电动汽车快速充电站的负荷特性

胡 荣，赵品贤

(上海电力学院 电力与自动化工程学院，上海 200090)

近年来，在全球环境恶化及传统化石能源短缺的背景下，各国加紧了电动汽车应用的探索和研究.预计2015年，我国纯电动汽车的保有量将达266万辆左右.每辆电动汽车功率按20 kW计算，则总容量为5.32×107kW.由此可见，电动汽车在规模化应用后，其总的负荷需求将十分庞大.

电动汽车充电负荷在时间和空间上具有一定的随机性，可能导致电网负荷高峰的增加，需要新增电网装机容量，而一些输配电网络将不能承载其能量需求［1，2］.因此，分析电动汽车的电能需求对未来城市负荷预测、电力配送，以及基础设施建设规划等具有重要意义.定量评估电动汽车负荷带来的影响已成为许多电力工作者关注的焦点.文献［3］和文献［4］采用电动汽车负荷1 d的分布对历史负荷曲线进行叠加，得到了电动汽车对日负荷曲线的影响;文献［5］通过“填谷”方法按电量计算了美国各区域电网可承受的插入式混合动力汽车的数量;文献［6］分析了未经管理的充电和经电价引导的充电对电网的影响;文献［7］对一个大型停车场车辆的驶入时刻进行了统计，并根据统计出的规律对变压器、供电电缆进行了设计;文献［8］根据充电功率的统计规律建立了用于多台电动汽车充电机谐波评估的数学模型.本文从电动汽车充电模式着手，分析了各种充电模式对电网的影响，探讨了对电网影响相对较大的快速充电站的负荷特性.

1 蓄电池的充电模型

电动汽车的充电模式分为常规充电模式、快速充电模式和换电池模式3种.

(1)常规充电模式 通常采用充电桩充电，充电电压一般为交流220 V，充电电流为10～15 A，充电时间为5～8 h.可利用夜晚在住宅小区和停车场充电，达到削峰填谷的效果.但常规充电时间一般较长，给实际使用带来许多不便.

(2)快速充电模式 快速充电电池的出现，为纯电动汽车的商业化提供了技术支持.快速充电又称应急充电，以150～400 A大电流在电动汽车停车的20 min至2 h内，为其提供70% ～80%充电服务.其充电电压一般为直流400 V或750 V.2010年5月，国家电网签署了267份电动汽车充电设施建设战略合作框架协议，占全国273个地级市的98%.光大证券预测，2012年全国将建成快速充电桩36 200个，慢充电桩7 400个.

(3)换电池模式 主要是通过更换电动汽车的电池组来达到为其充电的目的.更换电池快捷方便，可在2 min内由专业人员借助专业机械快速完成，其缺点是电动汽车和电池的标准化问题难以统一.

上述3种模式中的快速充电模式对电网影响最大.本文以快速充电模式为研究对象，根据电动汽车的充电特性建立快速充电站负荷特性模型.

2 快速充电模型

2.1 单台蓄电池充电特性

根据马斯定律:在充电过程中，蓄电池的充电电流始终等于或接近于蓄电池的可接受电流(即蓄电池不被击穿的最大电流)，在很短的时间内完成对蓄电池的充电，而在这个过程中，温度也不会太高(40℃以下).在充电过程中，为了尽量减少极化，可以得出蓄电池的允许充电特性，即在不产生气泡或微产生气泡的条件下充电电流随时间变化的曲线如图1所示.

图1 蓄电池快速充电特性曲线

蓄电池的快速充电模型为［9］:

式中:I——蓄电池可以接受的充电电流(不会使蓄电池击穿)，即允许的充电电流;

I0——当t=0时最大的允许充电电流，由蓄电池的使用状态决定;

α——蓄电池固有充电电流接受比，也称固有接受比，α=I0/C(C为蓄电池需要充入的电量).

从蓄电池接受比α的定义中可以看出，当蓄电池的容量确定后，α越大表示蓄电池接受能力越强，充电的速度也将越快，即充电时间越短.

2.2 电动汽车充电时刻的选择

借鉴汽车加油统计规律，假定电动汽车充电到达时刻服从泊松过程，当λ较大时，则用均值μ=λ，方差σ2=λ的正态分布去近似于泊松分布，结果令人满意.为此，我们假设电动汽车的充电到达时刻服从分布，即:

2.3 多台充电功率模型

各蓄电池的充电过程相互独立，所以蓄电池的充电电流符合独立同分布:

充电站全部充电机同时进行充电时所需的总功率为:

式中:Q——近似为蓄电池同时充电时总电流;

η——充电机的充电效率.

3 案例分析

假设某大型充电站有50台电动汽车同时充电，充电时间服从:

蓄电池的单台容量为120 Ah，最大允许充电电流为275 A，充电电压为直流400 V，充电机效率η取0.9，则由马斯定律可知:

考虑充电过程C的变化，为简化计算C统一取为90 Ah，则:

故单台充电电流 I=250e－0.051t，考虑到不同时刻对充电电流的影响:

因为各蓄电池充电负荷独立同分布，故:

由中心极限定理可知，大量独立同分布随机变量和的分布近似服从于正态分布:

所以变电站的总负荷为:

若由最大电流计算，则:

考虑快速充电过程中不同充电时刻电流的变化，用E(i)－3σ，E(i)+3σ来估算电动汽车充电负荷，在满足充电负荷需求的前提下，能极大地减少充电站的配电容量配置.

4 结语

本文由电动汽车充电服从泊松分布、近似服从正态分布，以及不同蓄电池在不同充电时刻的错峰效应，借助概率论数学期望和方差知识，分析了一台电动汽车充电时的电流，然后利用统计学大数定律和中心极限定理，得出了电动汽车总的最大充电功率远小于单台最大功率之和、在满足充电需求的同时可以减少配电设备投资的结论.

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