电动汽车充电模式选择与充电负荷计算的研究

刘琰，何伟哲

（国网西安供电分公司，陕西西安710048）

电动汽车实现以电代油，具备能源利用效率高、废气排放少、噪音低等优势，是用以解决能源和环境问题的重要手段之一。而作为电动汽车能源补给的重要基础设施充电站，理应受到重视。由于当前车载电池存在着能量密度限制，导致电动汽车续航里程短。因此，建立完善充电设施保障电动汽车日常使用十分必要。为了满足电动汽车用户充电负荷，规划区域内电动汽车最大充电负荷需求应该小于充电站额度容量。考虑电动汽车车主充电习惯，充电负荷具有比较大的随机性。通过运用蒙特卡罗模拟方法[1]来确定规划区内电动汽车最大充电负荷[2-3]，综合城市交通公共服务设施和普通用电设施双重属性，建立起充电站最优规划的一个多目标决策模型，其目标是最小化配电系统网络损耗、最小化节点电压偏移以及最大化交通流量。

1 西安市电动汽车充电模式选择

1.1 技术、经济条件分析

快充模式的充电站的成本主要包括2大方面，分别是可变成本因素和固定成本因素，其投入成本主要如图1所示。

图1 快充模式下充电站投入成本构成图Fig.1 The cost composition of the charging station under the fast charging mode

在成本计量的过程中，其需要根据电动汽车充电站的规模和运营模式来确定规模和投入情况。这主要是因为电动汽车充电站是满足电动汽车快速充电的重要基础设施，而电动汽车所需要的电量、充电时间以及电动汽车运行的特点等又决定着电动汽车充电站的建设规模和后期的运行成本，影响充电站的固定投资成本和可变的运行成本。

快充模式是不断用反复充放电来循环充电的[4]，首先给电池组用0.8～1倍额定容量的大电流进行定流充电，使蓄电池在短时间内充至额定容量的50%～60%。接着由电路控制先停止充电25～40 ms，接着再放电或反充电，使电池组反向通过一个较大的脉冲电流，然后再停止充电。之后的充电就按照“正脉冲充电—停充—负脉冲瞬间放电—停充—正脉冲充电”的循环[5]，直至充满。

虽然快充模式的充电速度非常高，其充电时间稍长于燃油汽车加油的时间。可是充电设备安装要求和成本非常高。并且快速充电的电流电压较高，短时间内对电池的冲击较大，容易令电池的活性物质脱落和电池发热，因此对电池保护散热方面要求有更高的要求[6]。

1.2 慢充模式技术、经济条件分析

电动汽车慢充电和快充电相比，充电站内必要的设备投入大体上相似，投入的成本内容也几乎相同，可以参见图1。慢充模式可以使用家用电源或专用的充电桩电源，充电电流一般在16～32 A，可通过直流或者交流，根据电池容量的不同充电时间通常为5～8 h。尽管慢充模式缺点——较长的充电时间，非常明显，但其对充电的要求并不高，充电器的安装成本较低；可充分利用夜间谷值电价进行充电，降低充电成本，更为重要的优点是可对电池深度充电，提升电池充放电效率，延长电池寿命。因充电时间较长，可大大满足白天运作晚上休息的车辆。慢充模式主要采用定流充电和定压充电2种方式进行充电。现在的慢充模式基本都采用定流和定压充电混合工作，充电前期采用定流充电，可保证电池深度充电；后期则采用定压充电，可自动调节电流大小结束充电，避免过充电。

1.3 换电模式技术、经济条件分析

电动汽车换电模式与快充、慢充模式相比，投资较大，成本主要增加在电池储备上，而充电站的充电设施也需要增加部分设备，其主要部件和功能如表1所示。

表1 换电设施部件和功能Tab.1 Components and functions of batteries replacement facilities

换电模式集成了快充、慢充模式的优点[7]，通过使用机械设备更换，整个电池更换过程花费的时间与现有燃油车加油时间大致相当。但换电模式最大的限制是各大厂商需要统一电池规格等标准，并且无法保证每块电池组的性能一致，从而制约其发展。

由于换电模式需要各方的协调统一，在实际操作过程中很难实现，加之建设运维成本高，因此国家电网已放弃了2011年提出的“换电为主、插电为辅、集中充电、统一配送的”充换电站商业模式，在2014年推出“主导快充、兼顾慢充、引导换电、经济适用”的充电站建设原则。

2 快、慢结合的充电模式下充电负荷测算

随着电动汽车规模的增大，用户的无序充电将不断地加大电网的峰谷差率，势必对电网建设、运行产生巨大压力[8]。在电网建设方面，电网企业必须加大投资力度才能满足负荷高峰期用户的电力需求，而这些投资的机组在夜间等谷值时段通常处于轻载或停运状态，由此一来降低了设备的平均利用率，造成资源的浪费。在电网运行方面，不断加大的峰谷差率，不仅增大了电网损耗，还将对电网的安全运行产生不良影响，增加了电网调峰的压力。尤其是大型居民区，大量电动汽车的无序充电，会对该区域的电力线路和电气设备造成极大的负担，严重影响电网的稳定运行。

假设电动汽车的车主的行驶习惯与燃油汽车车主相同，可以统计出电动私家车、电动出租车、电动公交车的行驶数据[9]，并基于此进行统计数据模拟，发现3种车型的的日均行驶里程满足式（1）中的函数。

充电负荷需求是在时间和空间2个维度上被影响的，而且充电的开始和持续时间影响程度更大[10]。以下将根据上述3种车型不同的日均续航里程及行驶、充电时间的特性，利用蒙特卡罗模拟方法进行负荷测算，以发现大规模集中充电对电网的影响。

2.1 基于蒙特卡洛模拟方法的负荷计算模型

将一天分解为48个时段（每30 min一个段），将上述3种汽车在各时段内的快、慢充电负荷进行累加，得到如下函数

式中，P(i,k,t)表示在第t个时段（t=1、2、3，…，48）中第i种汽车（i=电动私家车、电动出租车、电动公交车）的第k种充电负荷（k=快充、慢充）；Ni表示第i种汽车的数量；p(i,k)表示第i种汽车在第k种充电模式下的单车充电功率。

那么在该时段内上述3种车型在某种充电模式下的负荷为

将通过模特卡罗模拟方法计算电动私家车、出租车、公交车在快、慢结合的充电模式下负荷情况，步骤如图2所示。

2.2 电动私家车充电负荷测算

私家车的使用主要在于车主上下班和日常生活，因此电动私家车相应的充电地点应该在单位办公停车场、商场超市和居民停车场等[11]。以西安市私家车的出行为例，上班出行的高峰时段为7：00—9：00，占据了私家车总量的67.34%。车辆到达高峰期的时段为7：30—9：30，占了私家车总量的72.18%。

从图3可以看出，电动私家车通过慢充模式的充电负荷在一日的各时段内数值较大，从第14、15个时间段开始慢充充电的私家车数量逐步增多，并在第37个时段附近达到峰值，随后开始充电的数量逐步减少，也反映出百姓工作生活的作息习惯。快充模式的负荷曲线较为平稳，主要反映在第15个时间段左右至第38个时间段期间，人们的外出活动增多。

图2 基于蒙特卡洛模拟方法的负荷计算流程图Fig.2 Flow chart of load calculation based on Monte Carlo simulation method

图3 5 000辆电动私家车快、慢结合充电负荷曲线Fig.3 The charging load curve of 5 000 private electric cars in the combined mode of fast and slowing charging

2.3 电动出租车充电负荷测算

通过对西安市出租车运营情况进行调研得出，出租车日均行驶的里程为350～500 km。每一辆出租车有2名司机，通常有小班和大班2种倒班模式。在大班司机休息时间内可以对电动出租车进行慢充，小班司机只能够进行快速充电[12]，见图4。

图4 5000辆电动出租快充充电负荷曲线图Fig.4 The charging load curve of 5000 electric taxis in the fast charging mode

2.4 电动公交车充电负荷测算

根据对于西安市公交车的运营情况进行的调研，电动公交车的示范运营额定行驶的里程大约为200 km，在公交车白天运营的时间段内，只能进行快充；在夜间停运的时间段内电动公交车进行长时间慢充[13]，见图5。

图5 2000辆电动公交车快、慢结合充电负荷曲线Fig.5 The charging load curve of 2000 electric buses in the combined mode of fast and slowing charging

2.5 电动汽车充电负荷测算

根据上述分析计算，可以得出在5 000辆电动私家车、5 000辆电动出租车和2 000辆电动公交车的假设前提下的充电负荷情况，如图6所示。

图6 三类汽车快、慢结合充电负荷曲线图Fig.6 The charging load curve of three kinds of electric vehicles in the combined mode of fast and slowing charging

3 充电站接入对电网的影响

充电站提供充电服务时，电动汽车的保有量、车辆类型、充电时间、充电模式等因素主要影响到电网的电能质量、供电能力和峰谷差3个方面：1）对电能质量的影响。电动汽车充电离不开充电机，一般采用三相桥式整流或12脉波整流，其运行时必然会对电网造成谐波污染。随着电动汽车的普及应用，大规模电动汽车充电机或充电站工作时的谐波对电能质量产生的影响不容忽视。另外，如果接入电网点越接近配电网线路末端，对网点及线路其他节点的电压将增大，也将对电能质量产生影响。经测算，交流慢充对配电网的影响较小，直流快充对局部配电网的影响较大，有可能造成电网局部过负荷、线路拥塞等问题[14]。2）对供电能力的影响。在没有接入电动汽车以前，每个生活小区的用电负荷变化平稳，当接入电动汽车，无论是大规模接入还是小范围接入，都会对原有的配电网产生极大影响，特别是对于负荷高峰的影响[15]。当小区内电动汽车有更高的渗透率时，即有更多电动汽车接入小区电网时，如果没有足够的充电站，将会使设置有充电站的节点上的峰值过高，严重时可能超过变压器的容量，给电网带来巨大危害，所以应根据电动汽车的渗透率合理地建设充电站。3）对峰谷差的影响。大规模电动汽车在时间和空间上的无序充电行为会产生电力负荷“峰上加峰”的现象，加大电网峰谷差。峰谷电价对电动汽车用户的充电电价有一定影响，对引导用户有序充电具有一定的吸引力，有序充电可有效减小电网峰谷差[16]。在电网运营模式下，国网西安供电公司可以对全网的充电站、电动汽车的充电时间进行集中优化控制，根据电网的负荷情况优化充电状态，减轻大规模电动汽车接入充电对电网的影响。

4 结语

本文首先对3种电动汽车充电模式—快充模式、慢充模式、换电模式从成本、充电便利性、充电性能等方面进行了分析对比，并最终确定了符合西安市现状的快、慢结合的充电方式。其次对电动汽车行驶里程进行了分析建模，将一天分成48个时间段后提出了基于蒙特卡罗模拟方法的充电负荷计算模型，并依据此模型对电动私家车、电动出租车及电动公交车的充电负荷进行测算。最后根据负荷测算过程中的影响因素和负荷曲线，介绍了充电站提供充电服务时对电网产生的影响。

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