電壓穩(wěn)定性和充電服務(wù)質(zhì)量的電動(dòng)汽車(chē)充電站規(guī)劃研究

姚騰飛，鮑恩奇

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

1 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施充電方式的選擇問(wèn)題

1.1 常規(guī)充電設(shè)施充電方式

常規(guī)充電方式是充電設(shè)施，采用較低的電流，為車(chē)用動(dòng)力電池進(jìn)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(shè)施，連接的是車(chē)載的充電機(jī)，完成向車(chē)載電池充電。常規(guī)充電模式中，充電電流通常較小，充電時(shí)間耗時(shí)較長(zhǎng)，因此常規(guī)的充電模式也被稱(chēng)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(jìn)行充電，能夠結(jié)合電流與電壓的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)定壓充電。常規(guī)充電對(duì)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(duì)具體充電時(shí)間，能夠完成有效的控制，避免車(chē)輛車(chē)載電池過(guò)度的充電。常規(guī)充電的優(yōu)勢(shì)在于，其充電電流較為穩(wěn)定，同時(shí)充電功率較小，對(duì)于車(chē)載電池的使用壽命來(lái)說(shuō)，沒(méi)有過(guò)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(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊。相對(duì)來(lái)說(shuō)，常規(guī)充電能夠利用電網(wǎng)的功能低下時(shí)段，充電成本較少。但是，常規(guī)充電也有其固有的缺點(diǎn)，主要在于其充電時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于充電車(chē)輛來(lái)說(shuō)需要一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的停靠地點(diǎn)，對(duì)于充電樁的占用時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)。同時(shí)，由于車(chē)輛緊急充電時(shí)需求的電能供應(yīng)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(shè)施充電方式

快速充電是針對(duì)非車(chē)載充電機(jī)采用的大電流供電設(shè)施完成的，車(chē)載電池直接充電。快速充電方式能夠使車(chē)載電池快速完成電量補(bǔ)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(shí)間在20～120 min 以?xún)?nèi)。為完成快速充電，一般采用的供電方式為直流供電。快速充電的充電站，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。快速充電站在電壓設(shè)置上，最高可達(dá)120 kW。快速充電盡管充電方式較快，但是目前適應(yīng)的車(chē)型較少，只有部分特斯拉、比亞迪、北汽新能源電動(dòng)汽車(chē)支持這種充電模式。快速充電的充電優(yōu)勢(shì)十分明顯，在于充電時(shí)長(zhǎng)短，能夠快速完成70%～80%的電能充電。不僅充電功率大，同時(shí)能夠提升車(chē)主充電滿意度，提高充電便捷性。但是，快速充電的缺點(diǎn)也十分明顯，由于電流過(guò)大，對(duì)電池造成了嚴(yán)重的發(fā)熱影響，會(huì)降低電池使用壽命，同時(shí)短時(shí)間內(nèi)的密集快充會(huì)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(duì)充電站一般難以滿足。這種充電方式，主要應(yīng)用于電池組較為標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車(chē)群體，如公交車(chē)、出租車(chē)、公務(wù)車(chē)、環(huán)衛(wèi)車(chē)等。電池更換的充電方式能夠快速完成第一股電的電能補(bǔ)充，同時(shí)能夠通過(guò)純手動(dòng)、半自動(dòng)或機(jī)械自動(dòng)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(guò)程，能夠緩解充電時(shí)長(zhǎng)的缺陷問(wèn)題。電池更換對(duì)車(chē)主來(lái)說(shuō)是十分便捷的，能夠充分地滿足車(chē)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)化，因此對(duì)于電池的管理以及充電站運(yùn)營(yíng)成本方面來(lái)說(shuō)，都是一項(xiàng)較大的挑戰(zhàn)。

2 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃方法內(nèi)容以及原則

2.1 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃原則

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電設(shè)施規(guī)劃，要立足于電壓穩(wěn)定、電網(wǎng)布局。促進(jìn)充電服務(wù)的合理發(fā)展，并且以電網(wǎng)降低成本目標(biāo)為基準(zhǔn)，充分選擇具體充電設(shè)施，完成城市整體規(guī)劃。針對(duì)城市充電，要滿足車(chē)輛聚集、車(chē)輛排隊(duì)、充電樁設(shè)施等具體設(shè)計(jì)規(guī)劃內(nèi)容，同時(shí)關(guān)注車(chē)輛的充電時(shí)間，在提升充電功率的同時(shí)減小車(chē)輛在集中時(shí)段的充電需求。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃方法內(nèi)容

針對(duì)具體的充電設(shè)施規(guī)劃內(nèi)容，可以從電動(dòng)汽車(chē)充電方式、充電需求等多個(gè)方面，進(jìn)行規(guī)劃方式的分析。要重點(diǎn)關(guān)注城市內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)分布情況、車(chē)輛排隊(duì)情況、電動(dòng)汽車(chē)耗電量等具體因素。將這些內(nèi)容綜合考慮進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃中，對(duì)不同電動(dòng)汽車(chē)的具體電壓需求以及不同車(chē)主的充電服務(wù)需求進(jìn)行關(guān)注。從城市電網(wǎng)總體規(guī)劃方面入手，結(jié)合具體的充電設(shè)施，完成定容、選址等規(guī)劃內(nèi)容，確保對(duì)方案完成優(yōu)化評(píng)價(jià)工作，實(shí)現(xiàn)充電設(shè)施優(yōu)化規(guī)劃的效果。

3 電動(dòng)汽車(chē)充電需求預(yù)測(cè)

3.1 充電功率

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)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(lèi)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(kāi)始充電時(shí)，先以恒定的電流將電池充電至一個(gè)電壓閥值，然后在這個(gè)電壓閥值的狀態(tài)下進(jìn)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(dòng)力電池隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)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(chǔ)存的電能較少，時(shí)間也比較短，電能的補(bǔ)充主要來(lái)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(shí)間

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

3.3 充電排隊(duì)時(shí)間

可建立一個(gè)充電排隊(duì)模型，對(duì)充電站排隊(duì)時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃。這一模型是指針對(duì)充電用戶接受充電服務(wù)時(shí)的排隊(duì)時(shí)間，形成一個(gè)車(chē)輛到站、車(chē)輛等待以及充電時(shí)間的總體模型。這一模型結(jié)合了充電站的服務(wù)特點(diǎn)與經(jīng)典排隊(duì)模型，能夠提升充電設(shè)施的利用率。

充電站排隊(duì)模型考慮電動(dòng)汽車(chē)的到達(dá)時(shí)刻，對(duì)各個(gè)時(shí)段的到達(dá)電動(dòng)車(chē)數(shù)量，進(jìn)行泊松分布的概率函數(shù)探究，同時(shí)考慮電動(dòng)汽車(chē)的等待時(shí)間模型，通過(guò)充電起始時(shí)刻與到達(dá)時(shí)間的差值確定電動(dòng)汽車(chē)的等待時(shí)間。另外，電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間的模型，可采用二階段法進(jìn)行恒功率充電，忽視充電效率的影響。針對(duì)以上排隊(duì)模型考慮內(nèi)容，進(jìn)行排隊(duì)算法的研究。將顧客的狀態(tài)分為到達(dá)狀態(tài)、排隊(duì)狀態(tài)、服務(wù)狀態(tài)以及離開(kāi)狀態(tài)；對(duì)充電樁的狀態(tài)劃分為忙碌狀態(tài)和空閑狀態(tài)。基于此，建立包含電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間、電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間以及充電設(shè)施利用率的充電站排隊(duì)模型。

電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間計(jì)算公式如式（2）。

式（2）中，Ta為電動(dòng)汽車(chē)的到達(dá)時(shí)刻，Ts為電動(dòng)汽車(chē)的起始充電時(shí)刻，TW為電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間。

電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間計(jì)算公式如下。

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

充電設(shè)施利用率計(jì)算公式如下。

式（4）中，Nt為時(shí)段數(shù)，Dt為時(shí)刻t時(shí)，充電站內(nèi)正在運(yùn)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(wù)質(zhì)量的電動(dòng)汽車(chē)充電站規(guī)劃

在考慮電壓穩(wěn)定性和充電服務(wù)質(zhì)量的前提下，利用電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施規(guī)劃原則來(lái)引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)用戶進(jìn)行充電。充電站規(guī)劃的模型涉及到3個(gè)方面的內(nèi)容，分別是充電功率、充電持續(xù)時(shí)間、充電排隊(duì)時(shí)間。這3方面內(nèi)容并不相互獨(dú)立的，而是相互耦合、相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。（1）充電功率的劃分直接影響著電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷曲線的特性，進(jìn)而影響充電負(fù)荷與原始電網(wǎng)負(fù)荷疊加后的負(fù)荷峰谷特性。合理充電功率的劃分會(huì)有效地將充電負(fù)荷引導(dǎo)至原始電網(wǎng)負(fù)荷低谷區(qū)段，達(dá)到削峰填谷的目的。（2）充電功率差的大小影響著響應(yīng)不同充電方式的電動(dòng)汽車(chē)用戶的比例。充電功率太小，難以調(diào)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)用戶的響應(yīng)積極性；充電功率過(guò)大，將會(huì)影響電動(dòng)汽車(chē)的推廣和應(yīng)用，有可能使得一部分用戶因?yàn)殡y以承受，同時(shí)影響充電站的成本。（3）由于電動(dòng)汽車(chē)作為交通工具的行駛功能與充電狀態(tài)存在時(shí)間上的沖突，即電動(dòng)汽車(chē)在行駛時(shí)無(wú)法進(jìn)行充電，而處于充電狀態(tài)時(shí)則不能實(shí)現(xiàn)行駛功能，所以不同充電持續(xù)時(shí)間、充電排隊(duì)時(shí)間的用戶對(duì)于行駛需求不同，會(huì)對(duì)具體的充電服務(wù)質(zhì)量反應(yīng)不同。這3個(gè)方面涉及到的變量，相互之間存在著比較強(qiáng)的耦合性，單獨(dú)對(duì)任意一個(gè)變量進(jìn)行尋優(yōu)都不能達(dá)到理想的效果，所以需要對(duì)充電功率、充電持續(xù)時(shí)間、充電排隊(duì)時(shí)間這3個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，完成綜合優(yōu)化。最后通過(guò)分析充電排隊(duì)時(shí)間以及充電服務(wù)質(zhì)量，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電需求的隨機(jī)性、不確定性以及和居民生活出行的關(guān)系，分析了電動(dòng)汽車(chē)充電需求預(yù)測(cè)方面的適應(yīng)性，構(gòu)建了電動(dòng)汽車(chē)需求和預(yù)測(cè)模型，分析電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模化應(yīng)用后，其充電站規(guī)劃帶來(lái)的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合考慮充電站作為電壓用電設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施2方面電壓穩(wěn)定性和充電服務(wù)質(zhì)量屬性，分析了充電站規(guī)劃多目標(biāo)充電功率、充電持續(xù)時(shí)間、充電排隊(duì)時(shí)間3方面的數(shù)據(jù)模型影響。優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)充電站的規(guī)劃建設(shè)，提升充電站規(guī)劃效果，滿足電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展需要。