文獻(xiàn)[3]針對(duì)充電樁已存在的故障集中類型，對(duì)功率器件所在回路較普遍的故障（開路）提出了一種改進(jìn)的狀態(tài)空間的智慧預(yù)警方法,設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)預(yù)測模型框架，細(xì)化了充電樁智能預(yù)警系統(tǒng)處理模式，并把新型算法嵌入到預(yù)警系統(tǒng)中。以上方法主要從電氣角度分析充電樁，較少考慮環(huán)境因素對(duì)直流充電樁的影響，由于直流充電樁受環(huán)境影響具有顯性不明顯、長期性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此本文結(jié)合專家評(píng)價(jià)體系，采用人工智能中層次分析法和模糊綜合評(píng)判方法，得到環(huán)境溫度對(duì)直流充電樁整體的量化影響指標(biāo)，以期指導(dǎo)充電樁運(yùn)行、使用和維護(hù)[3]。

1 華南地區(qū)充電樁典型故障問題

華南地區(qū)是典型的濕熱氣候，充電樁在濕熱環(huán)境下長期戶外服役更易發(fā)生各種故障問題，本文對(duì)充電樁安裝數(shù)量較多的珠海市內(nèi)1 000多只戶外充電樁進(jìn)行了調(diào)查。珠海市位于廣東省南部、珠江出?？谖靼?，瀕臨廣闊的南海，屬典型的亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，終年氣溫較高，氣候濕潤，年平均相對(duì)濕度80 %；雨量充沛，年平均降雨量達(dá)到2 061.9 mm。調(diào)查地點(diǎn)多達(dá)40多個(gè)，包括海濱公園、南坑、驛聯(lián)體驗(yàn)館等。充電樁典型故障問題如圖1所示。

圖1 珠海市充電樁典型問題

在濕熱氣候下，由于充電樁服役環(huán)境比較惡劣，充電樁投入戶外使用2-3年后，主要出現(xiàn)以下問題：①充電柜外殼的封堵泥失效，密封性下降；②充電柜內(nèi)電線發(fā)霉；③充電槍電纜發(fā)霉、磨損嚴(yán)重；④充電槍外殼出現(xiàn)裂縫、甚至破碎，露出導(dǎo)線，灰塵和泥沙積聚；⑤接地螺釘腐蝕嚴(yán)重，甚至脫落。

這些問題給充電樁的使用帶來了嚴(yán)重的安全隱患，輕則引起充電樁不能正常使用，重則甚至可能引起故障。由環(huán)境因素導(dǎo)致的充電樁常見電氣故障如表1所示。

表1 由環(huán)境因素導(dǎo)致的充電樁常見電氣故障

本文結(jié)合華南地區(qū)直流充電樁的運(yùn)行情況，通過層次分析法和模糊綜合評(píng)判方法研究溫度對(duì)直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)影響的強(qiáng)弱程度，即直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)可靠性，并進(jìn)行量化分析。

2 模糊綜合評(píng)判方法理論

模糊綜合評(píng)判是采用模糊數(shù)學(xué)為基本理論，對(duì)邊界模糊、不容易定量的因素進(jìn)行定值，從多因素對(duì)被評(píng)估對(duì)象的相關(guān)度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法。該方法特點(diǎn)在于，對(duì)象的評(píng)估是逐一進(jìn)行的，每一個(gè)評(píng)估的對(duì)象都有并且只有一個(gè)評(píng)價(jià)值；優(yōu)勢在于數(shù)學(xué)模型簡便，對(duì)多層次和多因素的復(fù)雜問題評(píng)價(jià)效果較好[4-7]。

2.1評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)等級(jí)

假定U={u1，u2，u3，...，um}為描述被評(píng)估對(duì)象的m種因素，其中m是評(píng)價(jià)因素的個(gè)數(shù)，由具體的指標(biāo)體系確定。

考慮到直流充電樁結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，評(píng)判集因素過多，本文進(jìn)一步采用分層評(píng)判模型，通過提取具有共同特征的幾個(gè)因素組成若干最低層單因素評(píng)判因素集，再將這些評(píng)判因素集看作因素構(gòu)成若干次低層評(píng)判因素集，以此類推，直到構(gòu)成最高層即第一層評(píng)判因素集為止。

評(píng)價(jià)集是描述評(píng)判因素集U里面各因素所處狀態(tài)的若干種判斷，即評(píng)價(jià)等級(jí)

2.2評(píng)價(jià)矩陣

單獨(dú)從評(píng)判因素集U中的一個(gè)因素ui出發(fā)進(jìn)行評(píng)判，確定評(píng)估對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)集合V的隸屬度，再將所有評(píng)估對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)集合V的隸屬度構(gòu)成一個(gè)評(píng)價(jià)矩陣R。

2.3權(quán)重確定

由于各因素在最終評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度有所不同，需要為各因素確定對(duì)應(yīng)的權(quán)重值。各因素權(quán)重的集合稱為權(quán)重集為對(duì)應(yīng)評(píng)判因素集U中的單個(gè)因素ui的權(quán)重，由權(quán)重集與評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行矩陣乘法運(yùn)算即可得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

常見的評(píng)價(jià)問題中權(quán)重的選取是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)主觀取值，而本文采用層次分析法獲得權(quán)重，其數(shù)學(xué)方法所具有的邏輯性可有效避免主觀成份，更貼近客觀事實(shí)。

通過層次分析法確定權(quán)重集A的過程如下：將集合中的因素兩兩進(jìn)行重要性比較[8,9]，得出判斷矩陣B，以本文為例，電源電路、微處理器兩因素在直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)故障中的判斷矩陣為：

式中，如電源電路故障和本身相比同等重要b11=1，電源電路故障比微處理器故障稍不重要b12=1/3，微處理器故障比電源電路故障稍重要b21=3。

為了保證判斷之間協(xié)調(diào)一致、無相互矛盾，同時(shí)要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)方法有多種，如偏差矩陣修正法、最大偏差值法、均方差法等，本文利用MATLAB軟件平臺(tái)采用方根法進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2.4模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B

通過模糊變換得到模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B：

式中：

bj—被評(píng)估對(duì)象從整體上看對(duì)評(píng)價(jià)集各元素vj的隸屬程度。

2.5模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

被評(píng)估對(duì)象對(duì)各級(jí)模糊子集的相關(guān)度即模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，它通常是矢量，而不是單獨(dú)的一個(gè)數(shù)值，因此提供的信息量比較豐富。若對(duì)多個(gè)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行對(duì)比，就需要將每個(gè)評(píng)估對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B依次轉(zhuǎn)換為綜合分?jǐn)?shù)，并按大小排序，從中選取最優(yōu)者。

3 直流充電樁可靠性評(píng)價(jià)體系

3.1確定模糊綜合評(píng)判因素集、溫度影響的綜合評(píng)價(jià)集和評(píng)判矩陣

直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)故障的評(píng)判因素集包括11個(gè)因素[10-13]，為了直觀和計(jì)算的方便，采用二層評(píng)判模型如圖3所示；綜合評(píng)價(jià)集采用五級(jí)評(píng)判，即 V={很高，高，中，低，很低}。

溫度影響的評(píng)判矩陣數(shù)據(jù)獲取來源于專家評(píng)價(jià)系統(tǒng)。根據(jù)華南地區(qū)直流充電樁的運(yùn)行情況，通過問卷的方式向多位經(jīng)驗(yàn)豐富的電氣專家詢問每一個(gè)因素的契合度數(shù)據(jù)，再按照可信度數(shù)值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同權(quán)重的處理。

3.2權(quán)重確定

通過層次分析法確定權(quán)重集A，采用方根法進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其中CI為計(jì)算出判斷矩陣A的一致性指標(biāo)，CI<0.10則判斷矩陣A有良好的一致性，CI值越小、一致性越好；RI則為判斷矩陣A的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，值由判斷矩陣A的階數(shù)n決定，如表2所示，可見一階判斷矩陣和二階判斷矩陣總是可以通過一致性檢查；CR為計(jì)算得到的隨機(jī)一致性比率，2階以上的判斷矩陣，其隨機(jī)一致性指標(biāo)比率CR< 0.1時(shí)，判斷矩陣A的一致性檢驗(yàn)則為通過。采用MATLAB實(shí)現(xiàn)的一致性檢驗(yàn)流程如圖2所示。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

圖2 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)程序流程圖

4 應(yīng)用

4.1模糊綜合評(píng)判數(shù)學(xué)模型

直流充電樁故障主要包括控制模塊、功率轉(zhuǎn)換模塊和外部設(shè)備三個(gè)部分，直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)故障二層評(píng)判模型如圖3所示。由專家系統(tǒng)生成溫度影響的評(píng)判矩陣數(shù)據(jù)，通過層次分析法確定權(quán)重集A，利用MATLAB采用方根法進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并驗(yàn)證通過，最后得到模糊綜合評(píng)判數(shù)學(xué)模型如表3所示。

表3 各層次權(quán)重關(guān)系表

圖3 評(píng)判因素分層模型

4.2模糊綜合評(píng)判的結(jié)果

在分析直流充電樁組成模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)直流充電樁故障影響因素，分析溫度對(duì)充電樁電氣模塊故障造成的影響做出綜合判斷。

采用數(shù)值9、7、5、3、1由低到高依次對(duì)應(yīng)評(píng)判集V={很高，高，中，低，很低}的五個(gè)等級(jí)，區(qū)間（9，1）看做評(píng)價(jià)集的范圍，將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B轉(zhuǎn)換為綜合分值，則：

4.3模糊綜合評(píng)判結(jié)果分析

由模糊綜合評(píng)判得出的溫度對(duì)直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)可靠性的影響結(jié)果中，溫度對(duì)充電樁電氣結(jié)構(gòu)故障影響評(píng)價(jià)為“很高”占比為45.5 %，評(píng)價(jià)為“高”的占比為22.9 %，其它評(píng)價(jià)占比不到30 %。將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B轉(zhuǎn)換為綜合分值，其范圍是一個(gè)在1-9之間的數(shù)，數(shù)值在區(qū)間[1，2.6)、[2.6，4.2)、[4.2，55.8)、[5.8，7.4)、[7.4，9)分別表示評(píng)價(jià)結(jié)果為很低、低、中、高、很高，因此計(jì)算得到的綜合分值7.016對(duì)應(yīng)表示溫度對(duì)直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)可靠性的影響為“高”。量化以后的結(jié)果可以直觀得出溫度對(duì)直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)可靠性的影響程度，由于量化以后的結(jié)果是確定的數(shù)值，可以靈活的針對(duì)不同時(shí)間段或不同地區(qū)做出相應(yīng)影響的判斷，也可以進(jìn)一步研究得到其隨時(shí)間變化的規(guī)律，對(duì)充電樁的建設(shè)規(guī)劃有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)論

本次研究通過層次分析法和模糊綜合評(píng)判的方法，研究了溫度對(duì)直流充電樁電氣結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)華南地區(qū)直流充電樁的長期運(yùn)行、使用和維護(hù)提供一定依據(jù)和思路。今后可以研究的方向有：①改善并優(yōu)化評(píng)判矩陣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過采用廣泛的數(shù)據(jù)資料以及專家評(píng)議系統(tǒng)，獲得更加貼近實(shí)際情況的評(píng)判矩陣。②結(jié)合不同地理位置，進(jìn)一步通過完善權(quán)重矩陣的方式得出更貼合不同地理環(huán)境的充電樁影響結(jié)果。③采用模糊綜合評(píng)判方法進(jìn)一步分析濕度和污染物對(duì)直流充電樁的影響。④進(jìn)一步研究溫濕度隨時(shí)間對(duì)直流充電樁影響的變化規(guī)律。