電動車與充電樁匹配的策略研究

鐘成偉 國網江蘇省電力有限公司徐州供電分公司

近些年來我國的電動汽車普及率不斷提高，但是配套設施與電動汽車的發展不匹配，這些問題將導致我國電動汽車難以徹底普及。在充電樁的建設和管理運行過程中，政府部門、充電樁承建部門、電力企業等各方單位都會碰到各式各樣的問題，特別是安全問題。本文從技術機構的角度出發分析電動汽車充電樁以及充電現場存在的安全問題，以幫助相關部門了解電動汽車充電現場和充電樁的安全隱患。同時本文還提出電動車充電現場安全隱患的處理措施，以提高城市和電動汽車的安全性。

一、我國電動汽車充電現狀

根據行業統計，用戶在選擇充電樁時將充電價格、充電速度和停車費用作為主要的考慮因素，體現出用戶對效率和費用的敏感程度。我國目前的充電樁建設還相對不足，大規模使用的充電樁占地面積大，導致本就稀缺的土地資源利用效率低下。充電樁（特別是直流充電樁）在充電前需要人力拖拽粗壯的線束進行操作，操作自動化程度低，耗費用戶體力。然而，充電樁模式因其可推廣性和政策支持性等因素，仍是目前充電體系建設中最重要的模式。由于充電樁模式有一些問題等待優化與補充，許多新的充電模式應運而生，其中最引人關注的有移動補電車模式、換電模式等、自動充電機器人模式等。多樣化的充電模式既能解決用戶痛點，又能讓潛在用戶被各種高科技成分吸引，有利于電動汽車的推廣。

二、新能源電動汽車充電模式

（一）交流充電技術

新能源汽車的動力電池自身只能接受直流充電，當外部接入電動汽車的是交流電時，需要先通過車載充電機進行交流轉直流過程，再給動力電池進行充電。交流充電設施占用體積小，操作簡便，安裝容易，但其充電速度較慢，電動車需要6-8 個小時左右的時間才能充滿電量。電動車連接充電設施后，交流電經充電設施及充電連接裝置傳輸至車載充電機，經車載充電機整流、濾波等處理后轉換為直流電為動力電池充電，電動車在充電完成后發出中斷信號，結束充電過程。

（二）無線充電技術

汽車無線充電技術主要通過電磁感應、磁場共振、無線電波等原理實現電力的非接觸式傳輸。電磁感應式無線充電目前在電動汽車應用最為廣泛，基于電磁感應原理，在無線充電裝置端和電動汽車端各裝有一個線圈，在初級線圈上通入一定頻率的交流電，則會產生一個變化的磁場，附近的次級線圈在變化的磁場作用下會產生一定的感應電動勢，令無線充電裝置端的電能轉移到電動汽車，其轉化效率較高，但只能單點進行充電，而且電能傳遞的距離較短。磁場共振式無線充電設備由能量發送/接受裝置構成，當充電設備和電動車有相同的共振頻率時，即可完成充電動作；其電能傳遞距離較遠，可以實現一對多方式充電，并且無須精準對位，但其傳輸中能量損耗較大。

（三）換電模式

換電模式是指采用更換電池的方式為電動汽車提供能源，具有降低用戶購車成本、提高用戶便捷性、減少電動車補電時間、延長電池全壽命周期、提高電力系統整體運行效益、提高土地使用效率等優點。換電站可在用電低谷時期給倉內電池充電，并使用符合電池充電特性的柔和電流。該充電方法可以延長電池壽命，同時降低電費支出。換電模式帶來了一種全新的電動車購買方式，消費者可以在購車時不購買動力電池，而是通過租賃的方式使用各續航擋位電池，以降低一次購車成本。這種電動車購買方式的出現與應用將大大刺激電動汽車市場、促進銷量的穩定提升。盡管由于換電模式涉及產業鏈協調、電池制造技術、標準化體系、能源供給網絡建設、城市規劃等一系列問題仍難以爆發，然而從長遠來看，換電模式作為電動汽車的一種重要能源供給模式，憑借其優良的屬性，一定會成為電動汽車產業的重要參與者。

三、充電現場運行過程中的安全隱患

充電現場的運行維護是一個長期的過程，在這個長期過程中，充電現場會遇到各方面的危險因素。其中最容易遇到的就是來自于車輛的危險因素。相比傳統的燃油類汽車，電動汽車具有加速度快、油門響應靈敏的特點，因此在車輛起步階段可能會由于駕駛員一時疏忽，撞擊其他車輛或者充電樁。特別是公共汽車的充電現場，由于公共汽車駕駛員駕駛時間長，可能會出現精神恍惚，再加上公交車盲區較大，很容易在充電現場造成事故。充電現場的安全性與管理單位的工作認真程度有密切的關系，如果充電現場管理不善，地面積水持續無人清除、充電槍無人歸位、充電樁周圍無防撞設施、充電現場消防設施不完備等情況持續存在，充電樁無人維護，那么充電現場的安全風險就更高了。同時，充電現場的電動車輛也是危險因素，由于充電動汽車的維護水平參差不齊，如某電動汽車的溫控系統和電池過充保護系統出現故障，在充電過程中就有可能出現電池溫度過高甚至汽車自燃的情況。同時，電動汽車使用的電池型號參差不齊，大部分電池在受到撞擊后會自燃，因此充電現場的車禍還可能會造成連鎖火災。

四、電動車用戶與充電樁的匹配

電動車最大的優點就是每公里的用電成本比用油成本低得多，所以與傳統燃油車的油耗成本作對比，建立一個指標參數b1,i：

根據式（2），標準化后得

經過以上函數計算以后，中間運營商就會對電動車用戶上報信息及待選充電樁編號進行匹配，有以下3 種匹配結果：（1）電動車用戶上報編號和運營商編號僅有一項重合，表示預約有效，此時用戶會收到短通知。（2）電動車用戶上報編號和運營商編號不止一項重合，表示預約有效，但運營商會再重新分配后發信息到用戶手機上，等用戶確認。（3）電動車用戶上報編號和運營商編號無重合，表示該用戶預約無效，但是可以進入下一輪預約（見表1）。

五、智能合約驅動的充電樁共享

傳統的線上交易對用戶數據的保存具有較大安全隱患，采用基于能源區塊鏈的共享充電樁管理系統，能夠保證用戶共享充電樁間交易數據的安全可信性。基于哈希算法的不可逆性，區塊鏈網絡可以通過用戶的交易行為產生密鑰R。由哈希函數變化可以通過R 計算出哈希值H（R），但任何第三者無法通過H（R）反推出R。為了保證共享充電用戶交易信息的安全性和可靠性，構建了基于哈希算法的共享充電智能合約。共享充電智能合約可以分為4 個步驟：（1）在基于能源區塊鏈的共享充電樁管理系統中，充電樁主A 根據共享充電樁所能提供的電量，生成相關的密鑰R，并將H（R）發送給用戶D，將R 保存在區塊鏈網絡中。（2）通過運營商D 的中轉，在用戶D 和運營商A之間建立了間接的支付網絡途徑。（3）用戶D 使用共享充電樁A 的行為有多方的參與，各方根據相應的條件與期限產生密鑰。通過在系統中采用密鑰代替數據傳遞交易信息，保證數據的安全性。（4）用戶D 利用接收到的H（R）后來驗證R，如驗證通過，進行充電操作。共享充電用戶每次充電完畢后，區塊鏈網絡系統都會保存交易記錄并計算剩余的充電次數。一旦用戶使用完規定的充電次數后，區塊鏈網絡就會自動計算費用并將賬單提交給用戶。用戶需要按照賬單完成轉賬支付后，才可以繼續使用該系統。電動車主D 使用運營商D所經營的充電樁，資金鏈節點費用依次為49.15 元、48.56 元、41.20 元，節點費用之間的金額差為各節點收取的服務費。同時，該系統中的各參與方（除電動車主）的資金到賬具有時間期限，各節點期限分別為48 h、24 h、3h。通過設置時間差期限，促使各參與方對交易信息的有效性進行驗證，保證系統智能化執行。基于哈希算法的共享充電智能合約如圖1 所示。

圖1 基于哈希算法的共享充電智能合約

六、結束語

綜上所述，本文以分時電價為前提條件，以中間運營商和電動車用戶的利益最大化為目標建立函數，采用補貼費用更新策略后，并通過計算實例仿真得出了以下結論：“分配+擇優”的充電策略匹配成功率達到85%，比“自由匹配”高20%，運營商的收入也增加萬元左右，中心城區和郊區的充電樁使用頻率趨于平衡。與此同時，常規檢修以充電站一年的故障信息為依據，對充電樁一年中存在的高發故障和低電量交易故障進行檢修，根據發生頻率，降低或者取消對其他設備模塊的檢修，減少常規檢修時間，提高常規檢修的效率和作用。由于常規檢修可能導致的偶發故障得不到及時解決，在常規檢修的基礎上，增加精準檢修。精準檢修以每個充電樁當月故障信息為依據，對充電站當月存在的高發故障進行及時檢修，避免一些故障連續數月都處于很高的發生率。優化常規檢修，增加精準檢修，可以幫助運維人員減少不必要的檢修工作，降低檢修時間，提高檢修效率和檢修的作用，為降低充電樁故障的發生率提供了理論依據，進而可以降低充電站的運維成本，改善用戶充電體驗，培養長期的穩定的用戶，提高充電站的經濟效益。