電動車與充電樁匹配的策略研究

鐘成偉 國網(wǎng)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(fā)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(yè)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(shù)機構(gòu)的角度出發(fā)分析電動汽車充電樁以及充電現(xiàn)場存在的安全問題，以幫助相關(guān)部門了解電動汽車充電現(xiàn)場和充電樁的安全隱患。同時本文還提出電動車充電現(xiàn)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(xiàn)狀

根據(jù)行業(yè)統(tǒng)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(xiàn)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(guī)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(yōu)化與補充，許多新的充電模式應運而生，其中最引人關(guān)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(shù)

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(zhuǎn)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(jīng)充電設施及充電連接裝置傳輸至車載充電機，經(jīng)車載充電機整流、濾波等處理后轉(zhuǎn)換為直流電為動力電池充電，電動車在充電完成后發(fā)出中斷信號，結(jié)束充電過程。

（二）無線充電技術(shù)

汽車無線充電技術(shù)主要通過電磁感應、磁場共振、無線電波等原理實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生一定的感應電動勢，令無線充電裝置端的電能轉(zhuǎn)移到電動汽車，其轉(zhuǎn)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(fā)送/接受裝置構(gòu)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(xiàn)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(tǒng)整體運行效益、提高土地使用效率等優(yōu)點。換電站可在用電低谷時期給倉內(nèi)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(xù)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(xiàn)與應用將大大刺激電動汽車市場、促進銷量的穩(wěn)定提升。盡管由于換電模式涉及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)、電池制造技術(shù)、標準化體系、能源供給網(wǎng)絡建設、城市規(guī)劃等一系列問題仍難以爆發(fā)，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(yōu)良的屬性，一定會成為電動汽車產(chǎn)業(yè)的重要參與者。

三、充電現(xiàn)場運行過程中的安全隱患

充電現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)場，由于公共汽車駕駛員駕駛時間長，可能會出現(xiàn)精神恍惚，再加上公交車盲區(qū)較大，很容易在充電現(xiàn)場造成事故。充電現(xiàn)場的安全性與管理單位的工作認真程度有密切的關(guān)系，如果充電現(xiàn)場管理不善，地面積水持續(xù)無人清除、充電槍無人歸位、充電樁周圍無防撞設施、充電現(xiàn)場消防設施不完備等情況持續(xù)存在，充電樁無人維護，那么充電現(xiàn)場的安全風險就更高了。同時，充電現(xiàn)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(tǒng)和電池過充保護系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在充電過程中就有可能出現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)點就是每公里的用電成本比用油成本低得多，所以與傳統(tǒng)燃油車的油耗成本作對比，建立一個指標參數(shù)b1,i：

根據(jù)式（2），標準化后得

經(jīng)過以上函數(shù)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(jié)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(fā)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(qū)動的充電樁共享

傳統(tǒng)的線上交易對用戶數(shù)據(jù)的保存具有較大安全隱患，采用基于能源區(qū)塊鏈的共享充電樁管理系統(tǒng)，能夠保證用戶共享充電樁間交易數(shù)據(jù)的安全可信性。基于哈希算法的不可逆性，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡可以通過用戶的交易行為產(chǎn)生密鑰R。由哈希函數(shù)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(gòu)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(qū)塊鏈的共享充電樁管理系統(tǒng)中，充電樁主A 根據(jù)共享充電樁所能提供的電量，生成相關(guān)的密鑰R，并將H（R）發(fā)送給用戶D，將R 保存在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中。（2）通過運營商D 的中轉(zhuǎn)，在用戶D 和運營商A之間建立了間接的支付網(wǎng)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(jù)相應的條件與期限產(chǎn)生密鑰。通過在系統(tǒng)中采用密鑰代替數(shù)據(jù)傳遞交易信息，保證數(shù)據(jù)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(qū)塊鏈網(wǎng)絡系統(tǒng)都會保存交易記錄并計算剩余的充電次數(shù)。一旦用戶使用完規(guī)定的充電次數(shù)后，區(qū)塊鏈網(wǎng)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(zhuǎn)賬支付后，才可以繼續(xù)使用該系統(tǒng)。電動車主D 使用運營商D所經(jīng)營的充電樁，資金鏈節(jié)點費用依次為49.15 元、48.56 元、41.20 元，節(jié)點費用之間的金額差為各節(jié)點收取的服務費。同時，該系統(tǒng)中的各參與方（除電動車主）的資金到賬具有時間期限，各節(jié)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(tǒng)智能化執(zhí)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(jié)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(shù)，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(jié)論：“分配+擇優(yōu)”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(qū)和郊區(qū)的充電樁使用頻率趨于平衡。與此同時，常規(guī)檢修以充電站一年的故障信息為依據(jù)，對充電樁一年中存在的高發(fā)故障和低電量交易故障進行檢修，根據(jù)發(fā)生頻率，降低或者取消對其他設備模塊的檢修，減少常規(guī)檢修時間，提高常規(guī)檢修的效率和作用。由于常規(guī)檢修可能導致的偶發(fā)故障得不到及時解決，在常規(guī)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(jù)，對充電站當月存在的高發(fā)故障進行及時檢修，避免一些故障連續(xù)數(shù)月都處于很高的發(fā)生率。優(yōu)化常規(guī)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(fā)生率提供了理論依據(jù)，進而可以降低充電站的運維成本，改善用戶充電體驗，培養(yǎng)長期的穩(wěn)定的用戶，提高充電站的經(jīng)濟效益。