居民小区电动汽车充电容量计算及其降低方法研究

黄海宁，曲 钰，黄相良

（1.国网温州供电公司，浙江 温州 325000；2.浙江图盛输变电工程有限公司温州科技分公司，浙江 温州 325000）

电动汽车产业近年来得到了快速发展，国内外涌现了像特斯拉、小鹏、理想等一系列新型电动汽车品牌，与此同时，老牌汽油柴油机汽车品牌也加大了电动汽车的研发并逐步向完全电动化转变。为了进一步推动电动汽车产业及充电基础设施的发展，国家和地方近年来出台了一系列文件、规定、法规和法律，对电动汽车充电设施建设及相关的技术标准给出了具体的规定[1]，本文研究和探讨了电动汽车充电容量的计算及其降低方法。

1.电动汽车电池种类及其充电特性分析

1.1 电动汽车电池种类

锂电池是目前电动汽车市场上主要使用的电池类型，根据其物质组成不同，锂电池又可以分为磷酸铁锂和镍钴锰聚合物锂两种类型的锂电池，早期的磷酸铁锂电池由于能量密度低、低温性能表现差等原因而没有得到有效的应用，经技术改良后期能量密度目前已经与聚合物锂电池相接近[2]；镍钴锰聚合物锂电池由于能量密度较高的优势目前得到最为广泛的应用，但制造成本和安全性上存在一定问题。

1.2 电动汽车电池的充电特性

尽管锂电池有多种类型，但其在充电特性上的表现差异不是很大，目前电动汽车电池主流的充电方式为恒定功率智能化充电，其充电的具体过程如图1所示。

图1 电动汽车电池充电特性曲线

图中A、B、C、D为电动汽车电池充电的四个阶段，A段表示电动汽车电池充电的限流阶段，通常又叫电池预充电，这一阶段的充电特性为电流电压逐步缓慢上升；B段表示电动汽车电池充电的电流恒定阶段，这一阶段充电电流始终保持不变，充电电压逐步稳定增长；C段表示电动汽车电池充电的恒定功率阶段，这个阶段电压继续增长，电流却不断减小，总的充电功率保持恒定不变；D表示电动汽车电池充电的电压恒定阶段，电压保持恒定不变，电流持续减小。当电动汽车的电池电压达到预定的值域时自动切断电源完成充电过程。

实际上大部分情况下电动汽车电池在开始充电时都会存留一定的电量，因此日常情况下的电动汽车电池充电一般只会经历C、D两个阶段[3]，也就是功率恒定阶段和电压恒定阶段，并且电压恒定阶段的持续时间较短，通常在充电符合计算时予以忽略。

2.电动汽车充电容量的计算

2.1 电动汽车充电桩类型及其充电过程

根据电动汽车充电桩所使用电源的不同可以将其分为交流充电桩和直流充电桩。交流充电桩为电动汽车提供交流电源，在功能上大部分交流充电桩一般都不能调节输出功率，其充电过程为：充电桩与电动汽车连接后，读取汽车电池电量、功率等信息并在充电授权后开始充电，充电过程中的相关信息在显示界面上呈现；直流充电桩为电动汽车提供直流电源，它可以根据实际需要调节充电的输出功率。其充电过程与交流充电桩大致相同，所不同的是充电桩能够根据电池信息自动地调整相关的充电参数。

2.2 电动汽车充电容量的计算

由于交流充电桩较为常见，在充电桩中占有绝大多数比例，因此本文以交流充电桩为参照，按照国家相关的电动汽车充电技术标准，电动汽车充电容量的计算公式如下：

式中T表示电动汽车总充电容量；G1、G2…Gn表示每个充电设备对应的输出功率，一般单相交流充电桩按7千瓦设计，三相交流充电桩相应地为21千瓦；Rq为需求系数，交流充电桩的需求系数一般取值范围为0.9以上；Rs为同时需求系数；为功率因子，一般取值为0.9以上。

2.3 同时需求系数Rs的确定

对于同时需求系数Rs的研究目前从国家标准或地方标准中都没有很高意义价值的数据可供借鉴，为了研究该值本文将其设定在一个具体的居民小区内进行研究，并对该居民小区进行如下设定：

充电桩功率均为7千瓦；小区住户按照800家计算，每家配车位个数1.2个，共960个车位；远期预计960个车位匹配960辆电动汽车；平均每天有12%的电动汽车处于闲置状态，35%的电动汽车每天行驶里程50公里，45%的电动汽车每天行驶里程100公里，8%的电动汽车每天行驶里程200公里；在城市综合工况下，每100公里电动汽车耗电为20千瓦时；除了12%的闲置车辆外，其他电动汽车的充电时间均选择在晚上6点到早上6点之间。

根据数学期望的计算公式可以计算出该居民小区电动汽车总的充电小时期望值为914.8小时，充电时间为11小时，也就是平均每小时充电的电动汽车数量为83.2。

经过对国内外电动汽车日行驶里程、充电时刻等大数据的拟合分析，发现电动汽车充电时间分布服从正态分布的规律，日行驶里程满足对数分布的规律，这样就可以计算出每天某个时刻每台电动汽车的充电功率需求期望值。经过以上计算、分析和优化，最后得到如表1所示的电动汽车交流充电桩同时需求系数。

表1 电动汽车交流充电桩同时需求系数

2.4 用电负荷对比

该居民小区用电负荷每户按照国家关于住宅电气规范的标准来计算，用电负荷大概是1435千瓦，电动汽车充电桩的用电负荷高峰时期大概为2758千瓦，由此可见电动汽车充电桩系统的用电负荷大概是居民住宅用电负荷的2倍，随着电动汽车的不断增长和普及，在夜间电动汽车充电高峰时期势必会对电网产生很大的压力，为此必须采取方法来降低电动汽车的充电容量。

3.电动汽车充电容量的降低方法

根据以上分析，该居民小区会因为电动汽车的集中充电高峰而导致电网负荷压力较大，所以必须采取措施降低充电高峰所带来的电力峰值负荷，从而减小整个小区系统的充电容量，降低电网负荷压力。既要满足电动汽车充电需求，又要有效降低充电容量，同时还要考虑成本投资，本文提出如下解决方案：

3.1 设定容量下的自动充电方案

考虑到该居民小区的所有电动汽车在充电时并非同时间开始，电池剩余电量和充满电所需要的时间也各不相同，基于此可以采取设定容量的自动充电方案。

该方案的基本逻辑机制为：当Ts大于Tz时所电动汽车同时开启充电；当Ts小于等于Tz时，由系统按照先进先出的顺序以设定的轮换时间间隔来进行轮换式充电，Ts为居住小区所在区域变压器预先设定的可用电力容量，Tz为所有接入充电系统的电动汽车充电容量的加总。

仍然以上文中的居民小区为例，小区配置有960个7千瓦的交流电动汽车充电桩，根据充电负荷公式可以计算出该小区的充电容量Tz=2629KVA，设定小区所属的变压器其负载率为0.85，那么变压器所需要的设计容量就是3093KVA，这时从常规设计的角度来看就需要选配2台每台为1600KVA的变压器即可。但是如果考虑采用本文所设计的设定容量下的自动充电方案，那么选用1台该容量的变压器即可满足需求。其原理机制如下：

在变压器负载率为0.85的情况下，1台容量1600KVA的变压器其可用容量Ts为1360KVA，当所有接入电网系统的需要充电的电动汽车的容量Tz小于1360 kVA的时候，那么计算机系统默认允许所有电动汽车可以正常充电，当Tz大于或等于1360 kVA时，为了保证电网系统的安全，计算机系统将不允许目前已经接入的电动汽车全部可以有效充电，作为应对方案，可以设定每隔固定时间（诸如8 min）按照先进先出的原则进行轮流充电，首先关闭充电时间最长的车辆，而充电时间最短的车辆开始充电，随着时间的轮换，已经充满的电动汽车将自动从充电系统中断开，退出充电轮换系统，其余没有充满的电动汽车按照设定规则继续充电直至充满为止。

3.2 设定容量动态调整功率下的自动充电方案

设定容量动态调整功率下的自动充电方案，其基本原理和机制如下：通过对每个电动汽车充电桩的充电功率进行动态调整，时期满足下列条件：

式中Tc为每辆电动汽车的充电容量，Ts为该居民小区变压器设备的预先设定的可用的电力容量，M为该居民小区所有接入电力系统需要进行充电的电动汽车数量。当所有接入电力系统的需要充电的电动汽车的充电容量总值小于变压器预先设定的可用电力容量时，所有电动汽车均可以正常充电；当前者大于或等于后者时，计算机系统按照公式的设定在需要充电的所有电动汽车之间对可用充电容量进行平均分配，这样就保证了在充电高峰时期，无论有多少量电动汽车需要充电，每台车辆都可以进入到充电状态，只不过每台车辆的充电功率有所减小，并且与充电汽车的数量呈反比例关系变化。

以文中该居民小区为例，在设定容量动态调整功率的自动充电方案下，1台容量为1600KVA的变压器其可用容量预先设定为1360kVA，如果有180辆电动汽车接入充电系统，那么每台电动汽车所分配到的充电容量为7.55kVA，如果有380两电动汽车接入电力系统充电，那么每辆电动汽车所分配到的充电容量为3.58kVA，当有电动汽车电量充满或新接入的电动汽车需要充电时，计算机系统会重新为每辆正在充电的车辆进行重新分配充电容量。