含大規(guī)模電動汽車的充電負(fù)荷建模方法

祁 含，何可寧，韋園清，戴廣平，鐘紅梅

0 引言

汽車的出現(xiàn)為人類的交通和交流帶來了極大的方便，逐漸成為了人類不可或缺的工具，許多國家將汽車行業(yè)定義為支柱產(chǎn)業(yè)。但是，凡事都有兩面性，同樣，汽車行業(yè)帶動經(jīng)濟(jì)時(shí)，也出現(xiàn)了許多的能源和環(huán)境矛盾。由于汽車用油占石油消耗量的1/3至1/2，其保有量的迅速攀升，對石油消耗造成嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。眾所周知，燃油汽車動力來源于石油，且燃燒效率不高，因此，在燃燒大量石油時(shí)，也產(chǎn)生大量的污染性氣體，給生態(tài)環(huán)境帶來重大負(fù)擔(dān)。伴隨石油稀缺和環(huán)境問題矛盾日益尖銳的今天，電動汽車的出現(xiàn)得到了世界范圍內(nèi)的認(rèn)同和推廣，純電動汽車還被認(rèn)為是汽車工業(yè)的未來[1]。

目前電動汽車受到國家和地方政策的大力推行，發(fā)展頗為迅速，可以預(yù)見的是未來將有大量的電動汽車充電負(fù)荷接入電網(wǎng)，影響電網(wǎng)的運(yùn)行和規(guī)劃。影響包括：（1）大量的電動汽車進(jìn)行充電會增加電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，出現(xiàn)“峰上加峰”的情況，加大電網(wǎng)峰谷差；（2）電動汽車充電具有隨機(jī)性，這種特性會影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；（3）電動汽車充電的隨機(jī)和無序性對配電網(wǎng)規(guī)劃帶來新挑戰(zhàn)。目前尚無大量的電動汽車投入應(yīng)用，因此運(yùn)行數(shù)據(jù)無從搜集，研究電動汽車接入電網(wǎng)的影響大多只能依靠負(fù)荷預(yù)測的手段，因此吸引了許多專家學(xué)者在電動汽車負(fù)荷預(yù)測方面做了許多工作[2～4]。文獻(xiàn)[5-6]通過總結(jié)電動汽車以前的負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，繼而進(jìn)行后續(xù)影響分析。文獻(xiàn)[7]根據(jù)燃油車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合假設(shè)條件，將電動汽車功率需求的部分影響因素設(shè)定為隨機(jī)變量，建立了統(tǒng)計(jì)模型。文獻(xiàn)[8]研究了出租車和私家車的特性并建立了充電需求模型。

可以看出，目前電動汽車充電負(fù)荷的建模大多未對電動汽車的種類進(jìn)行區(qū)分，即使有區(qū)分也沒有充分細(xì)致考慮到充電負(fù)荷的各種影響因素。本文從電動汽車充電負(fù)荷的影響因素入手，詳細(xì)地說明了不同類型電動汽車在不同影響因素的建模方法，并總結(jié)了各類電動汽車的充電行為特性，建立了充電負(fù)荷預(yù)測模型。

1 電動汽車充電負(fù)荷的影響因素

文獻(xiàn)[9]根據(jù)目前的電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀以及相關(guān)國家、省、市的電動汽車規(guī)劃，總結(jié)出未來的電動汽車種類集中在四類：公交、公務(wù)、出租、私家。具體發(fā)展趨勢見表1。

表1 中國電動汽車發(fā)展趨勢

由上述內(nèi)容可以總結(jié)出我國電動汽車的主要類型。因此，明確含大規(guī)模電動汽車的充電負(fù)荷建模分類為公交車、出租車、公務(wù)車、私家車，后續(xù)因汽車類型不同而有較大差異的數(shù)據(jù)將按此分類一一說明。

由于單輛電動汽車的充電負(fù)荷可由電動汽車充電功率、充電需求和充電時(shí)間分布確定。因此，下文從這三個方面分析電動汽車充電負(fù)荷的影響因素。

1.1 充電功率的影響因素

電動汽車的充電功率主要由充電方式確定，而充電方式目前主要有三種，分別是交流慢充、直流快充和更換電池。

（1）交流慢充一般都是采用250 V或者440 V的交流電壓進(jìn)行充電，充電功率一般在4～25 kW，充電時(shí)間一般在6～8個小時(shí)。總體來說交流慢充的特點(diǎn)為充電功率較小，充電時(shí)間較長。

（2）直流快充一般采用750 V及其以上的直流電壓進(jìn)行充電，充電電流一般在80～250 A，充電時(shí)間一般可以控制在一小時(shí)之內(nèi)，甚至是十來分鐘。總體來說直流快充的特點(diǎn)為充電功率大，充電時(shí)間短。

（3）更換電池又稱換電，是指在電動汽車在電池電量快消耗完時(shí)通過更換滿電量電池以獲得動力的方式。該種充電方式是動力續(xù)航方面用戶體驗(yàn)感最為接近燃油汽車的方式，但由于涉及到電動汽車電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一、成本過高以及商業(yè)模式不成熟等問題，目前很難普及應(yīng)用。

各充電方式主要對比見表2。

1.2 充電需求的影響因素

總結(jié)電動汽車充電需求的影響因素，見圖1。

（1）電動汽車日行駛里程

正常情況下，電動汽車行駛里程與電動汽車充電需求呈正比關(guān)系。電動汽車日行駛距離愈長，所消耗的電量也就愈多，其需要補(bǔ)充的電量也愈多。由于用戶實(shí)際使用需求的隨機(jī)性，電動汽車日行駛距離也呈現(xiàn)隨機(jī)性。

（2）電動汽車百公里電耗

電動汽車百公里電耗大小是一個重要的指標(biāo)，也被稱為標(biāo)準(zhǔn)耗電量，指的是當(dāng)車行駛一百公里的所需的電量，因此電動汽車實(shí)際行駛距離將決定電動汽車耗電量的多少，進(jìn)而決定電動汽車充電需求的大小。

（3）電動汽車種類

電動汽車的種類不同，負(fù)荷特性也會有所不同。從充電需求上來看，由于公交、出租定位為公共交通，需要服務(wù)于社會大眾，其運(yùn)行工作的時(shí)間較長，行駛距離較遠(yuǎn)，因此這兩類車呈現(xiàn)出的電量需求特點(diǎn)為多而穩(wěn)定；對于國家政府機(jī)關(guān)和事業(yè)單位為了執(zhí)行國家公務(wù)而專門配備的車輛，即公務(wù)車，其一般在于公務(wù)需要的情況下才使用，因此其日行駛持續(xù)時(shí)間較短，同時(shí)，公務(wù)車的標(biāo)準(zhǔn)耗電量較低，因此消耗的電量也較低。電動私家車主要服務(wù)于個體通勤及娛樂活動等，其消耗電量相較較小，同時(shí)，私家車由于每人出行時(shí)間和目的不一樣導(dǎo)致其出行距離也有所差異，具有較大隨機(jī)性。從充電時(shí)間層面看，公交車、出租車及公務(wù)車由于有統(tǒng)一的上下班時(shí)間或者休息時(shí)間使得這三類車的充電時(shí)間較為集中統(tǒng)一，而電動私家車的充電時(shí)間則較為分散。

表2 充電方式優(yōu)缺點(diǎn)對比

圖1 充電需求影響因素

（4）用戶行駛特性

電動汽車耗電量會因用戶行駛特性的變化而變化。電動汽車和傳統(tǒng)能源汽車一般在行駛特性影響車輛耗能方面的情況是一致的。如：在駕駛車輛時(shí)為了獲得駕駛樂趣，長時(shí)間的追求高加速度以及高速行駛，在行車時(shí)頻繁地切線并線超車并頻繁使用剎車等，這些行駛特性均會造成汽車能量消耗的增加。

（5）充電設(shè)施充電效率

一般來說，能量轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)均會有能量的損失，同樣，充電設(shè)施在對電動汽車負(fù)荷充電時(shí)也會有能量的損失，由于目前的充電設(shè)施生產(chǎn)廠家眾多，各廠家產(chǎn)出的充電設(shè)施的充電效率會有不同，即使同一廠家生產(chǎn)的充電設(shè)施，其充電效率也會略有不同。

根據(jù)《電動汽車充電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，非車載充電機(jī)效率須大于90%，車載充電機(jī)在負(fù)載為50%～100%條件下充電效率須大于85%。假定在一定的充電功率前提下，充電設(shè)施的充電效率越接近100%，則其負(fù)載就越接近電動汽車的實(shí)際充電功率；而當(dāng)效率降低時(shí)，則會加大充電設(shè)施也就是電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

（6）電池能量轉(zhuǎn)換效率

能量除了從充電設(shè)施轉(zhuǎn)移到電池的環(huán)節(jié)有損失外，在電池內(nèi)部也有能量的損失，電池內(nèi)部的能量損失主要集中在充電與放電過程。在充電過程，由充電設(shè)施轉(zhuǎn)移到電池的能量有部分會因電池內(nèi)阻的存在而以熱能形式損失掉；在放電過程，由充電過程儲存的能量同樣也會有熱能形式的能量損失。因此，電池本身會有能量轉(zhuǎn)換效率。不同的電池其能量轉(zhuǎn)換效率也有所不同，目前電動汽車使用的蓄電池中大多數(shù)為鋰電池。

1.3 充電時(shí)間的影響因素

電動汽車充電時(shí)間的分布與消費(fèi)者充電習(xí)慣和電動汽車用戶使用特性因素密切相關(guān)。根據(jù)消費(fèi)者充電習(xí)慣可確定用戶起始充電時(shí)間，通過已知充電需求和選擇的充電方式可得到充電持續(xù)時(shí)長，進(jìn)而得到充電結(jié)束時(shí)刻。

國家積極推進(jìn)共給側(cè)改革、全域旅游、“旅游＋”、旅游市場治理和旅游外交等，促進(jìn)旅游業(yè)發(fā)展；大型旅游集團(tuán)包括國旅、錦江、首旅和攜程、其他行業(yè)巨頭包括萬達(dá)、復(fù)星、海航、BAT和新美大等企業(yè)，通過并購和整合等資本方式頻繁布局，尋求更多的市場增長。傳統(tǒng)旅行社和旅游景區(qū)積極拓展新型營銷模式。

（1）消費(fèi)者充電習(xí)慣

消費(fèi)者不同往往會有不同的充電習(xí)慣。部分用戶習(xí)慣在電動汽車電量消耗到一定值以下再進(jìn)行充電，因此單次充電電量會較大，但整體充電電量則較為穩(wěn)定。而有些用戶則在能進(jìn)行充電時(shí)便對電動汽車進(jìn)行充電，這種情況下，單次充電電量會相對較小，但整體充電電量波動則會較大。

（2）電動汽車用戶使用特性

作為電動汽車持有者，用戶的使用特性直接決定了電動汽車的充電電量和充電時(shí)段。不同用戶因其不同使用特性和環(huán)境因素會選擇不同的充電方式。對于不同用途的電動汽車對應(yīng)著不同用戶使用特性，其對應(yīng)的充電時(shí)長也有所不同。

2 電動汽車充電負(fù)荷建模

電動汽車充電負(fù)荷建模過程也就是如何量化等效上述影響因素的過程。

2.1 充電功率的確定

目前動力電池以恒流—恒壓的2階段充電方法為主。如圖2所示，在恒流充電過程中，電池端電壓在不斷變化中，充電功率也將相應(yīng)發(fā)生變化。同時(shí)對于常規(guī)慢速充電，充電起始和結(jié)束階段相對于整個充電過程較短，可以忽略，因此本文的充電過程將等效為恒功率特性。

不同類型的電動汽車充電模式有所不同，充電功率也有所不同。一般來說，公交車、出租車以快充為主，公務(wù)車、私家車以慢充為主。

圖2 電動汽車充電時(shí)電池的功率變化仿真曲線

2.2 充電需求的確定

結(jié)合充電需求影響因素的分析得到電動汽車充電需求模型如下：

式中，Ec表示電動汽車每日的充電需求，Ebc表示電動汽車百公里電耗，kWh/100km；Ch表示行駛特性的折算因子；D表示電動汽車日行駛里程，km；ηm表示電動汽車充電設(shè)施充電效率；ηb表示電動汽車鋰電池能量轉(zhuǎn)換效率。

由于日行駛里程取決于用戶的行為特性，而用戶的行為特性具有隨機(jī)性，因此電動汽車日行駛里程D為隨機(jī)變量，需另獨(dú)立建模。

假設(shè)電動汽車取代燃油汽車后不改變用戶的行為特性，根據(jù)美國2009年汽車行駛數(shù)據(jù)庫NHTS統(tǒng)計(jì)得到電動汽車日行駛里程，通過MATLAB擬合，得到電動汽車日行駛里程滿足對數(shù)正態(tài)分布，模型如下：

其中，d為變量電動汽車日行駛歷程，μD為電動汽車日行駛里程的期望均值，σD為分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 充電時(shí)間的確定

不同類型的電動汽車選擇充電時(shí)間有所不同。公交車一般會選擇避開運(yùn)營繁忙期進(jìn)行充電，出租車則會選擇在午飯休息和夜間休息時(shí)間進(jìn)行充電，而公務(wù)車和私家車一般會選擇下班后到次日上班前進(jìn)行充電。

類似于日行駛里程，電動汽車開始充電的時(shí)間也具有隨機(jī)性，根據(jù)美國NHTS數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)得到汽車行駛規(guī)律，通過MATLAB工具箱得到電動汽車充電時(shí)間滿足正態(tài)分布，模型如下：

其中，x為電動汽車充電時(shí)間，μS為電動汽車充電時(shí)間的期望均值，σS為分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 算例分析

下文以惠州市為例對本文的建模方法應(yīng)用進(jìn)行說明。

首先確定充電功率。參考《惠州市電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施專項(xiàng)規(guī)劃（2016-2020）征求意見稿》，公交車與出租車以直流快充為主，公務(wù)車與私家車以交流慢充為主，結(jié)合惠州市已建充電設(shè)施情況，得到充電功率如表3。

表3 各類型電動汽車充電功率

其次確定充電需求。也就是根據(jù)所需建模地區(qū)情況對式（1）、式（2）定值。本文參考電動汽車行業(yè)結(jié)合惠州地區(qū)情況對式（1）、式（2）取值如表4。

各類型電動汽車日行駛里程對數(shù)正態(tài)分布參數(shù)擬合如表5。

表4 充電需求變量取值

表5 各類型電動汽車日行駛里程對數(shù)正態(tài)分布參數(shù)表

最后確定充電時(shí)間。調(diào)研惠州地區(qū)已有電動汽車的充電時(shí)間。電動公交車、電動出租車、電動私家車因行駛習(xí)慣或行駛里程的要求需要一天兩充，因此這三類電動汽車充電時(shí)間的模型為分段的正態(tài)分布。各類型電動汽車充電時(shí)間正態(tài)分布參數(shù)擬合如表6。

至此便完成了惠州電動汽車充電負(fù)荷的建模過程。

4 結(jié)語

近年來國家及地方陸續(xù)出臺了一系列新能源汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施推廣政策。電動汽車大規(guī)模發(fā)展的趨勢是顯而易見的。電動汽車充電負(fù)荷準(zhǔn)確建模是研究含大規(guī)模電動汽車與電網(wǎng)交互作用的基礎(chǔ)。本文首先根據(jù)電動汽車的現(xiàn)狀發(fā)展對電動汽車進(jìn)行科學(xué)分類，其次從可確定充電負(fù)荷的三要素充電功率、充電需求、充電時(shí)間出發(fā)分析充電負(fù)荷的影響因素，最后對三要素進(jìn)行一一確定建模，從而得到電動汽車充電負(fù)荷的模型。

表6 各類型電動汽車充電時(shí)間正態(tài)分布參數(shù)表min

本文旨在闡明一套適應(yīng)目前電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)并考慮使用者行駛特性的充電負(fù)荷建模方法，具體應(yīng)用可參考本案例結(jié)合所要研究地區(qū)汽車行駛特點(diǎn)對三要素的參數(shù)進(jìn)行修正。在得到電動汽車充電負(fù)荷模型后，可采用蒙特卡洛仿真方法對模型進(jìn)行求解得到電動汽車充電負(fù)荷曲線，從而開展含大規(guī)模電動汽車與電網(wǎng)互動影響的分析。

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