電動汽車充電機性能綜合評估

顏湘武，趙帥帥，董清，王玲，劉子勝，白帥濤，孫雪薇

電動汽車充電機性能綜合評估

顏湘武，趙帥帥，董清，王玲，劉子勝，白帥濤，孫雪薇

(河北省分布式儲能與微網重點實驗室(華北電力大學)，河北 保定 071003)

為保障電動汽車充電機安全可靠運行，解決充電機性能故障難以識別的問題，論述了電動汽車充電機性能狀態評估研究現狀并提出一種充電機性能狀態綜合評估方法。首先分析現有電動汽車充電標準，構建了充電機性能評估指標體系。其次運用層次分析法和熵權法，確定指標的綜合權重。然后利用模糊綜合評判理論建立評價模型，實現對充電機性能狀態的綜合評估。最后以一臺充電機為例進行性能評估分析。結果論證了所提出指標體系的有效性和評估方法的實用性，能夠為制定充電設備的運行維護方案提供依據。

電動汽車；充電機；狀態評估；層次分析法；熵權法；模糊綜合評判

0 引言

隨著化石能源危機的加劇和生態環境的不斷惡化，采用新的能源方式替代燃油車以此減少大氣污染越發顯得十分必要。電動汽車將電能轉化為機械動力環保節能，實現了汽車尾氣零排放的突破，成為新一代的代步工具，其發展前景廣闊并有取代燃油車的趨勢。充換電設備作為和其配套的基礎設施，與電動汽車的發展相輔相成，其安全、可靠、便捷的運行方式是維持電動汽車可持續發展的基礎[1-2]，其故障特征及保護控制策略對于充電設備所在配電網的安全運行十分重要[3]。

構建有效的評估指標體系，提高充電機運維評估效率，是保證充電設施系統安全、可靠運行的基本手段之一[4]。文獻[5]強調了評價指標體系的構建對充電機性能評價的重要性，并從多個方面構建了充電機性能評價指標體系。由于當前國內充電機的發展尚不完善，各項標準存在地區性差異，導致對充電機統一管理和評估的規程難以確立。本文結合現場實際運維問題，將充電機特性的指標體系劃分為一般性能、電氣性能、安全性能三部分進行狀態評估。

選用合理、高效的評估方法能夠及時準確地定位充電機故障，使設備運維更具有針對性，是保證充電設施系統安全、可靠運行的基本方法之一。文獻[6]采用模糊層次分析法對充電機電氣和安全性能進行了評估。層次分析法的特點是簡潔、系統，但主觀性強，評估結果缺乏客觀性，采用客觀權重與之結合計算綜合權重將會更合理[7]。熵權法屬于客觀賦權方法，能夠避免專家判斷的主觀隨意性誤差對權重結果的影響，將其和層次分析法結合使用，所確定的綜合權重更可靠[8-11]。

本文在分析現有電動汽車充電標準的基礎上，綜合考慮評估要素和評價指標，對充電機性能狀態進行研究。首先從3個方面選取了18個指標，構建了評估電動汽車充電機健康狀態的評價體系；其次將層次分析法和熵權法結合確定各指標的綜合權重；然后利用模糊綜合評判的理論對充電機性能狀態進行評估；最后應用上述指標體系和評估方法對一臺充電機進行評估，論證了指標體系的有效性和評估方法的實用性。

1 指標體系的構建

電動汽車充電機指標體系的構建對高效合理地評估充電機的狀態至關重要。電動汽車充電機的評估指標多涉及電氣性能、安全性能、樁體狀況。對于電動汽車充電機性能的評估，國內還沒有具體可參照的指標體系。在此情況下，本文在考慮充電機安全可靠運行的基礎上，按照客觀性、系統完備性、可獨立性以及可操作性強的原則并結合現行充電機檢測標準[12-14]，綜合考慮了一般性能、電氣性能和安全性能三個參考面，構建了一套適用于電動汽車充電機性能評估的指標體系，其具體內容如表1所示。

2 指標評估值的處理方法

對于充電機的性能指標可以分為定量指標和定性指標兩種。因為每個狀態指標量的單位不一致，無法通過原始數據對充電機做出評估，所以需要對各指標進行統一化處理。本文從對評估指標的優劣程度出發，將指標的評估值采用百分制的方式進行管理。對于定量指標分值通過構造分段函數對其進行打分；定性指標根據運維人員或專家的經驗，對充電機指標的優劣程度進行打分；得分越高說明充電機的運行狀況越優[15-17]。

表1 電動汽車充電機性能評估指標體系

2.1 定量指標

對于定量指標，按照對應的指標狀況，建立精度值和得分值之間的函數關系，部分指標對應函數關系列舉如下。

1) 穩壓精度

2) 穩流精度

3) 紋波系數

4) 輸出電壓整定誤差

5) 輸出電流整定誤差

2.2 定性指標

定性指標采用專家經驗法，并結合指標對充電機的影響程度進行打分，得分越高表明指標性能越穩定。以輸入過壓保護性能評分舉例如下。

輸入過壓保護：

1) 按規定保護值動作85分；

2) 保護動作值和規定值略有偏差、動作時間略有延時75分；

3) 動作值和動作時間明顯異常65分。

3 綜合決策評分理論與方法

電動汽車充電機運行狀態的異常會對供電網、動力蓄電池和充電機本身產生直接影響，故需要建立一個可以及時準確發現充電機問題的評估模型。本文考慮充電機各指標可能造成的影響，所提出的評估模型可以概括為兩步：第一步是將層次分析法和熵權法結合確定指標的綜合權重；第二步是利用模糊綜合評價的方法對充電機進行評分。

3.1 層次分析法(AHP)

層次分析法(AHP)是二十世紀70年代初由美國教授薩蒂(T.L.Santy)提出的將定性與定量結合的權重決策分析方法。利用層次分析法對電動汽車充電機指標主觀權重確定步驟如下：

1) 確定層次結構模型

本文對充電機所構建的評估指標體系分為三個層次，即目標層A、準則層B以及指標層C。其中準則層中包含B1、B2、B3三個指標，指標層中包含C31-C38八個指標。

2) 構造判斷矩陣

對每一層元素間兩兩比較，確定出判斷矩陣。矩陣中的元素采用1-9標度法進行確定[15]。

3) 計算權重向量

求出判斷矩陣的最大特征根及最大特征根所對應的特征向量，然后通過對所求出的特征向量進行歸一化處理，即可得對應指標的權重值。

4) 一致性校驗

計算每個判斷矩陣的最大特征根及最大特征根對應的特征向量，將計算出的一致性指標、隨機一致性指標和一致性比率進行一致性校驗。如果滿足要求，那么歸一化之后的特征向量即為權向量，否則需要調整判斷矩陣中的元素，重新構造判斷矩陣，重復上述步驟，直至滿足為止。

3.2 熵權法

層次分析法是一種主觀賦權的決策方法，無法綜合考量客觀因素。與之相對，熵權法是一種客觀賦權法，兩者結合，恰好可以彌補層次分析法的主觀隨意性[14]。

熵權法確定權重的步驟如下：

1) 構建原始數據矩陣。設有個評估對象，個評估指標，被評估對象M對指標D的值記為x，所形成的原始數據矩陣可以表示為

2) 計算第項指標下的第個評估對象的特征比重。將第項指標下的第個評估對象的特征比重記為p，則有

4) 確定指標的綜合權重，其中

3.3 模糊綜合評估

模糊綜合評估是建立在模糊數學理論之上的評價方法。按最大隸屬原則，依據評估指標之間存在的隸屬度差異，對充電機進行評估[4]。本文將模糊理論與層次分析法和熵權法相結合，對充電機性能狀態進行評估。

具體評估步驟如下：

1) 評語集的確定

本文將充電機性能指標狀態的評語集分為故障、異常、注意、正常、良好五級，即評語集={故障、異常、注意、正常、良好}={1,2,3,4,5}。

2) 隸屬度函數的確定

根據上述確立的評估指標體系，結合文獻[19-21]中隸屬函數的模糊集合運算理論，本文將三角形和梯形的模糊分布進行結合，確立了對充電機評分的隸屬函數如下：

3) 評分矩陣的確定

4) 進行模糊綜合評判

5) 計算綜合評分

將模糊綜合評估結果代入隸屬函數進行反模糊化計算，得到評語集得分V=(1,2,3,4,5)。利用式(10)計算，即得出充電機綜合評分。

電動汽車充電機性能狀態評價基本流程如圖1所示。

4 算例分析

選用石家莊某廠家生產的一臺充電機，結合充電機測試平臺測試得到的數據進行評估。

1) 主觀權重的計算。結合充電機工作的特點綜合專家意見得出各指標的綜合權重。

準則層判斷矩陣及主觀權重如表2所示，其中最大特征根為3.024 6，隨機一致性比率= 0.023 6< 0.1，滿足一致性的要求。

表2 準則層主觀權重

一般性能的主觀權重判斷矩陣如表3所示，其中最大特征根為3.053 6，隨機一致性比率= 0.051 6<0.1，滿足一致性的要求。

表3 一般性能主觀權重

電氣性能的主觀權重判斷矩陣如表4所示，其中最大特征根為7.605 1，隨機一致性比率= 0.074 2<0.1，滿足一致性的要求。

表4 電氣性能主觀權重

安全性能的主觀權重判斷矩陣如表5所示，其中最大特征根為8.596 2，隨機一致性比率= 0.060 4<0.1，滿足一致性的要求。

表5 安全性能主觀權重

2) 客觀權重的計算。根據測試平臺在不同時間記錄的測試數據和現場運行維護人員及專家經驗計算客觀權重。

對準則層中一般性能、電氣性能和安全性能的得分，分別取每個子指標的平均得分；然后，根據熵權法運算得出指標客觀權重。如表6—表8所示。

3) 綜合權重的計算如表9所示。

表6 一般性能客觀權重

表7 電氣性能客觀權重

表8 安全性能客觀權重

表9 指標綜合權重

4) 模糊綜合評判

最后，根據式(10)得出充電機性能評分= 71.09，可以判斷充電機性能狀態達到“注意”值，且接近“異常”狀態。結合原始數據，對指標層進行分析可判斷出輸出電壓整定誤差達到了“故障”值，且輸出電流整定誤差達到了“異常”值，其他指標都處于正常值，將所得出的評判結果與利用C#軟件所搭建的測試平臺的測試報告進行驗證。

其中，測試平臺主要由中央控制層、人機交互層、設備層及軟硬件接口組成，如圖2所示。設備層包括了系統的硬件設備，分為電源模塊、負載模塊、保護模塊和測量模塊四部分。人機交互層為測試系統的軟件部分，在Visual Studio編程環境下，采用Visual C#編程語言搭建，負責測試流程的編輯、測試過程的監控、數據的實時顯示、測試數據的分析、測試報告的生成。中央控制層為系統測試控制的核心，包含了測試流程控制系統、測試數據采集系統、測試數據分析系統和數據庫存儲系統，在內部嵌入了虛擬電池管理技術。它通過軟件或硬件接口實現與其他設備的通信，執行參數配置、測試啟停和數據讀取及存儲等操作。

給出測試報告中異常性能指標的測試結果如圖3和圖4所示。圖3為輸出電壓整定誤差在標準規定的輸入電壓和輸入頻率變化時的測試結果圖，顯然明顯高于標準限定值的±0.5%；圖4為輸出電流整定誤差在標準規定的輸出電壓和輸出電流變化范圍變化時的測試結果，顯然明顯高于標準限定值±1%。由此表明，所得出的充電機評判結果與測試報告的結果一致，驗證了評估模型的有效性及指標體系的可靠性。

圖2 測試平臺結構圖

圖3 輸出電壓整定誤差測試結果圖

圖4 輸出電流整定誤差測試結果圖

5 結語

文章對充電機性能狀態的評估問題進行了研究，從3個方面選取18個指標構成電動汽車充電機性能狀態的評估指標體系，運用模糊綜合評判法對電動汽車充電機進行評估，最終得出被測充電機的總體性能健康狀況。運維人員可以依據評估結果，對所測充電機性能健康狀況有一個全面的認識并可據此展開對應充電機的運維工作。此外，隨著電動汽車充電機檢測、安全標準的不斷完善以及現場運維數據的不斷積累，可以形成故障經驗庫，為電動汽車充電機的現場運維檢修提供依據，并保障充電機安全可靠的運行。

[1] 郭葳, 尹新濤, 王俊霞, 等. 基于曼哈頓距離法的充電樁遠程運維系統設計[J]. 電力系統保護與控制, 2018, 46(13): 134-140.

GUO Wei, YIN Xintao, WANG Junxia, et al. Design of long-distance operation and maintenance system of charging pile based on Manhattan distance method[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(13): 134-140.

[2] CHENG Y, ZHANG C. Configuration and operation combined optimization for EV battery swapping station considering PV consumption bundling[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2017, 2(2): 276-293. DOI: 10.1186/s41601-017-0056-y..

[3] 徐歌, 肖仕武, 叢明一. 電動汽車充放電站的短路故障分析與保護[J]. 電力系統保護與控制, 2018, 46(7): 150-156.

XU Ge, XIAO Shiwu, CONG Mingyi. Analysis and protection of short circuit faults in electric vehicle charging and discharging stations[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(7): 150-156.

[4] 賀春, 陳卓, 馮瑾濤, 等. 電動汽車充電安全分析與解決方案[J]. 供用電, 2017, 34(1): 12-18, 50.

HE Chun, CHEN Zhuo, FENG Jintao, et al. Analysis and solution of electric vehicle charging safety[J]. Distribution & Utilization, 2017, 34(1): 12-18, 50.

[5] 宋偉. 電動汽車充電一體化安全預警防護體系研究[D]. 南京: 南京郵電大學, 2018.

SONG Wei. Research on integrated safety early warning protection system for electric vehicle charging[D]. Nanjing: Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2018.

[6] 葉健誠, 董晨, 馬彥華, 等. 電動汽車充電機性能評價指標體系研究[J]. 電測與儀表, 2015, 52(21): 91-96.

YE Jiancheng, DONG Chen, MA Yanhua, et al. Study on performance evaluation index system of electric vehicle charger[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2015, 52(21): 91-96.

[7] 許樹伯. 層次分析法原理[M]. 天津: 天津人民出版社, 1988.

[8] 陳衛, 楊波, 張兆云, 等. 計及電動汽車充電站接入的配電網承載能力評估與優化[J]. 電工技術學報, 2014, 29(8): 27-35, 45.

CHEN Wei, YANG Bo, ZHANG Zhaoyun, et al. Evaluation and optimization of distribution capacity of distribution network considering electric vehicle charging station access[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(8): 27-35, 45.

[9] 鄧紅雷, 戴棟, 李述文. 基于層次分析-熵權組合法的架空輸電線路綜合運行風險評估[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(1): 28-34.

DENG Honglei, DAI Dong, LI Shuwen. A comprehensive operation risk assessment of overhead transmission lines based on analytic hierarchy process-entropy weight combination method[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(1): 28-34.

[10] 朱科屹, 宋娟, 周唯, 等. 電動汽車直流充電樁綜合測評指標體系研究[J]. 工業技術創新, 2017, 4(1): 17-21.

ZHU Keyi, SONG Juan, ZHOU Wei, et al. Research on comprehensive evaluation index system of electric vehicle DC charging pile[J]. Industrial Technology Innovation, 2017, 4(1): 17-21.

[11] 張晶晶, 許修樂, 丁明, 等. 基于模糊層次分析法的變壓器狀態評估[J]. 電力系統保護與控制, 2017, 45(3): 75-81.

ZHANG Jingjing, XU Xiule, DING Ming, et al. Transformer state assessment based on fuzzy analytic hierarchy process[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(3): 75-81.

[12] 劉錫正. 電動汽車充電機綜合評價指標體系研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2012.

LIU Xizheng. Research on comprehensive evaluation index system of electric vehicle charging equipment[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2012.

[13] 電動汽車非車載傳導式充電機技術條件: NB/T33001—2018[S]. 北京: 中國社會科學出版社, 2018.

Technical requirements for non-vehicle conductive chargers for electric vehicles: NB/T 33001—2018[S]. Beijing: China Social Sciences Press, 2018.

[14] 電力工程直流電源設備通用技術條件及安全要求: GB/T 19826—2014[S]. 北京: 中國標準出版社, 2014.

General technical conditions and safety requirements for DC power supply equipment for power engineering: GB/T 19826—2014[S]: Beijing: Standards Press of China, 2014.

[15] 何逢標. 綜合評價方法Matlab實現[M]. 北京: 中國社會科學出版社, 2010.

[16] 陳衛, 楊波, 張兆云, 等. 計及電動汽車充電站接入的配電網承載能力評估與優化[J]. 電工技術學報, 2014, 29(8): 27-35, 45.

CHEN Wei, YANG Bo, ZHANG Zhaoyun, et al. Evaluation and optimization of distribution capacity of distribution network considering electric vehicle charging station access[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(8): 27-35, 45.

[17] WANG Yuyang, XU Luyan, HONG Yan, et al. Fuzzy analytical hierarchy process methods for evaluating the comfort of textiles[C] // 2015 Seventh International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 2015, Nanchang, China: 502-505.

[18] 宋海洲, 王志江. 客觀權重與主觀權重的權衡[J]. 技術經濟與管理研究, 2003(3): 62-63.

SONG Haizhou, WANG Zhijiang. The balance between objective weight and subjective weight[J]. Technology Economics and Management Research, 2003(3): 62-63.

[19] 陽東升, 范帥, 劉子興, 等. 基于熵值賦權法的配電變壓器狀態評估方法研究[J]. 南方電網技術, 2014, 8(4): 116-121.

YANG Dongsheng, FAN Shuai, LIU Zixing, et al. Study on state evaluation method of distribution transformer based on entropy weighting method[J]. Southern Power System Technology, 2014, 8(4): 116-121.

[20] WANG Fuzhong, HAN Sumin, CAO Bin. A hierarchical fuzzy comprehensive evaluation algorithm for running state of a 6?kV (10?kV) power switch cabinet[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2018, 12.

[21] 賀仲雄. 模糊數學及其應用[M]. 天津: 天津科學技術出版社, 1983.

Comprehensive evaluation of electric vehicle charger performance

YAN Xiangwu, ZHAO Shuaishuai, DONG Qing, WANG Ling, LIU Zisheng, BAI Shuaitao, SUN Xuewei

(Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid (North China Electric Power University), Baoding 071003, China)

In order to guarantee the safe and reliable operation of the electric vehicle charger, the status quo of the performance evaluation of the electric vehicle charger is reported and a comprehensive evaluation method of the performance status of the charger is proposed. Firstly, based on the analysis of the current charging standards of electric vehicles, the evaluation index system of the health status of charging equipment is constructed. Secondly, the Analytic Hierarchy Process (AHP) and the entropy method are combined to determine the comprehensive weight of the indicators. Then the fuzzy comprehensive evaluation is used to evaluate the health states of charging equipment. Finally, the above indicator system and evaluation method are used to evaluate a charger. The results show the validity of the proposed index system and the practicability of the evaluation method, which can provide a basis for the development of operation and maintenance plans for charging equipment.

This work is supported by Natural Science Foundation of Hebei Province (No. E2018502134) “AC/DC Charger Interoperability Test Method Orienting to EV Charging Facility Onsite Detection and Technical Research of Fault Feature Analysis”.

EV; charger; condition assessment; AHP; entropy method; fuzzy comprehensive evaluation

轉載自《電力系統保護與控制》2019年48卷1期

顏湘武, 趙帥帥, 董清, 等. 電動汽車充電機性能綜合評估[J]. 電力系統保護與控制, 2020, 48(1): 164-171.

YAN Xiangwu, ZHAO Shuaishuai, DONG Qing, et al. Comprehensive evaluation of electric vehicle charger performance[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(1): 164-171.

10.19783/j.cnki.pspc.190223

河北省自然科學基金項目資助(E2018502134)“面向電動汽車充電設施現場檢測的交直流充電接口互操作性測試方法和故障特征分析技術研究”

2019-03-02；

2019-04-08

顏湘武(1965—)，男，博士，博士生導師，研究方向為新能源電力系統、現代電力變換、新型儲能與節能等；E-mail: xiangwuy@163.com

趙帥帥(1990—)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向為電動汽車充換電設施檢測；E-mail: zhao2017shuaishuai@ 163.com

董 清(1970—)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統魯棒控制、廣域測量系統的應用技術。E-mail: dq.d@ 163.com