电压稳定性和充电服务质量的电动汽车充电站规划研究

姚腾飞，鲍恩奇

（1.国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏南京 211100；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211100）

1 电动汽车充电设施充电方式的选择问题

1.1 常规充电设施充电方式

常规充电方式是充电设施，采用较低的电流，为车用动力电池进行稳定式的充电。这种充电方式一般采用的是交流充电桩作为充电设施，连接的是车载的充电机，完成向车载电池充电。常规充电模式中，充电电流通常较小，充电时间耗时较长，因此常规的充电模式也被称为慢速的充电模式。常规充电模式是保证电池深度充电的有效方式，采用这一方式进行充电，能够结合电流与电压的稳定性，实现定压充电。常规充电对于电压的稳定性要求较高，但可以有效的减少电流的大小。针对具体充电时间，能够完成有效的控制，避免车辆车载电池过度的充电。常规充电的优势在于，其充电电流较为稳定，同时充电功率较小，对于车载电池的使用寿命来说，没有过多的影响，能够保证电压的稳定性，减小充电行为、充电桩对于电网负荷的冲击。相对来说，常规充电能够利用电网的功能低下时段，充电成本较少。但是，常规充电也有其固有的缺点，主要在于其充电时间较长，对于充电车辆来说需要一个长期稳定的停靠地点，对于充电桩的占用时长较长。同时，由于车辆紧急充电时需求的电能供应速率较快，常规充电难以满足这样的紧急电脑需求。

1.2 快速充电设施充电方式

快速充电是针对非车载充电机采用的大电流供电设施完成的，车载电池直接充电。快速充电方式能够使车载电池快速完成电量补充。可将电池电量充至80%左右，充电电压一般在150～400 A，200～750 V。充电功率一般大于50 kW，充电时间在20～120 min 以内。为完成快速充电，一般采用的供电方式为直流供电。快速充电的充电站，需要完成稳定的充电电流。目前快速充电电压充电站的供电电压能够接近380 V。快速充电站在电压设置上，最高可达120 kW。快速充电尽管充电方式较快，但是目前适应的车型较少，只有部分特斯拉、比亚迪、北汽新能源电动汽车支持这种充电模式。快速充电的充电优势十分明显，在于充电时长短，能够快速完成70%～80%的电能充电。不仅充电功率大，同时能够提升车主充电满意度，提高充电便捷性。但是，快速充电的缺点也十分明显，由于电流过大，对电池造成了严重的发热影响，会降低电池使用寿命，同时短时间内的密集快充会影响电网电压稳定性。

1.3 电池更换

电池更换的充电方式，对充电站一般难以满足。这种充电方式，主要应用于电池组较为标准的电动汽车群体，如公交车、出租车、公务车、环卫车等。电池更换的充电方式能够快速完成第一股电的电能补充，同时能够通过纯手动、半自动或机械自动更换的3种形式，完成电池组的更换。10 min 即可完成电池组更换过程，能够缓解充电时长的缺陷问题。电池更换对车主来说是十分便捷的，能够充分地满足车辆使用者的充电需求，并且能够完成电池的集中管理，提高电池使用寿命。但是更换电池需要保证电池规格，确保电池维护标准化，因此对于电池的管理以及充电站运营成本方面来说，都是一项较大的挑战。

2 电动汽车充电设施规划方法内容以及原则

2.1 电动汽车充电设施规划原则

针对电动汽车的充电设施规划，要立足于电压稳定、电网布局。促进充电服务的合理发展，并且以电网降低成本目标为基准，充分选择具体充电设施，完成城市整体规划。针对城市充电，要满足车辆聚集、车辆排队、充电桩设施等具体设计规划内容，同时关注车辆的充电时间，在提升充电功率的同时减小车辆在集中时段的充电需求。

2.2 电动汽车充电设施规划方法内容

针对具体的充电设施规划内容，可以从电动汽车充电方式、充电需求等多个方面，进行规划方式的分析。要重点关注城市内电动汽车分布情况、车辆排队情况、电动汽车耗电量等具体因素。将这些内容综合考虑进电动汽车充电设施规划中，对不同电动汽车的具体电压需求以及不同车主的充电服务需求进行关注。从城市电网总体规划方面入手，结合具体的充电设施，完成定容、选址等规划内容，确保对方案完成优化评价工作，实现充电设施优化规划的效果。

3 电动汽车充电需求预测

3.1 充电功率

电动汽车车用电池目前主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池3种类型。3种电池目前采用的主要是恒流到恒压两阶段的充电方式。开始充电时，先以恒定的电流将电池充电至一个电压阀值，然后在这个电压阀值的状态下进行恒压充电直至电池充满。在恒流充电阶段，电池端电压不断地升高，充电功率也逐渐升高。在恒压充电阶段，充电电流随着电池的荷电比例逐渐减小，充电功率逐渐下降。动力电池随着使用时间的增长其内阻也将逐渐增大，内阻较大的电池在恒流充电阶段所储存的电能较少，时间也比较短，电能的补充主要来自于恒压充电阶段，在这一阶段充电功率的变化不是很明显。

3.2 充电持续时间

电动汽车的日行驶里程LEV主要分布在32～97 km 之间，超过257 km 的很少。若电动汽车的百英里耗电量W是恒定的，且电动汽车的充电功率Pcm也是一个定值，考虑充电机的充电效率kx，则电动汽车的持续充电时间可由式（1）计算得出。

3.3 充电排队时间

可建立一个充电排队模型，对充电站排队时间进行规划。这一模型是指针对充电用户接受充电服务时的排队时间，形成一个车辆到站、车辆等待以及充电时间的总体模型。这一模型结合了充电站的服务特点与经典排队模型，能够提升充电设施的利用率。

充电站排队模型考虑电动汽车的到达时刻，对各个时段的到达电动车数量，进行泊松分布的概率函数探究，同时考虑电动汽车的等待时间模型，通过充电起始时刻与到达时间的差值确定电动汽车的等待时间。另外，电动汽车充电时间的模型，可采用二阶段法进行恒功率充电，忽视充电效率的影响。针对以上排队模型考虑内容，进行排队算法的研究。将顾客的状态分为到达状态、排队状态、服务状态以及离开状态；对充电桩的状态划分为忙碌状态和空闲状态。基于此，建立包含电动汽车等待时间、电动汽车充电时间以及充电设施利用率的充电站排队模型。

电动汽车等待时间计算公式如式（2）。

式（2）中，Ta为电动汽车的到达时刻，Ts为电动汽车的起始充电时刻，TW为电动汽车等待时间。

电动汽车充电时间计算公式如下。

式（3）中，SOCe为电动汽车的期望充电电量，SOC0为电动汽车的起始电量，Qmax为电池的额定容量，Pc为恒功率阶段电动汽车的充电功率，TC为电动汽车充电时间。

充电设施利用率计算公式如下。

式（4）中，Nt为时段数，Dt为时刻t时，充电站内正在运行的充电桩数量。Nc为充电站内充电桩的数量。

4 电压稳定性和充电服务质量的电动汽车充电站规划

在考虑电压稳定性和充电服务质量的前提下，利用电动汽车充电设施规划原则来引导电动汽车用户进行充电。充电站规划的模型涉及到3个方面的内容，分别是充电功率、充电持续时间、充电排队时间。这3方面内容并不相互独立的，而是相互耦合、相互关联、相互影响的。（1）充电功率的划分直接影响着电动汽车充电负荷曲线的特性，进而影响充电负荷与原始电网负荷叠加后的负荷峰谷特性。合理充电功率的划分会有效地将充电负荷引导至原始电网负荷低谷区段，达到削峰填谷的目的。（2）充电功率差的大小影响着响应不同充电方式的电动汽车用户的比例。充电功率太小，难以调动电动汽车用户的响应积极性；充电功率过大，将会影响电动汽车的推广和应用，有可能使得一部分用户因为难以承受，同时影响充电站的成本。（3）由于电动汽车作为交通工具的行驶功能与充电状态存在时间上的冲突，即电动汽车在行驶时无法进行充电，而处于充电状态时则不能实现行驶功能，所以不同充电持续时间、充电排队时间的用户对于行驶需求不同，会对具体的充电服务质量反应不同。这3个方面涉及到的变量，相互之间存在着比较强的耦合性，单独对任意一个变量进行寻优都不能达到理想的效果，所以需要对充电功率、充电持续时间、充电排队时间这3个方面进行综合考虑，完成综合优化。最后通过分析充电排队时间以及充电服务质量，针对电动汽车充电需求的随机性、不确定性以及和居民生活出行的关系，分析了电动汽车充电需求预测方面的适应性，构建了电动汽车需求和预测模型，分析电动汽车规模化应用后，其充电站规划带来的影响。

5 结束语

综合考虑充电站作为电压用电设施和公共服务设施2方面电压稳定性和充电服务质量属性，分析了充电站规划多目标充电功率、充电持续时间、充电排队时间3方面的数据模型影响。优化电动汽车充电站的规划建设，提升充电站规划效果，满足电动汽车发展需要。