居民小區(qū)電動汽車充電容量計算及其降低方法研究

黃海寧，曲 鈺，黃相良

（1.國網(wǎng)溫州供電公司，浙江 溫州 325000；2.浙江圖盛輸變電工程有限公司溫州科技分公司，浙江 溫州 325000）

電動汽車產(chǎn)業(yè)近年來得到了快速發(fā)展，國內(nèi)外涌現(xiàn)了像特斯拉、小鵬、理想等一系列新型電動汽車品牌，與此同時，老牌汽油柴油機汽車品牌也加大了電動汽車的研發(fā)并逐步向完全電動化轉(zhuǎn)變。為了進(jìn)一步推動電動汽車產(chǎn)業(yè)及充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，國家和地方近年來出臺了一系列文件、規(guī)定、法規(guī)和法律，對電動汽車充電設(shè)施建設(shè)及相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)給出了具體的規(guī)定[1]，本文研究和探討了電動汽車充電容量的計算及其降低方法。

1.電動汽車電池種類及其充電特性分析

1.1 電動汽車電池種類

鋰電池是目前電動汽車市場上主要使用的電池類型，根據(jù)其物質(zhì)組成不同，鋰電池又可以分為磷酸鐵鋰和鎳鈷錳聚合物鋰兩種類型的鋰電池，早期的磷酸鐵鋰電池由于能量密度低、低溫性能表現(xiàn)差等原因而沒有得到有效的應(yīng)用，經(jīng)技術(shù)改良后期能量密度目前已經(jīng)與聚合物鋰電池相接近[2]；鎳鈷錳聚合物鋰電池由于能量密度較高的優(yōu)勢目前得到最為廣泛的應(yīng)用，但制造成本和安全性上存在一定問題。

1.2 電動汽車電池的充電特性

盡管鋰電池有多種類型，但其在充電特性上的表現(xiàn)差異不是很大，目前電動汽車電池主流的充電方式為恒定功率智能化充電，其充電的具體過程如圖1所示。

圖1 電動汽車電池充電特性曲線

圖中A、B、C、D為電動汽車電池充電的四個階段，A段表示電動汽車電池充電的限流階段，通常又叫電池預(yù)充電，這一階段的充電特性為電流電壓逐步緩慢上升；B段表示電動汽車電池充電的電流恒定階段，這一階段充電電流始終保持不變，充電電壓逐步穩(wěn)定增長；C段表示電動汽車電池充電的恒定功率階段，這個階段電壓繼續(xù)增長，電流卻不斷減小，總的充電功率保持恒定不變；D表示電動汽車電池充電的電壓恒定階段，電壓保持恒定不變，電流持續(xù)減小。當(dāng)電動汽車的電池電壓達(dá)到預(yù)定的值域時自動切斷電源完成充電過程。

實際上大部分情況下電動汽車電池在開始充電時都會存留一定的電量，因此日常情況下的電動汽車電池充電一般只會經(jīng)歷C、D兩個階段[3]，也就是功率恒定階段和電壓恒定階段，并且電壓恒定階段的持續(xù)時間較短，通常在充電符合計算時予以忽略。

2.電動汽車充電容量的計算

2.1 電動汽車充電樁類型及其充電過程

根據(jù)電動汽車充電樁所使用電源的不同可以將其分為交流充電樁和直流充電樁。交流充電樁為電動汽車提供交流電源，在功能上大部分交流充電樁一般都不能調(diào)節(jié)輸出功率，其充電過程為：充電樁與電動汽車連接后，讀取汽車電池電量、功率等信息并在充電授權(quán)后開始充電，充電過程中的相關(guān)信息在顯示界面上呈現(xiàn)；直流充電樁為電動汽車提供直流電源，它可以根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)充電的輸出功率。其充電過程與交流充電樁大致相同，所不同的是充電樁能夠根據(jù)電池信息自動地調(diào)整相關(guān)的充電參數(shù)。

2.2 電動汽車充電容量的計算

由于交流充電樁較為常見，在充電樁中占有絕大多數(shù)比例，因此本文以交流充電樁為參照，按照國家相關(guān)的電動汽車充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電動汽車充電容量的計算公式如下：

式中T表示電動汽車總充電容量；G1、G2…Gn表示每個充電設(shè)備對應(yīng)的輸出功率，一般單相交流充電樁按7千瓦設(shè)計，三相交流充電樁相應(yīng)地為21千瓦；Rq為需求系數(shù)，交流充電樁的需求系數(shù)一般取值范圍為0.9以上；Rs為同時需求系數(shù)；為功率因子，一般取值為0.9以上。

2.3 同時需求系數(shù)Rs的確定

對于同時需求系數(shù)Rs的研究目前從國家標(biāo)準(zhǔn)或地方標(biāo)準(zhǔn)中都沒有很高意義價值的數(shù)據(jù)可供借鑒，為了研究該值本文將其設(shè)定在一個具體的居民小區(qū)內(nèi)進(jìn)行研究，并對該居民小區(qū)進(jìn)行如下設(shè)定：

充電樁功率均為7千瓦；小區(qū)住戶按照800家計算，每家配車位個數(shù)1.2個，共960個車位；遠(yuǎn)期預(yù)計960個車位匹配960輛電動汽車；平均每天有12%的電動汽車處于閑置狀態(tài)，35%的電動汽車每天行駛里程50公里，45%的電動汽車每天行駛里程100公里，8%的電動汽車每天行駛里程200公里；在城市綜合工況下，每100公里電動汽車耗電為20千瓦時；除了12%的閑置車輛外，其他電動汽車的充電時間均選擇在晚上6點到早上6點之間。

根據(jù)數(shù)學(xué)期望的計算公式可以計算出該居民小區(qū)電動汽車總的充電小時期望值為914.8小時，充電時間為11小時，也就是平均每小時充電的電動汽車數(shù)量為83.2。

經(jīng)過對國內(nèi)外電動汽車日行駛里程、充電時刻等大數(shù)據(jù)的擬合分析，發(fā)現(xiàn)電動汽車充電時間分布服從正態(tài)分布的規(guī)律，日行駛里程滿足對數(shù)分布的規(guī)律，這樣就可以計算出每天某個時刻每臺電動汽車的充電功率需求期望值。經(jīng)過以上計算、分析和優(yōu)化，最后得到如表1所示的電動汽車交流充電樁同時需求系數(shù)。

表1 電動汽車交流充電樁同時需求系數(shù)

2.4 用電負(fù)荷對比

該居民小區(qū)用電負(fù)荷每戶按照國家關(guān)于住宅電氣規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)來計算，用電負(fù)荷大概是1435千瓦，電動汽車充電樁的用電負(fù)荷高峰時期大概為2758千瓦，由此可見電動汽車充電樁系統(tǒng)的用電負(fù)荷大概是居民住宅用電負(fù)荷的2倍，隨著電動汽車的不斷增長和普及，在夜間電動汽車充電高峰時期勢必會對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的壓力，為此必須采取方法來降低電動汽車的充電容量。

3.電動汽車充電容量的降低方法

根據(jù)以上分析，該居民小區(qū)會因為電動汽車的集中充電高峰而導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷壓力較大，所以必須采取措施降低充電高峰所帶來的電力峰值負(fù)荷，從而減小整個小區(qū)系統(tǒng)的充電容量，降低電網(wǎng)負(fù)荷壓力。既要滿足電動汽車充電需求，又要有效降低充電容量，同時還要考慮成本投資，本文提出如下解決方案：

3.1 設(shè)定容量下的自動充電方案

考慮到該居民小區(qū)的所有電動汽車在充電時并非同時間開始，電池剩余電量和充滿電所需要的時間也各不相同，基于此可以采取設(shè)定容量的自動充電方案。

該方案的基本邏輯機制為：當(dāng)Ts大于Tz時所電動汽車同時開啟充電；當(dāng)Ts小于等于Tz時，由系統(tǒng)按照先進(jìn)先出的順序以設(shè)定的輪換時間間隔來進(jìn)行輪換式充電，Ts為居住小區(qū)所在區(qū)域變壓器預(yù)先設(shè)定的可用電力容量，Tz為所有接入充電系統(tǒng)的電動汽車充電容量的加總。

仍然以上文中的居民小區(qū)為例，小區(qū)配置有960個7千瓦的交流電動汽車充電樁，根據(jù)充電負(fù)荷公式可以計算出該小區(qū)的充電容量Tz=2629KVA，設(shè)定小區(qū)所屬的變壓器其負(fù)載率為0.85，那么變壓器所需要的設(shè)計容量就是3093KVA，這時從常規(guī)設(shè)計的角度來看就需要選配2臺每臺為1600KVA的變壓器即可。但是如果考慮采用本文所設(shè)計的設(shè)定容量下的自動充電方案，那么選用1臺該容量的變壓器即可滿足需求。其原理機制如下：

在變壓器負(fù)載率為0.85的情況下，1臺容量1600KVA的變壓器其可用容量Ts為1360KVA，當(dāng)所有接入電網(wǎng)系統(tǒng)的需要充電的電動汽車的容量Tz小于1360 kVA的時候，那么計算機系統(tǒng)默認(rèn)允許所有電動汽車可以正常充電，當(dāng)Tz大于或等于1360 kVA時，為了保證電網(wǎng)系統(tǒng)的安全，計算機系統(tǒng)將不允許目前已經(jīng)接入的電動汽車全部可以有效充電，作為應(yīng)對方案，可以設(shè)定每隔固定時間（諸如8 min）按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)行輪流充電，首先關(guān)閉充電時間最長的車輛，而充電時間最短的車輛開始充電，隨著時間的輪換，已經(jīng)充滿的電動汽車將自動從充電系統(tǒng)中斷開，退出充電輪換系統(tǒng)，其余沒有充滿的電動汽車按照設(shè)定規(guī)則繼續(xù)充電直至充滿為止。

3.2 設(shè)定容量動態(tài)調(diào)整功率下的自動充電方案

設(shè)定容量動態(tài)調(diào)整功率下的自動充電方案，其基本原理和機制如下：通過對每個電動汽車充電樁的充電功率進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，時期滿足下列條件：

式中Tc為每輛電動汽車的充電容量，Ts為該居民小區(qū)變壓器設(shè)備的預(yù)先設(shè)定的可用的電力容量，M為該居民小區(qū)所有接入電力系統(tǒng)需要進(jìn)行充電的電動汽車數(shù)量。當(dāng)所有接入電力系統(tǒng)的需要充電的電動汽車的充電容量總值小于變壓器預(yù)先設(shè)定的可用電力容量時，所有電動汽車均可以正常充電；當(dāng)前者大于或等于后者時，計算機系統(tǒng)按照公式的設(shè)定在需要充電的所有電動汽車之間對可用充電容量進(jìn)行平均分配，這樣就保證了在充電高峰時期，無論有多少量電動汽車需要充電，每臺車輛都可以進(jìn)入到充電狀態(tài)，只不過每臺車輛的充電功率有所減小，并且與充電汽車的數(shù)量呈反比例關(guān)系變化。

以文中該居民小區(qū)為例，在設(shè)定容量動態(tài)調(diào)整功率的自動充電方案下，1臺容量為1600KVA的變壓器其可用容量預(yù)先設(shè)定為1360kVA，如果有180輛電動汽車接入充電系統(tǒng)，那么每臺電動汽車所分配到的充電容量為7.55kVA，如果有380兩電動汽車接入電力系統(tǒng)充電，那么每輛電動汽車所分配到的充電容量為3.58kVA，當(dāng)有電動汽車電量充滿或新接入的電動汽車需要充電時，計算機系統(tǒng)會重新為每輛正在充電的車輛進(jìn)行重新分配充電容量。