電動汽車充電站智能化調度研究

趙高飛，孫云蓮，張笑迪，段 慶

(武漢大學電氣工程學院，湖北武漢430072)

電動汽車充電站智能化調度研究

趙高飛，孫云蓮，張笑迪，段 慶

(武漢大學電氣工程學院，湖北武漢430072)

通過電動汽車充電站智能化調度控制，服務器將充電站信息發送給已請求充電的電動汽車用戶，用戶根據其提供的信息，選擇最近且有空余充電位的充電站進行充電。該智能化調度可以幫助電動汽車用戶快速就近找到充電站，有效減少充電等待時間。

電動汽車；充電站；智能化調度

電動汽車的發展改變了以往的能源供應結構，從使用一次能源變為使用二次能源，這種結構的改變使得電力系統結構更加分散，電動汽車和配電網之間的連接關系通過在電動汽車活動范圍內建立充電站來完成。因此，研究充電站建設和布局成為推廣電動汽車應用的重點[1]。

充電站建設對供電部門和電力運營商來說，首要考慮的是配電網的可靠運行，其次是協調好供電部門和電力運營商之間的關系。不考慮電動汽車家用充電樁，電動汽車公共充電站需要為用戶提供優質的服務，許多文獻研究了電動汽車公共充電站的優化布局，并進一步研究了智能電網條件下公共充電站在電動汽車和電網之間電能的相互轉化。本文研究了電動汽車在市區或高速公路需要進行充電時，如何快速便捷地找到充電站及時進行充電，提高用戶工作的時效性。主要方法是針對電動汽車充電的各種情況，通過服務器信息系統自動完成充電站信息收集并發送給用戶，完成充電站的智能化調度，此方法可有效降低用戶充電等待時間，同時也可分散電網負荷，使電動汽車充電對電網的影響降到最小。

1 電動汽車充電站基本框架

電動汽車充電站是由一個或幾個充電接口組成，與配電網相連接，完成電動汽車充電的基礎設施。與電網連接部分可以是變壓器、發電機或其他電能儲存設備，能夠為電動汽車提供可靠的充電服務，電動汽車充電站的選址、投資、經營管理和維護由運營商完成，電網提供電力供應[2]。

電動汽車充電站可以通過配電網獲取電能，在高速公路和偏遠地區也可通過風力發電或光伏發電獲取電能，運營商通過互聯網對充電站進行經營和管理，充電站的所有信息通過互聯網傳輸至服務器信息系統，由服務器自動對充電站進行調度，并將信息發送至請求充電的電動汽車用戶。圖1為電動汽車充電站基本框架，圖2為電動汽車、充電站、服務器主從關系。

圖1 電動汽車充電站基本框架

圖2 電動汽車、充電站、服務器主從關系

2 電動汽車充電站智能化調度

2.1 電動汽車發送請求

電動汽車在行駛途中，隨著電量消耗，需要實時掌握充電站的相關信息，用戶可以通過內置于移動設備的程序連接到互聯網或者GPS服務器，從而獲取可用充電站的相關信息，充電站服務器接到用戶的充電請求后，進行判斷和分析，將信息保存在數據庫中，流程如圖3所示，主要包括：充電站服務器讀取電動汽車充電請求；充電站服務器獲取電動汽車坐標和充電站位置布局；充電站服務器讀取電動汽車電池容量、剩余電量、剩余行駛距離和路況信息，同時讀取數據庫中充電站位置信息和工作負荷信息；充電站服務器計算各充電站到電動汽車最短距離，并將其排序；充電站服務器查詢最近充電站是否滿載；若最近充電站已滿載，服務器尋找下一個最近充電站，此過程循環往復直到服務器找到未滿載的充電站；服務器找到未滿載的充電站，將信息保存。

圖3 電動汽車發送充電請求流程

2.2 電動汽車接收充電站服務器信息

圖4 電動汽車接收服務器信息流程

充電站服務器接到電動汽車充電請求信息后，經過計算將距離電動汽車最近的充電站信息和電網實時電價信息發送至電動汽車用戶。具體流程如圖4所示，主要包括：服務器讀取電動汽車充電請求(電動汽車坐標、電池容量、剩余電量、剩余行駛里程)；服務器讀取充電站信息(充電站位置、與電動汽車距離、行駛路徑、是否滿載、在充電動汽車剩余充電時間)；服務器讀取電網信息(實時電價)；服務器將讀取的電動汽車、充電站和電網信息進行處理[3]；服務器將已處理的信息發送至請求充電電動汽車用戶。

2.3 電動汽車登記/注冊

電動汽車根據充電站服務器發來的信息，通過推薦路徑到達最近充電站后，在充電前進行登記/注冊，當太多電動汽車同時到達同一充電站時，而充電站沒有足夠的充電位，電動汽車需要等待充電直到有空余充電位，若有空余充電位，登記/注冊后直接進行充電，具體流程如圖5所示，主要包括：電動汽車到達最近充電站，登記/注冊到達信息；充電站服務器核查該充電站充電位工作數量和閑置數量；服務器判定該充電站是否滿載；若充電站未滿載，充電站負荷設置為當前充電負荷+1；電動汽車進入充電模式；若充電站滿載，電動汽車進入等待充電模式；服務器不間斷接收充電站信息，判斷是否有空余充電位，若有，發送信息到待充電汽車，進入充電模式；若沒有，待充電電動汽車繼續等待，直到有空余充電位。

圖5 電動汽車登記/注冊流程

2.4 電動汽車充電開始

電動汽車進入空余充電位，將充電接頭連接至電動汽車，開始充電，服務器讀取電動汽車信息(電池容量、剩余電量)、充電接頭信息(充電功率)、電網信息(實時電價)，經計算處理后得出充電所需時間和充電費用，并將信息發送至充電位顯示屏和用戶終端[4]，由用戶判定是否需要等待電動汽車滿充，流程如圖6所示，主要包括：電動汽車連接充電接頭，開始充電；服務器讀取電動汽車信息、充電接頭信息和電網信息；服務器計算電動汽車充電時長和充電費用，并將信息發送至電動汽車用戶終端和充電位顯示屏；用戶根據信息和工作任務判定是否進行滿充；選擇滿充，則原地等待直到充滿，也可選擇就近辦事，服務器實時將充電信息發送至客戶終端，充滿時提車；不選擇滿充，則選擇充電時間和充電量以滿足工作需要，達到要求時斷電取車離開。

圖6 電動汽車開始充電流程

2.5 電動汽車充電請求取消

當電動汽車在前往服務器建議的充電站的途中，發現有距離更近的充電站剛好有空余充電位，則用戶向服務器發送取消充電請求，流程如圖7所示，主要包括：電動汽車發送取消充電請求，同時發送登記/注冊信息[5]；服務器讀取用戶取消充電請求、充電站信息和電網信息；服務器將該充電站信息發送至用戶終端和充電位顯示屏；電動汽車用戶接收信息；電動汽車開始充電；當前充電站接收信息；充電站工作負荷加1。

圖7 電動汽車取消充電請求流程

2.6 充電完成

電動汽車充電站智能化調度的最后一步是充電過程完成，通過電動汽車用戶向服務器發送充電完成信息或者通過該充電位向服務器發送空置信息來完成，目的是更新服務器數據庫中可用充電站信息，流程如圖8所示，主要包括：電動汽車用戶向服務器發送充電完成信息；充電站當前充電位發送空置信息；電網發送實時電價信息；充電站服務器接收電動汽車、充電站和電網信息；服務器判定電動汽車充電完成；服務器更新數據庫，將可用充電站充電位數加1；將數據信息存儲于數據庫中。

圖8 電動汽車充電完成流程

3 結果與分析

3.1 電動汽車充電站優化調度

通過電動汽車充電站智能化調度，不僅可以使電動汽車用戶享受方便快捷的充電服務，運營商還可以節省運營成本，加大充電站利用率，提高電網效能。運營商也可通過查看每個充電站服務覆蓋范圍和該充電站利用率，做出是否擴建該充電站或在服務覆蓋范圍之外另新建充電站的決策。

在電動汽車用戶、充電站運營商、交通管理部門和電網之間進行信息交互必須在互聯網連接的基礎上完成，通過充電站服務器在已有充電站覆蓋區域進行電動汽車用戶最短等待時間的計算，充電站服務器在此過程中充當重要的指揮中樞作用。首要的信息來自于電動汽車，其當前所在坐標位置、電池容量、剩余電量和剩余行駛里程等信息可以通過電動汽車用戶或電動汽車內置設備發送，電動汽車用戶可以使用智能手機或安裝應用程序發送請求信息。開發基于安卓操作系統的應用程序和用戶界面有助于電動汽車用戶和充電站服務器進行通信。安裝在電動汽車內置設備上的應用程序可以嵌入到電動汽車能量管理系統(EMS)中，對電動汽車狀態進行不間斷監測。對電動汽車用戶來說，安裝在電動汽車上或用戶智能手機上的應用程序必須得到注冊許可才能使用，且用戶要熟知應用程序使用方法。對充電站運營商來說，必須要與交通管理部門和電網達成信息共享協議，在此基礎上，可以在充電站控制設備上安裝相應的終端應用程序，在充電站服務器上安裝集信息接收、處理、發送于一體的智能化調度管理系統。

3.2 信息支持與智能電網通信

對長途行駛的電動汽車用戶來說，增加充電站覆蓋范圍可以提高用戶滿意度，消除用戶充電恐慌。在城市范圍內，基于此系統可以實現電動汽車和充電站網絡全覆蓋，城市間也可實現信息共享，這可以通過現有的移動互聯網很容易地就能建立此信息網絡。同時需要與區域通信運營商達成通信協議，以加大充電站服務覆蓋范圍，有條件的偏遠地區還可以使用衛星通信系統實現信息接收和發送。但是由于衛星通信準入條件所限，并不是所有電動汽車都能使用衛星通信系統，未來可以考慮通過智能電網通信系統來解決這一問題，智能電網可以在其所覆蓋的每個節點很容易實現信息共享。無需在充電站安裝應用程序，智能電網也能通過充電站各項指標判定該充電站是否過載，從而判定是否有空余充電位供電動汽車充電。雖然許多國家投入大量資金發展智能電網，但總體來說智能電網的發展仍處于初級階段[6]。智能化調度信息支持網絡如圖9所示。

圖9 智能化調度信息支持網絡

3.3 在V2G系統中的作用

汽車到電網(V2G)系統在電動車不運行時，通過連接到電網的電動馬達將能量輸給電網，反過來，當電動車電池需要充滿時，電流可以從電網中提取出來給到電池[7]。當夜間處于用電低谷時對電動汽車進行充電，白天處于用電高峰時電動汽車將電能反向輸送給電網，對電網起到“削峰填谷”的作用。電動汽車售電給電網的過程需要電網、電力運營商通力合作，將分散的電動汽車電能進行回收和出售，電網、電力運營商可以和充電站運營商進行合作，將信息資源整合到電動汽車充電站服務器中，使電動汽車用戶在就近充電的情況下實現就近售電給電網。這種智能化調度可以實時接收電網用電信息，通過服務器向電動汽車用戶發布用電需求，由用戶通過電動汽車終端設備判定是否要售電給電網，并實時接收就近售賣點信息，在最短時間內完成向電網售電。

4 結論

本文提出的電動汽車充電站智能化調度是在已有充電站的基礎上實現的，整個過程是由安裝在充電站運營商處的服務器來完成的，服務器將電動汽車、電網、電力運營商、充電站運營商的信息通過互聯網集成在數據庫中，通過計算將信息實時發送至各用戶終端，這種智能化調度可以大大減少電動汽車用戶充電等待時間，有效提高充電站使用效率，對降低區域內電網的峰值負荷也有一定效用。在智能電網條件下還可以實現電動汽車和電網之間的電能相互轉化，對智能城市的建設具有非常重要的意義。

[1]郝建飛.電動汽車充電站選址問題研究[D].大連：大連海事大學，2015.

[2]李波.城市內和城市間電動汽車充電站的選址布局研究[D].天津：天津大學，2011.

[3]袁明虎.基于Multi-Agent的電動汽車充電管理研究及仿真軟件開發[D].成都：電子科技大學，2014.

[4]馮艾，劉繼春，吳磊，等.基于前景理論的電動汽車多模式充電行為分析[J].電力系統及其自動化學報，2013(2)：58-64.

[5]羅歡聚.基于Erlang的電動汽車充換電設施模擬[D].杭州：浙江理工大學，2015.

[6]常虹.智能電網背景下的電力供需分析與電價研究[D].成都：電子科技大學，2013.

[7]賈歡.綠色能源聯合優化運行技術的研究[D].濟南：山東大學，2013.

Study on electric vehicle charging station intelligent scheduling

ZHAO Gao-fei,SUN Yun-lian,ZHANG Xiao-di,DUAN Qing
(School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072,China)

By the help of intelligent scheduling and controlling system,the information was sent to the users who had requested to charge electric vehicle by charging station server. According to the provided information, the users selected the nearest charging station where had spare charging pole to charge electric vehicle. The intelligent scheduling helped the users quickly find the nearest electric vehicle charging stations, and the waiting time was reduced efficiently.

electric vehicle;charging station;intelligent scheduling

TM 91

A

1002-087 X(2017)10-1467-04

2017-03-13

趙高飛(1983—)，男，內蒙古自治區人，碩士研究生，主要研究方向為配電網規劃和電動汽車。