電壓穩定性和充電服務質量的電動汽車充電站規劃研究

姚騰飛，鮑恩奇

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

1 電動汽車充電設施充電方式的選擇問題

1.1 常規充電設施充電方式

常規充電方式是充電設施，采用較低的電流，為車用動力電池進行穩定式的充電。這種充電方式一般采用的是交流充電樁作為充電設施，連接的是車載的充電機，完成向車載電池充電。常規充電模式中，充電電流通常較小，充電時間耗時較長，因此常規的充電模式也被稱為慢速的充電模式。常規充電模式是保證電池深度充電的有效方式，采用這一方式進行充電，能夠結合電流與電壓的穩定性，實現定壓充電。常規充電對于電壓的穩定性要求較高，但可以有效的減少電流的大小。針對具體充電時間，能夠完成有效的控制，避免車輛車載電池過度的充電。常規充電的優勢在于，其充電電流較為穩定，同時充電功率較小，對于車載電池的使用壽命來說，沒有過多的影響，能夠保證電壓的穩定性，減小充電行為、充電樁對于電網負荷的沖擊。相對來說，常規充電能夠利用電網的功能低下時段，充電成本較少。但是，常規充電也有其固有的缺點，主要在于其充電時間較長，對于充電車輛來說需要一個長期穩定的停靠地點，對于充電樁的占用時長較長。同時，由于車輛緊急充電時需求的電能供應速率較快，常規充電難以滿足這樣的緊急電腦需求。

1.2 快速充電設施充電方式

快速充電是針對非車載充電機采用的大電流供電設施完成的，車載電池直接充電。快速充電方式能夠使車載電池快速完成電量補充。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，充電時間在20～120 min 以內。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置上，最高可達120 kW。快速充電盡管充電方式較快，但是目前適應的車型較少，只有部分特斯拉、比亞迪、北汽新能源電動汽車支持這種充電模式。快速充電的充電優勢十分明顯，在于充電時長短，能夠快速完成70%～80%的電能充電。不僅充電功率大，同時能夠提升車主充電滿意度，提高充電便捷性。但是，快速充電的缺點也十分明顯，由于電流過大，對電池造成了嚴重的發熱影響，會降低電池使用壽命，同時短時間內的密集快充會影響電網電壓穩定性。

1.3 電池更換

電池更換的充電方式，對充電站一般難以滿足。這種充電方式，主要應用于電池組較為標準的電動汽車群體，如公交車、出租車、公務車、環衛車等。電池更換的充電方式能夠快速完成第一股電的電能補充，同時能夠通過純手動、半自動或機械自動更換的3種形式，完成電池組的更換。10 min 即可完成電池組更換過程，能夠緩解充電時長的缺陷問題。電池更換對車主來說是十分便捷的，能夠充分地滿足車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格，確保電池維護標準化，因此對于電池的管理以及充電站運營成本方面來說，都是一項較大的挑戰。

2 電動汽車充電設施規劃方法內容以及原則

2.1 電動汽車充電設施規劃原則

針對電動汽車的充電設施規劃，要立足于電壓穩定、電網布局。促進充電服務的合理發展，并且以電網降低成本目標為基準，充分選擇具體充電設施，完成城市整體規劃。針對城市充電，要滿足車輛聚集、車輛排隊、充電樁設施等具體設計規劃內容，同時關注車輛的充電時間，在提升充電功率的同時減小車輛在集中時段的充電需求。

2.2 電動汽車充電設施規劃方法內容

針對具體的充電設施規劃內容，可以從電動汽車充電方式、充電需求等多個方面，進行規劃方式的分析。要重點關注城市內電動汽車分布情況、車輛排隊情況、電動汽車耗電量等具體因素。將這些內容綜合考慮進電動汽車充電設施規劃中，對不同電動汽車的具體電壓需求以及不同車主的充電服務需求進行關注。從城市電網總體規劃方面入手，結合具體的充電設施，完成定容、選址等規劃內容，確保對方案完成優化評價工作，實現充電設施優化規劃的效果。

3 電動汽車充電需求預測

3.1 充電功率

電動汽車車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。開始充電時，先以恒定的電流將電池充電至一個電壓閥值，然后在這個電壓閥值的狀態下進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。動力電池隨著使用時間的增長其內阻也將逐漸增大，內阻較大的電池在恒流充電階段所儲存的電能較少，時間也比較短，電能的補充主要來自于恒壓充電階段，在這一階段充電功率的變化不是很明顯。

3.2 充電持續時間

電動汽車的日行駛里程LEV主要分布在32～97 km 之間，超過257 km 的很少。若電動汽車的百英里耗電量W是恒定的，且電動汽車的充電功率Pcm也是一個定值，考慮充電機的充電效率kx，則電動汽車的持續充電時間可由式（1）計算得出。

3.3 充電排隊時間

可建立一個充電排隊模型，對充電站排隊時間進行規劃。這一模型是指針對充電用戶接受充電服務時的排隊時間，形成一個車輛到站、車輛等待以及充電時間的總體模型。這一模型結合了充電站的服務特點與經典排隊模型，能夠提升充電設施的利用率。

充電站排隊模型考慮電動汽車的到達時刻，對各個時段的到達電動車數量，進行泊松分布的概率函數探究，同時考慮電動汽車的等待時間模型，通過充電起始時刻與到達時間的差值確定電動汽車的等待時間。另外，電動汽車充電時間的模型，可采用二階段法進行恒功率充電，忽視充電效率的影響。針對以上排隊模型考慮內容，進行排隊算法的研究。將顧客的狀態分為到達狀態、排隊狀態、服務狀態以及離開狀態；對充電樁的狀態劃分為忙碌狀態和空閑狀態。基于此，建立包含電動汽車等待時間、電動汽車充電時間以及充電設施利用率的充電站排隊模型。

電動汽車等待時間計算公式如式（2）。

式（2）中，Ta為電動汽車的到達時刻，Ts為電動汽車的起始充電時刻，TW為電動汽車等待時間。

電動汽車充電時間計算公式如下。

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

充電設施利用率計算公式如下。

式（4）中，Nt為時段數，Dt為時刻t時，充電站內正在運行的充電樁數量。Nc為充電站內充電樁的數量。

4 電壓穩定性和充電服務質量的電動汽車充電站規劃

在考慮電壓穩定性和充電服務質量的前提下，利用電動汽車充電設施規劃原則來引導電動汽車用戶進行充電。充電站規劃的模型涉及到3個方面的內容，分別是充電功率、充電持續時間、充電排隊時間。這3方面內容并不相互獨立的，而是相互耦合、相互關聯、相互影響的。（1）充電功率的劃分直接影響著電動汽車充電負荷曲線的特性，進而影響充電負荷與原始電網負荷疊加后的負荷峰谷特性。合理充電功率的劃分會有效地將充電負荷引導至原始電網負荷低谷區段，達到削峰填谷的目的。（2）充電功率差的大小影響著響應不同充電方式的電動汽車用戶的比例。充電功率太小，難以調動電動汽車用戶的響應積極性；充電功率過大，將會影響電動汽車的推廣和應用，有可能使得一部分用戶因為難以承受，同時影響充電站的成本。（3）由于電動汽車作為交通工具的行駛功能與充電狀態存在時間上的沖突，即電動汽車在行駛時無法進行充電，而處于充電狀態時則不能實現行駛功能，所以不同充電持續時間、充電排隊時間的用戶對于行駛需求不同，會對具體的充電服務質量反應不同。這3個方面涉及到的變量，相互之間存在著比較強的耦合性，單獨對任意一個變量進行尋優都不能達到理想的效果，所以需要對充電功率、充電持續時間、充電排隊時間這3個方面進行綜合考慮，完成綜合優化。最后通過分析充電排隊時間以及充電服務質量，針對電動汽車充電需求的隨機性、不確定性以及和居民生活出行的關系，分析了電動汽車充電需求預測方面的適應性，構建了電動汽車需求和預測模型，分析電動汽車規模化應用后，其充電站規劃帶來的影響。

5 結束語

綜合考慮充電站作為電壓用電設施和公共服務設施2方面電壓穩定性和充電服務質量屬性，分析了充電站規劃多目標充電功率、充電持續時間、充電排隊時間3方面的數據模型影響。優化電動汽車充電站的規劃建設，提升充電站規劃效果，滿足電動汽車發展需要。