电动汽车移动式换电服务研究

张浩，唐雾婺，张宁，张卫国

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211000）

电动汽车移动式换电服务研究

张浩，唐雾婺，张宁，张卫国

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211000）

为了解决电动汽车规模化应用的问题，针对电动汽车能源供给方式，介绍了电动汽车的移动式换电服务。提出了以移动式换电网络运营模式为基础的换电服务模型，考虑了实际应用时对移动式换电服务产生影响的因素。在电动汽车的主流能源供给设施投入建设之前，移动式换电服务可以作为一种过渡性的能源供给方式；当主流能源供给设施建设完备时，移动式换电服务也可以作为一种补充方式，进一步扩大覆盖范围的同时，提供灵活便利的能源供给服务。

电动汽车；移动换电；能源供给；服务策略

随着全球能源以及环境危机的加剧，化石燃料的日益枯竭，全球气温的不断上升，环境不断恶化，人们对清洁、可再生能源的关注、研究和利用越来越多，逐渐认识到发展电动汽车是未来交通发展的必然趋势[1-4]。由于车用动力电池的容量，充电便捷性等问题一直是电动汽车的发展瓶颈[5]，所以能源供给方式是电动汽车规模化发展过程中必须要考虑的一项关键技术。电动汽车能源供给方式目前有常规交流充电、快速直流充电和电池更换3种[6-7]。无论是快充还是慢充都有一定的缺陷，而且大规模电动汽车随机接入电网会对电网产生不利影响[8]。换电凭借着服务高效便捷，电池维护可靠等特点，并且响应了国家电网公司提出“换电为主，充电为辅”的服务模式，已发展成为新的研究趋势。

文献[9]利用MATLAB仿真软件建立了充电服务系统的排队模型，找寻用户与充电服务站间的平衡点，优化充电站的资源配置。文献[10]在配送站位置和需求容量已知的情况下，计算配送站的重心，利用离散粒子群算法计算得出充电站位置和配送范围。文献[11]以用户更换电池的总加权距离最短以及充换电设施的成本最低为目标，通过区域内交通流量，使用交叉中值法、贪婪算法和粒子群算法优化确定配送站的位置。文献[12]介绍以色列和丹麦的换电的发展与应用，以服务质量和费用为目标，对电动汽车换电站的建设进行了规划。这些固定地点的充换电站在运营模式及覆盖面上还存在相应的不足。

本文介绍一种移动式的电动汽车换电服务。提出了移动式换电网络运营模式为基础的换电服务模型，比较分析了2种服务策略各自的特点。同时考虑了实际应用时，影响移动式换电服务质量的因素。结果表明：在电动汽车的主流能源供给设施投入建设之前，移动式换电服务可以作为一种过渡性的能源供给方式；而当主流能源供给设施建设完备时，移动式换电服务也可以作为一种补充方式，在进一步扩大覆盖范围的同时，提供灵活便利的能源供给服务。

1 移动式换电网络的运营模式

根据服务覆盖范围内主流能源供给设施建设的实际情况，为在大型充换电站等主流设施建设完成之前，移动式换电服务可作为一种过渡性的能源供给方式。换电网络中应包含小规模的集中型电池充电站，移动式换电服务平台，调度管理系统。图1为这种过渡性移动式换电网络的基本结构示意图。其中，能源耗尽的电动汽车通过无线通信方式向调度管理系统发出换电服务申请，调度管理系统收到申请后随即向电动汽车发出响应。根据一定的服务策略，调度管理系统同时向移动式换电平台发出服务指令[13]。移动式换电平台收到服务指令后立刻赶往申请者所在地点为其提供换电服务。当换电平台上所有充满的电池用完之后，立刻回到集中型充电站更换下一批充满的电池，继续进行换电服务。集中型充电站负责电池的充电、管理、维护、保养，并且在调度管理系统的支配下利用夜间进行有序的集中充电，实现削峰填谷的优势，一般设置在换电服务覆盖范围的中心位置。

图1 过渡性移动式换电网络基本结构Fig.1 The basic structure of the transitional mobile battery-swapping network

当主流能源供给设施建设完善之后，移动式换电服务也可以作为一种补充方式，在进一步扩大覆盖范围的同时，提供灵活便利的能源供给服务。此时，电池的集中充电可以依托大型充换电站及其下属的电池配送站来完成。补充性移动式换电网络的其他功能部分类似于过渡性移动式换电网络。

2 移动式换电服务的建模

在现实世界里，与移动式换电类似的服务场景比比皆是，比如救护车服务，无线传感器网络中节点的数据采集服务等。基本的服务过程如图2所示，可以描述为：客户（client）提出服务请求，服务平台（server）接到请求后根据一定的服务策略或服务原则作出决策，根据决策结果为相应客户提供服务，服务完当前客户后接着服务下一个客户，直到所有的服务都完成，服务平台进入等待模式。当然，以上过程的执行是基于服务平台服务能力无限的假设，实际还涉及到服务能力的更新问题。

图2 移动式换电服务的模型Fig.2 Model of the mobile battery-swapping service

2.1 服务请求接收

该部分描述了调度管理系统接到电动汽车换电服务请求的过程。本文假设电动汽车换电服务请求的接收过程呈现泊松分布，即2个服务请求之间的时间间隔呈现指数分布。作出这个假设主要基于2点现实情况的考虑：第一，换电服务覆盖范围内电动汽车的总数相对较大，并且特定的一辆电动汽车在特定的某个时刻发出换电服务请求的概率相对较低；第二，每辆电动汽车向调度管理系统发出换电服务请求的事件是相对独立的。因此，符合2个条件的服务请求接收过程可以通过泊松分布来进行建模，其概率函数表示为：

其中，期望和方差均为λ。

2.2 服务策略

移动式电动汽车换电服务的策略主要定义了发出请求的电动汽车得到换电服务的先后顺序。通常的服务策略主要包括先申请先服务，就近服务，最紧急先服务等。其中，先申请先服务的概念比较直接明了，不再赘述；就近服务是指在完成当前换电服务后，选择离服务平台空间最近的电动汽车作为下一个服务对象；而最紧急先服务则是指将最需要率先完成换电的客户作为下一个服务对象。根据之前的研究结果，就近服务的整体性能比其他2种策略有优势[13]。主要原因在于就近服务策略本质上最大程度缩短了服务平台到达下一个客户的距离，因此减少了完成服务所需的时间。

2.3 服务完成

该分描述了被服务的电动汽车如何开展换电服务直至服务完成。决定换电服务完成时间的因素有2个：一是每辆电动汽车完成换电所需要的时间；二是服务平台的数量。其中，前者又受到2个因素的影响，分别是服务平台到达指定客户所需要的时间以及更换电池所花费的时间。显然，服务平台到达指定客户花费的时间由2者之间的距离和服务平台移动的速度决定。2个随机地点之间距离d在单位面积下的概率分布可由以下概率函数表示：

3 实际因素的考虑

在第2节的分析讨论中，简单的假设移动式换电平台的服务能力是无限的，能够完成所有发出请求的电动汽车的能源供给。这一假设在现实情况下显然是不可能满足的。换电平台的服务能力受到平台车辆载重和电池单体储能密度的限制。因此，需要考虑当服务平台能源接近耗尽时返回集中型充电站更新服务能力的情况。通常的方案是当换电平台检测到搭载的服务能力接近耗尽时，即刻返回集中型充电站进行能源更新。一旦更新完毕，服务平台根据就近服务原则重新选择下一个客户。

另一个需要考虑的实际因素是服务平台的待机状况。待机是指当换电平台完成了对当前客户的服务，但后续没有请求换电服务的其他客户。这时服务平台可以选择返回集中型充电站，一方面可以补给能源，更新服务能力；另一方面可以最小化与下一个潜在客户的距离。

4 结语

本文介绍了一种移动式电动汽车换电服务。与固定换电站的服务模式相比，移动式的换电服务具备灵活方便，覆盖范围广，投资成本低等优势。在给出移动式换电网络运营模式的基础上，对移动式换电服务进行了系统建模。同时考虑了实际应用时，会对移动式换电服务产生影响的因素。结果表明：在电动汽车的主流能源供给设施投入建设之前，移动式换电服务可以作为一种过渡性的能源供给方式；而当主流能源供给设施建设完备时，移动式换电服务也可以作为一种补充方式，进一步扩大覆盖范围的同时，提供灵活便利的能源供给服务。

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（编辑 董小兵）

Mobile Battery-Swapping Service for Electric Vehicles

ZHANG Hao，TANG Wuwu，ZHANG Ning，ZHANG Weiguo
（State Grid Nari Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211000，Jiangsu，China）

In order to solve the problem of the large-scaled application of electric vehicles and in view of the energy supply mode of electric vehicles，this paper introduces the mobile battery-swapping service.The paperproposesa batteryswapping service model based on mobile battery-swapping network operation mode and takes the factors that influence the performance of the mobile battery-swapping service in the practical application into consideration.Finally，it is concluded that mobile style service can be treated as an interim approach before the mainstream energy supply infrastructure is completed，and after completion of the mainstream infrastructure，the mobile style service still plays a complementary role to further expand the coverage area and provide flexible and convenient energy supply.

electric vehicle；mobile battery-swapping；energy supply；service strategy

国家电网公司科技项目（[2012]763号）；国家发改委项目“基于物联网的智能用电综合管理与能效提升技术研发及产业化”。

Project Supported by Science and Technology Program of SGCC（[2012]763）；“Technology Research and Industrialization on Comprehensive Management and Efficiency of Intelligent Power Based on IOT”by National Development and Reform Commission（NDRC）Project.

1674-3814（2016）10-0142-04

TM922.0；U469.72

B

2016-03-02。

张 浩（1971—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电动汽车充换电技术。