含大规模电动汽车的充电负荷建模方法

2018-05-05何可宁韦园清戴广平钟红梅

机电工程技术 2018年4期

祁含，何可宁，韦园清，戴广平，钟红梅

0 引言

汽车的出现为人类的交通和交流带来了极大的方便，逐渐成为了人类不可或缺的工具，许多国家将汽车行业定义为支柱产业。但是，凡事都有两面性，同样，汽车行业带动经济时，也出现了许多的能源和环境矛盾。由于汽车用油占石油消耗量的1/3至1/2，其保有量的迅速攀升，对石油消耗造成严重负担。众所周知，燃油汽车动力来源于石油，且燃烧效率不高，因此，在燃烧大量石油时，也产生大量的污染性气体，给生态环境带来重大负担。伴随石油稀缺和环境问题矛盾日益尖锐的今天，电动汽车的出现得到了世界范围内的认同和推广，纯电动汽车还被认为是汽车工业的未来[1]。

目前电动汽车受到国家和地方政策的大力推行，发展颇为迅速，可以预见的是未来将有大量的电动汽车充电负荷接入电网，影响电网的运行和规划。影响包括：（1）大量的电动汽车进行充电会增加电网负担，出现“峰上加峰”的情况，加大电网峰谷差；（2）电动汽车充电具有随机性，这种特性会影响电网的安全稳定运行；（3）电动汽车充电的随机和无序性对配电网规划带来新挑战。目前尚无大量的电动汽车投入应用，因此运行数据无从搜集，研究电动汽车接入电网的影响大多只能依靠负荷预测的手段，因此吸引了许多专家学者在电动汽车负荷预测方面做了许多工作[2～4]。文献[5-6]通过总结电动汽车以前的负荷数据进行负荷预测，继而进行后续影响分析。文献[7]根据燃油车统计数据结合假设条件，将电动汽车功率需求的部分影响因素设定为随机变量，建立了统计模型。文献[8]研究了出租车和私家车的特性并建立了充电需求模型。

可以看出，目前电动汽车充电负荷的建模大多未对电动汽车的种类进行区分，即使有区分也没有充分细致考虑到充电负荷的各种影响因素。本文从电动汽车充电负荷的影响因素入手，详细地说明了不同类型电动汽车在不同影响因素的建模方法，并总结了各类电动汽车的充电行为特性，建立了充电负荷预测模型。

1 电动汽车充电负荷的影响因素

文献[9]根据目前的电动汽车发展现状以及相关国家、省、市的电动汽车规划，总结出未来的电动汽车种类集中在四类：公交、公务、出租、私家。具体发展趋势见表1。

表1 中国电动汽车发展趋势

由上述内容可以总结出我国电动汽车的主要类型。因此，明确含大规模电动汽车的充电负荷建模分类为公交车、出租车、公务车、私家车，后续因汽车类型不同而有较大差异的数据将按此分类一一说明。

由于单辆电动汽车的充电负荷可由电动汽车充电功率、充电需求和充电时间分布确定。因此，下文从这三个方面分析电动汽车充电负荷的影响因素。

1.1 充电功率的影响因素

电动汽车的充电功率主要由充电方式确定，而充电方式目前主要有三种，分别是交流慢充、直流快充和更换电池。

（1）交流慢充一般都是采用250 V或者440 V的交流电压进行充电，充电功率一般在4～25 kW，充电时间一般在6～8个小时。总体来说交流慢充的特点为充电功率较小，充电时间较长。

（2）直流快充一般采用750 V及其以上的直流电压进行充电，充电电流一般在80～250 A，充电时间一般可以控制在一小时之内，甚至是十来分钟。总体来说直流快充的特点为充电功率大，充电时间短。

（3）更换电池又称换电，是指在电动汽车在电池电量快消耗完时通过更换满电量电池以获得动力的方式。该种充电方式是动力续航方面用户体验感最为接近燃油汽车的方式，但由于涉及到电动汽车电池相关标准难以统一、成本过高以及商业模式不成熟等问题，目前很难普及应用。

各充电方式主要对比见表2。

1.2 充电需求的影响因素

总结电动汽车充电需求的影响因素，见图1。

（1）电动汽车日行驶里程

正常情况下，电动汽车行驶里程与电动汽车充电需求呈正比关系。电动汽车日行驶距离愈长，所消耗的电量也就愈多，其需要补充的电量也愈多。由于用户实际使用需求的随机性，电动汽车日行驶距离也呈现随机性。

（2）电动汽车百公里电耗

电动汽车百公里电耗大小是一个重要的指标，也被称为标准耗电量，指的是当车行驶一百公里的所需的电量，因此电动汽车实际行驶距离将决定电动汽车耗电量的多少，进而决定电动汽车充电需求的大小。

（3）电动汽车种类

电动汽车的种类不同，负荷特性也会有所不同。从充电需求上来看，由于公交、出租定位为公共交通，需要服务于社会大众，其运行工作的时间较长，行驶距离较远，因此这两类车呈现出的电量需求特点为多而稳定；对于国家政府机关和事业单位为了执行国家公务而专门配备的车辆，即公务车，其一般在于公务需要的情况下才使用，因此其日行驶持续时间较短，同时，公务车的标准耗电量较低，因此消耗的电量也较低。电动私家车主要服务于个体通勤及娱乐活动等，其消耗电量相较较小，同时，私家车由于每人出行时间和目的不一样导致其出行距离也有所差异，具有较大随机性。从充电时间层面看，公交车、出租车及公务车由于有统一的上下班时间或者休息时间使得这三类车的充电时间较为集中统一，而电动私家车的充电时间则较为分散。

表2 充电方式优缺点对比

图1 充电需求影响因素

（4）用户行驶特性

电动汽车耗电量会因用户行驶特性的变化而变化。电动汽车和传统能源汽车一般在行驶特性影响车辆耗能方面的情况是一致的。如：在驾驶车辆时为了获得驾驶乐趣，长时间的追求高加速度以及高速行驶，在行车时频繁地切线并线超车并频繁使用刹车等，这些行驶特性均会造成汽车能量消耗的增加。

（5）充电设施充电效率

一般来说，能量转移环节均会有能量的损失，同样，充电设施在对电动汽车负荷充电时也会有能量的损失，由于目前的充电设施生产厂家众多，各厂家产出的充电设施的充电效率会有不同，即使同一厂家生产的充电设施，其充电效率也会略有不同。

根据《电动汽车充电系统技术规范》，非车载充电机效率须大于90%，车载充电机在负载为50%～100%条件下充电效率须大于85%。假定在一定的充电功率前提下，充电设施的充电效率越接近100%，则其负载就越接近电动汽车的实际充电功率；而当效率降低时，则会加大充电设施也就是电网的负担。

（6）电池能量转换效率

能量除了从充电设施转移到电池的环节有损失外，在电池内部也有能量的损失，电池内部的能量损失主要集中在充电与放电过程。在充电过程，由充电设施转移到电池的能量有部分会因电池内阻的存在而以热能形式损失掉；在放电过程，由充电过程储存的能量同样也会有热能形式的能量损失。因此，电池本身会有能量转换效率。不同的电池其能量转换效率也有所不同，目前电动汽车使用的蓄电池中大多数为锂电池。

1.3 充电时间的影响因素

电动汽车充电时间的分布与消费者充电习惯和电动汽车用户使用特性因素密切相关。根据消费者充电习惯可确定用户起始充电时间，通过已知充电需求和选择的充电方式可得到充电持续时长，进而得到充电结束时刻。

国家积极推进共给侧改革、全域旅游、“旅游＋”、旅游市场治理和旅游外交等，促进旅游业发展；大型旅游集团包括国旅、锦江、首旅和携程、其他行业巨头包括万达、复星、海航、BAT和新美大等企业，通过并购和整合等资本方式频繁布局，寻求更多的市场增长。传统旅行社和旅游景区积极拓展新型营销模式。

（1）消费者充电习惯

消费者不同往往会有不同的充电习惯。部分用户习惯在电动汽车电量消耗到一定值以下再进行充电，因此单次充电电量会较大，但整体充电电量则较为稳定。而有些用户则在能进行充电时便对电动汽车进行充电，这种情况下，单次充电电量会相对较小，但整体充电电量波动则会较大。

（2）电动汽车用户使用特性

作为电动汽车持有者，用户的使用特性直接决定了电动汽车的充电电量和充电时段。不同用户因其不同使用特性和环境因素会选择不同的充电方式。对于不同用途的电动汽车对应着不同用户使用特性，其对应的充电时长也有所不同。

2 电动汽车充电负荷建模

电动汽车充电负荷建模过程也就是如何量化等效上述影响因素的过程。

2.1 充电功率的确定

目前动力电池以恒流—恒压的2阶段充电方法为主。如图2所示，在恒流充电过程中，电池端电压在不断变化中，充电功率也将相应发生变化。同时对于常规慢速充电，充电起始和结束阶段相对于整个充电过程较短，可以忽略，因此本文的充电过程将等效为恒功率特性。

不同类型的电动汽车充电模式有所不同，充电功率也有所不同。一般来说，公交车、出租车以快充为主，公务车、私家车以慢充为主。

图2 电动汽车充电时电池的功率变化仿真曲线

2.2 充电需求的确定

结合充电需求影响因素的分析得到电动汽车充电需求模型如下：

式中，Ec表示电动汽车每日的充电需求，Ebc表示电动汽车百公里电耗，kWh/100km；Ch表示行驶特性的折算因子；D表示电动汽车日行驶里程，km；ηm表示电动汽车充电设施充电效率；ηb表示电动汽车锂电池能量转换效率。

由于日行驶里程取决于用户的行为特性，而用户的行为特性具有随机性，因此电动汽车日行驶里程D为随机变量，需另独立建模。

假设电动汽车取代燃油汽车后不改变用户的行为特性，根据美国2009年汽车行驶数据库NHTS统计得到电动汽车日行驶里程，通过MATLAB拟合，得到电动汽车日行驶里程满足对数正态分布，模型如下：

其中，d为变量电动汽车日行驶历程，μD为电动汽车日行驶里程的期望均值，σD为分布函数的标准差。

2.3 充电时间的确定

不同类型的电动汽车选择充电时间有所不同。公交车一般会选择避开运营繁忙期进行充电，出租车则会选择在午饭休息和夜间休息时间进行充电，而公务车和私家车一般会选择下班后到次日上班前进行充电。

类似于日行驶里程，电动汽车开始充电的时间也具有随机性，根据美国NHTS数据库统计得到汽车行驶规律，通过MATLAB工具箱得到电动汽车充电时间满足正态分布，模型如下：

其中，x为电动汽车充电时间，μS为电动汽车充电时间的期望均值，σS为分布函数的标准差。

3 算例分析

下文以惠州市为例对本文的建模方法应用进行说明。

首先确定充电功率。参考《惠州市电动汽车充电基础设施专项规划（2016-2020）征求意见稿》，公交车与出租车以直流快充为主，公务车与私家车以交流慢充为主，结合惠州市已建充电设施情况，得到充电功率如表3。

表3 各类型电动汽车充电功率

其次确定充电需求。也就是根据所需建模地区情况对式（1）、式（2）定值。本文参考电动汽车行业结合惠州地区情况对式（1）、式（2）取值如表4。

各类型电动汽车日行驶里程对数正态分布参数拟合如表5。

表4 充电需求变量取值

表5 各类型电动汽车日行驶里程对数正态分布参数表

最后确定充电时间。调研惠州地区已有电动汽车的充电时间。电动公交车、电动出租车、电动私家车因行驶习惯或行驶里程的要求需要一天两充，因此这三类电动汽车充电时间的模型为分段的正态分布。各类型电动汽车充电时间正态分布参数拟合如表6。

至此便完成了惠州电动汽车充电负荷的建模过程。

4 结语

近年来国家及地方陆续出台了一系列新能源汽车和充电基础设施推广政策。电动汽车大规模发展的趋势是显而易见的。电动汽车充电负荷准确建模是研究含大规模电动汽车与电网交互作用的基础。本文首先根据电动汽车的现状发展对电动汽车进行科学分类，其次从可确定充电负荷的三要素充电功率、充电需求、充电时间出发分析充电负荷的影响因素，最后对三要素进行一一确定建模，从而得到电动汽车充电负荷的模型。