含大規模電動汽車的充電負荷建模方法

祁 含，何可寧，韋園清，戴廣平，鐘紅梅

0 引言

汽車的出現為人類的交通和交流帶來了極大的方便，逐漸成為了人類不可或缺的工具，許多國家將汽車行業定義為支柱產業。但是，凡事都有兩面性，同樣，汽車行業帶動經濟時，也出現了許多的能源和環境矛盾。由于汽車用油占石油消耗量的1/3至1/2，其保有量的迅速攀升，對石油消耗造成嚴重負擔。眾所周知，燃油汽車動力來源于石油，且燃燒效率不高，因此，在燃燒大量石油時，也產生大量的污染性氣體，給生態環境帶來重大負擔。伴隨石油稀缺和環境問題矛盾日益尖銳的今天，電動汽車的出現得到了世界范圍內的認同和推廣，純電動汽車還被認為是汽車工業的未來[1]。

目前電動汽車受到國家和地方政策的大力推行，發展頗為迅速，可以預見的是未來將有大量的電動汽車充電負荷接入電網，影響電網的運行和規劃。影響包括：（1）大量的電動汽車進行充電會增加電網負擔，出現“峰上加峰”的情況，加大電網峰谷差；（2）電動汽車充電具有隨機性，這種特性會影響電網的安全穩定運行；（3）電動汽車充電的隨機和無序性對配電網規劃帶來新挑戰。目前尚無大量的電動汽車投入應用，因此運行數據無從搜集，研究電動汽車接入電網的影響大多只能依靠負荷預測的手段，因此吸引了許多專家學者在電動汽車負荷預測方面做了許多工作[2～4]。文獻[5-6]通過總結電動汽車以前的負荷數據進行負荷預測，繼而進行后續影響分析。文獻[7]根據燃油車統計數據結合假設條件，將電動汽車功率需求的部分影響因素設定為隨機變量，建立了統計模型。文獻[8]研究了出租車和私家車的特性并建立了充電需求模型。

可以看出，目前電動汽車充電負荷的建模大多未對電動汽車的種類進行區分，即使有區分也沒有充分細致考慮到充電負荷的各種影響因素。本文從電動汽車充電負荷的影響因素入手，詳細地說明了不同類型電動汽車在不同影響因素的建模方法，并總結了各類電動汽車的充電行為特性，建立了充電負荷預測模型。

1 電動汽車充電負荷的影響因素

文獻[9]根據目前的電動汽車發展現狀以及相關國家、省、市的電動汽車規劃，總結出未來的電動汽車種類集中在四類：公交、公務、出租、私家。具體發展趨勢見表1。

表1 中國電動汽車發展趨勢

由上述內容可以總結出我國電動汽車的主要類型。因此，明確含大規模電動汽車的充電負荷建模分類為公交車、出租車、公務車、私家車，后續因汽車類型不同而有較大差異的數據將按此分類一一說明。

由于單輛電動汽車的充電負荷可由電動汽車充電功率、充電需求和充電時間分布確定。因此，下文從這三個方面分析電動汽車充電負荷的影響因素。

1.1 充電功率的影響因素

電動汽車的充電功率主要由充電方式確定，而充電方式目前主要有三種，分別是交流慢充、直流快充和更換電池。

（1）交流慢充一般都是采用250 V或者440 V的交流電壓進行充電，充電功率一般在4～25 kW，充電時間一般在6～8個小時?？傮w來說交流慢充的特點為充電功率較小，充電時間較長。

（2）直流快充一般采用750 V及其以上的直流電壓進行充電，充電電流一般在80～250 A，充電時間一般可以控制在一小時之內，甚至是十來分鐘?？傮w來說直流快充的特點為充電功率大，充電時間短。

（3）更換電池又稱換電，是指在電動汽車在電池電量快消耗完時通過更換滿電量電池以獲得動力的方式。該種充電方式是動力續航方面用戶體驗感最為接近燃油汽車的方式，但由于涉及到電動汽車電池相關標準難以統一、成本過高以及商業模式不成熟等問題，目前很難普及應用。

各充電方式主要對比見表2。

1.2 充電需求的影響因素

總結電動汽車充電需求的影響因素，見圖1。

（1）電動汽車日行駛里程

正常情況下，電動汽車行駛里程與電動汽車充電需求呈正比關系。電動汽車日行駛距離愈長，所消耗的電量也就愈多，其需要補充的電量也愈多。由于用戶實際使用需求的隨機性，電動汽車日行駛距離也呈現隨機性。

（2）電動汽車百公里電耗

電動汽車百公里電耗大小是一個重要的指標，也被稱為標準耗電量，指的是當車行駛一百公里的所需的電量，因此電動汽車實際行駛距離將決定電動汽車耗電量的多少，進而決定電動汽車充電需求的大小。

（3）電動汽車種類

電動汽車的種類不同，負荷特性也會有所不同。從充電需求上來看，由于公交、出租定位為公共交通，需要服務于社會大眾，其運行工作的時間較長，行駛距離較遠，因此這兩類車呈現出的電量需求特點為多而穩定；對于國家政府機關和事業單位為了執行國家公務而專門配備的車輛，即公務車，其一般在于公務需要的情況下才使用，因此其日行駛持續時間較短，同時，公務車的標準耗電量較低，因此消耗的電量也較低。電動私家車主要服務于個體通勤及娛樂活動等，其消耗電量相較較小，同時，私家車由于每人出行時間和目的不一樣導致其出行距離也有所差異，具有較大隨機性。從充電時間層面看，公交車、出租車及公務車由于有統一的上下班時間或者休息時間使得這三類車的充電時間較為集中統一，而電動私家車的充電時間則較為分散。

表2 充電方式優缺點對比

圖1 充電需求影響因素

（4）用戶行駛特性

電動汽車耗電量會因用戶行駛特性的變化而變化。電動汽車和傳統能源汽車一般在行駛特性影響車輛耗能方面的情況是一致的。如：在駕駛車輛時為了獲得駕駛樂趣，長時間的追求高加速度以及高速行駛，在行車時頻繁地切線并線超車并頻繁使用剎車等，這些行駛特性均會造成汽車能量消耗的增加。

（5）充電設施充電效率

一般來說，能量轉移環節均會有能量的損失，同樣，充電設施在對電動汽車負荷充電時也會有能量的損失，由于目前的充電設施生產廠家眾多，各廠家產出的充電設施的充電效率會有不同，即使同一廠家生產的充電設施，其充電效率也會略有不同。

根據《電動汽車充電系統技術規范》，非車載充電機效率須大于90%，車載充電機在負載為50%～100%條件下充電效率須大于85%。假定在一定的充電功率前提下，充電設施的充電效率越接近100%，則其負載就越接近電動汽車的實際充電功率；而當效率降低時，則會加大充電設施也就是電網的負擔。

（6）電池能量轉換效率

能量除了從充電設施轉移到電池的環節有損失外，在電池內部也有能量的損失，電池內部的能量損失主要集中在充電與放電過程。在充電過程，由充電設施轉移到電池的能量有部分會因電池內阻的存在而以熱能形式損失掉；在放電過程，由充電過程儲存的能量同樣也會有熱能形式的能量損失。因此，電池本身會有能量轉換效率。不同的電池其能量轉換效率也有所不同，目前電動汽車使用的蓄電池中大多數為鋰電池。

1.3 充電時間的影響因素

電動汽車充電時間的分布與消費者充電習慣和電動汽車用戶使用特性因素密切相關。根據消費者充電習慣可確定用戶起始充電時間，通過已知充電需求和選擇的充電方式可得到充電持續時長，進而得到充電結束時刻。

國家積極推進共給側改革、全域旅游、“旅游＋”、旅游市場治理和旅游外交等，促進旅游業發展；大型旅游集團包括國旅、錦江、首旅和攜程、其他行業巨頭包括萬達、復星、海航、BAT和新美大等企業，通過并購和整合等資本方式頻繁布局，尋求更多的市場增長。傳統旅行社和旅游景區積極拓展新型營銷模式。

（1）消費者充電習慣

消費者不同往往會有不同的充電習慣。部分用戶習慣在電動汽車電量消耗到一定值以下再進行充電，因此單次充電電量會較大，但整體充電電量則較為穩定。而有些用戶則在能進行充電時便對電動汽車進行充電，這種情況下，單次充電電量會相對較小，但整體充電電量波動則會較大。

（2）電動汽車用戶使用特性

作為電動汽車持有者，用戶的使用特性直接決定了電動汽車的充電電量和充電時段。不同用戶因其不同使用特性和環境因素會選擇不同的充電方式。對于不同用途的電動汽車對應著不同用戶使用特性，其對應的充電時長也有所不同。

2 電動汽車充電負荷建模

電動汽車充電負荷建模過程也就是如何量化等效上述影響因素的過程。

2.1 充電功率的確定

目前動力電池以恒流—恒壓的2階段充電方法為主。如圖2所示，在恒流充電過程中，電池端電壓在不斷變化中，充電功率也將相應發生變化。同時對于常規慢速充電，充電起始和結束階段相對于整個充電過程較短，可以忽略，因此本文的充電過程將等效為恒功率特性。

不同類型的電動汽車充電模式有所不同，充電功率也有所不同。一般來說，公交車、出租車以快充為主，公務車、私家車以慢充為主。

圖2 電動汽車充電時電池的功率變化仿真曲線

2.2 充電需求的確定

結合充電需求影響因素的分析得到電動汽車充電需求模型如下：

式中，Ec表示電動汽車每日的充電需求，Ebc表示電動汽車百公里電耗，kWh/100km；Ch表示行駛特性的折算因子；D表示電動汽車日行駛里程，km；ηm表示電動汽車充電設施充電效率；ηb表示電動汽車鋰電池能量轉換效率。

由于日行駛里程取決于用戶的行為特性，而用戶的行為特性具有隨機性，因此電動汽車日行駛里程D為隨機變量，需另獨立建模。

假設電動汽車取代燃油汽車后不改變用戶的行為特性，根據美國2009年汽車行駛數據庫NHTS統計得到電動汽車日行駛里程，通過MATLAB擬合，得到電動汽車日行駛里程滿足對數正態分布，模型如下：

其中，d為變量電動汽車日行駛歷程，μD為電動汽車日行駛里程的期望均值，σD為分布函數的標準差。

2.3 充電時間的確定

不同類型的電動汽車選擇充電時間有所不同。公交車一般會選擇避開運營繁忙期進行充電，出租車則會選擇在午飯休息和夜間休息時間進行充電，而公務車和私家車一般會選擇下班后到次日上班前進行充電。

類似于日行駛里程，電動汽車開始充電的時間也具有隨機性，根據美國NHTS數據庫統計得到汽車行駛規律，通過MATLAB工具箱得到電動汽車充電時間滿足正態分布，模型如下：

其中，x為電動汽車充電時間，μS為電動汽車充電時間的期望均值，σS為分布函數的標準差。

3 算例分析

下文以惠州市為例對本文的建模方法應用進行說明。

首先確定充電功率。參考《惠州市電動汽車充電基礎設施專項規劃（2016-2020）征求意見稿》，公交車與出租車以直流快充為主，公務車與私家車以交流慢充為主，結合惠州市已建充電設施情況，得到充電功率如表3。

表3 各類型電動汽車充電功率

其次確定充電需求。也就是根據所需建模地區情況對式（1）、式（2）定值。本文參考電動汽車行業結合惠州地區情況對式（1）、式（2）取值如表4。

各類型電動汽車日行駛里程對數正態分布參數擬合如表5。

表4 充電需求變量取值

表5 各類型電動汽車日行駛里程對數正態分布參數表

最后確定充電時間。調研惠州地區已有電動汽車的充電時間。電動公交車、電動出租車、電動私家車因行駛習慣或行駛里程的要求需要一天兩充，因此這三類電動汽車充電時間的模型為分段的正態分布。各類型電動汽車充電時間正態分布參數擬合如表6。

至此便完成了惠州電動汽車充電負荷的建模過程。

4 結語

近年來國家及地方陸續出臺了一系列新能源汽車和充電基礎設施推廣政策。電動汽車大規模發展的趨勢是顯而易見的。電動汽車充電負荷準確建模是研究含大規模電動汽車與電網交互作用的基礎。本文首先根據電動汽車的現狀發展對電動汽車進行科學分類，其次從可確定充電負荷的三要素充電功率、充電需求、充電時間出發分析充電負荷的影響因素，最后對三要素進行一一確定建模，從而得到電動汽車充電負荷的模型。

表6 各類型電動汽車充電時間正態分布參數表min

本文旨在闡明一套適應目前電動汽車發展現狀及特點并考慮使用者行駛特性的充電負荷建模方法，具體應用可參考本案例結合所要研究地區汽車行駛特點對三要素的參數進行修正。在得到電動汽車充電負荷模型后，可采用蒙特卡洛仿真方法對模型進行求解得到電動汽車充電負荷曲線，從而開展含大規模電動汽車與電網互動影響的分析。

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