電動汽車充電模式選擇與充電負荷計算的研究

劉琰，何偉哲

（國網西安供電分公司，陜西西安710048）

電動汽車實現以電代油，具備能源利用效率高、廢氣排放少、噪音低等優勢，是用以解決能源和環境問題的重要手段之一。而作為電動汽車能源補給的重要基礎設施充電站，理應受到重視。由于當前車載電池存在著能量密度限制，導致電動汽車續航里程短。因此，建立完善充電設施保障電動汽車日常使用十分必要。為了滿足電動汽車用戶充電負荷，規劃區域內電動汽車最大充電負荷需求應該小于充電站額度容量。考慮電動汽車車主充電習慣，充電負荷具有比較大的隨機性。通過運用蒙特卡羅模擬方法[1]來確定規劃區內電動汽車最大充電負荷[2-3]，綜合城市交通公共服務設施和普通用電設施雙重屬性，建立起充電站最優規劃的一個多目標決策模型，其目標是最小化配電系統網絡損耗、最小化節點電壓偏移以及最大化交通流量。

1 西安市電動汽車充電模式選擇

1.1 技術、經濟條件分析

快充模式的充電站的成本主要包括2大方面，分別是可變成本因素和固定成本因素，其投入成本主要如圖1所示。

圖1 快充模式下充電站投入成本構成圖Fig.1 The cost composition of the charging station under the fast charging mode

在成本計量的過程中，其需要根據電動汽車充電站的規模和運營模式來確定規模和投入情況。這主要是因為電動汽車充電站是滿足電動汽車快速充電的重要基礎設施，而電動汽車所需要的電量、充電時間以及電動汽車運行的特點等又決定著電動汽車充電站的建設規模和后期的運行成本，影響充電站的固定投資成本和可變的運行成本。

快充模式是不斷用反復充放電來循環充電的[4]，首先給電池組用0.8～1倍額定容量的大電流進行定流充電，使蓄電池在短時間內充至額定容量的50%～60%。接著由電路控制先停止充電25～40 ms，接著再放電或反充電，使電池組反向通過一個較大的脈沖電流，然后再停止充電。之后的充電就按照“正脈沖充電—停充—負脈沖瞬間放電—停充—正脈沖充電”的循環[5]，直至充滿。

雖然快充模式的充電速度非常高，其充電時間稍長于燃油汽車加油的時間。可是充電設備安裝要求和成本非常高。并且快速充電的電流電壓較高，短時間內對電池的沖擊較大，容易令電池的活性物質脫落和電池發熱，因此對電池保護散熱方面要求有更高的要求[6]。

1.2 慢充模式技術、經濟條件分析

電動汽車慢充電和快充電相比，充電站內必要的設備投入大體上相似，投入的成本內容也幾乎相同，可以參見圖1。慢充模式可以使用家用電源或專用的充電樁電源，充電電流一般在16～32 A，可通過直流或者交流，根據電池容量的不同充電時間通常為5～8 h。盡管慢充模式缺點——較長的充電時間，非常明顯，但其對充電的要求并不高，充電器的安裝成本較低；可充分利用夜間谷值電價進行充電，降低充電成本，更為重要的優點是可對電池深度充電，提升電池充放電效率，延長電池壽命。因充電時間較長，可大大滿足白天運作晚上休息的車輛。慢充模式主要采用定流充電和定壓充電2種方式進行充電。現在的慢充模式基本都采用定流和定壓充電混合工作，充電前期采用定流充電，可保證電池深度充電；后期則采用定壓充電，可自動調節電流大小結束充電，避免過充電。

1.3 換電模式技術、經濟條件分析

電動汽車換電模式與快充、慢充模式相比，投資較大，成本主要增加在電池儲備上，而充電站的充電設施也需要增加部分設備，其主要部件和功能如表1所示。

表1 換電設施部件和功能Tab.1 Components and functions of batteries replacement facilities

換電模式集成了快充、慢充模式的優點[7]，通過使用機械設備更換，整個電池更換過程花費的時間與現有燃油車加油時間大致相當。但換電模式最大的限制是各大廠商需要統一電池規格等標準，并且無法保證每塊電池組的性能一致，從而制約其發展。

由于換電模式需要各方的協調統一，在實際操作過程中很難實現，加之建設運維成本高，因此國家電網已放棄了2011年提出的“換電為主、插電為輔、集中充電、統一配送的”充換電站商業模式，在2014年推出“主導快充、兼顧慢充、引導換電、經濟適用”的充電站建設原則。

2 快、慢結合的充電模式下充電負荷測算

隨著電動汽車規模的增大，用戶的無序充電將不斷地加大電網的峰谷差率，勢必對電網建設、運行產生巨大壓力[8]。在電網建設方面，電網企業必須加大投資力度才能滿足負荷高峰期用戶的電力需求，而這些投資的機組在夜間等谷值時段通常處于輕載或停運狀態，由此一來降低了設備的平均利用率，造成資源的浪費。在電網運行方面，不斷加大的峰谷差率，不僅增大了電網損耗，還將對電網的安全運行產生不良影響，增加了電網調峰的壓力。尤其是大型居民區，大量電動汽車的無序充電，會對該區域的電力線路和電氣設備造成極大的負擔，嚴重影響電網的穩定運行。

假設電動汽車的車主的行駛習慣與燃油汽車車主相同，可以統計出電動私家車、電動出租車、電動公交車的行駛數據[9]，并基于此進行統計數據模擬，發現3種車型的的日均行駛里程滿足式（1）中的函數。

充電負荷需求是在時間和空間2個維度上被影響的，而且充電的開始和持續時間影響程度更大[10]。以下將根據上述3種車型不同的日均續航里程及行駛、充電時間的特性，利用蒙特卡羅模擬方法進行負荷測算，以發現大規模集中充電對電網的影響。

2.1 基于蒙特卡洛模擬方法的負荷計算模型

將一天分解為48個時段（每30 min一個段），將上述3種汽車在各時段內的快、慢充電負荷進行累加，得到如下函數

式中，P(i,k,t)表示在第t個時段（t=1、2、3，…，48）中第i種汽車（i=電動私家車、電動出租車、電動公交車）的第k種充電負荷（k=快充、慢充）；Ni表示第i種汽車的數量；p(i,k)表示第i種汽車在第k種充電模式下的單車充電功率。

那么在該時段內上述3種車型在某種充電模式下的負荷為

將通過模特卡羅模擬方法計算電動私家車、出租車、公交車在快、慢結合的充電模式下負荷情況，步驟如圖2所示。

2.2 電動私家車充電負荷測算

私家車的使用主要在于車主上下班和日常生活，因此電動私家車相應的充電地點應該在單位辦公停車場、商場超市和居民停車場等[11]。以西安市私家車的出行為例，上班出行的高峰時段為7：00—9：00，占據了私家車總量的67.34%。車輛到達高峰期的時段為7：30—9：30，占了私家車總量的72.18%。

從圖3可以看出，電動私家車通過慢充模式的充電負荷在一日的各時段內數值較大，從第14、15個時間段開始慢充充電的私家車數量逐步增多，并在第37個時段附近達到峰值，隨后開始充電的數量逐步減少，也反映出百姓工作生活的作息習慣。快充模式的負荷曲線較為平穩，主要反映在第15個時間段左右至第38個時間段期間，人們的外出活動增多。

圖2 基于蒙特卡洛模擬方法的負荷計算流程圖Fig.2 Flow chart of load calculation based on Monte Carlo simulation method

圖3 5 000輛電動私家車快、慢結合充電負荷曲線Fig.3 The charging load curve of 5 000 private electric cars in the combined mode of fast and slowing charging

2.3 電動出租車充電負荷測算

通過對西安市出租車運營情況進行調研得出，出租車日均行駛的里程為350～500 km。每一輛出租車有2名司機，通常有小班和大班2種倒班模式。在大班司機休息時間內可以對電動出租車進行慢充，小班司機只能夠進行快速充電[12]，見圖4。

圖4 5000輛電動出租快充充電負荷曲線圖Fig.4 The charging load curve of 5000 electric taxis in the fast charging mode

2.4 電動公交車充電負荷測算

根據對于西安市公交車的運營情況進行的調研，電動公交車的示范運營額定行駛的里程大約為200 km，在公交車白天運營的時間段內，只能進行快充；在夜間停運的時間段內電動公交車進行長時間慢充[13]，見圖5。

圖5 2000輛電動公交車快、慢結合充電負荷曲線Fig.5 The charging load curve of 2000 electric buses in the combined mode of fast and slowing charging

2.5 電動汽車充電負荷測算

根據上述分析計算，可以得出在5 000輛電動私家車、5 000輛電動出租車和2 000輛電動公交車的假設前提下的充電負荷情況，如圖6所示。

圖6 三類汽車快、慢結合充電負荷曲線圖Fig.6 The charging load curve of three kinds of electric vehicles in the combined mode of fast and slowing charging

3 充電站接入對電網的影響

充電站提供充電服務時，電動汽車的保有量、車輛類型、充電時間、充電模式等因素主要影響到電網的電能質量、供電能力和峰谷差3個方面：1）對電能質量的影響。電動汽車充電離不開充電機，一般采用三相橋式整流或12脈波整流，其運行時必然會對電網造成諧波污染。隨著電動汽車的普及應用，大規模電動汽車充電機或充電站工作時的諧波對電能質量產生的影響不容忽視。另外，如果接入電網點越接近配電網線路末端，對網點及線路其他節點的電壓將增大，也將對電能質量產生影響。經測算，交流慢充對配電網的影響較小，直流快充對局部配電網的影響較大，有可能造成電網局部過負荷、線路擁塞等問題[14]。2）對供電能力的影響。在沒有接入電動汽車以前，每個生活小區的用電負荷變化平穩，當接入電動汽車，無論是大規模接入還是小范圍接入，都會對原有的配電網產生極大影響，特別是對于負荷高峰的影響[15]。當小區內電動汽車有更高的滲透率時，即有更多電動汽車接入小區電網時，如果沒有足夠的充電站，將會使設置有充電站的節點上的峰值過高，嚴重時可能超過變壓器的容量，給電網帶來巨大危害，所以應根據電動汽車的滲透率合理地建設充電站。3）對峰谷差的影響。大規模電動汽車在時間和空間上的無序充電行為會產生電力負荷“峰上加峰”的現象，加大電網峰谷差。峰谷電價對電動汽車用戶的充電電價有一定影響，對引導用戶有序充電具有一定的吸引力，有序充電可有效減小電網峰谷差[16]。在電網運營模式下，國網西安供電公司可以對全網的充電站、電動汽車的充電時間進行集中優化控制，根據電網的負荷情況優化充電狀態，減輕大規模電動汽車接入充電對電網的影響。

4 結語

本文首先對3種電動汽車充電模式—快充模式、慢充模式、換電模式從成本、充電便利性、充電性能等方面進行了分析對比，并最終確定了符合西安市現狀的快、慢結合的充電方式。其次對電動汽車行駛里程進行了分析建模，將一天分成48個時間段后提出了基于蒙特卡羅模擬方法的充電負荷計算模型，并依據此模型對電動私家車、電動出租車及電動公交車的充電負荷進行測算。最后根據負荷測算過程中的影響因素和負荷曲線，介紹了充電站提供充電服務時對電網產生的影響。

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