（电气工程专业论文）纯电动公交车充电站运营规划及仿真.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 翱虢沙舅 签字日期：z 少，年多月飞日 乏 n钐明 巴一 影 年 签 卢 者 珈 诸 伽 文 期 沧 日 位 字 学 签 l f j 1 中图分类号：m 9 2 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 纯电动公交车充电站运营规划及仿真 o p e r a t i n g p l a na n ds i m u l a t i o no fe l e c t r i cb u s e s c h a r g es t a t i o n 作者姓名：韩笑 导师姓名：姜久春 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 9 9 2 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：电气工程研究方向：电力电子在新能源领域的应用 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ， l 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 姜久春老师对我的关心和指导。 张维戈副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向张维戈老师表示衷心的谢意。 牛利勇老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张刚老师、冯韬师兄、牛萌、李晓强、刘浩、 赵倩等同学对我论文中的仿真软件、数据采集、发车规则等研究工作以及论文撰 写和修改给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 8；tli-， 中文摘要 摘要：本论文直接针对“2 0 1 0 年世博会世博园区纯电动公交车临时充电站建设项 目”，对纯电动公交车充电站运营规划进行了研究，以便为纯电动公交车充电站的 运营规划提供理论和实践的支持。 本文研究了基于纯电动公交车辆参数和电池快速更换模式的充电站运营规划 设计方法，并编写了基于该设计方法的仿真软件，根据该方法进行纯电动公交车 充电站运营规划设计，并利用仿真软件进行计算、验证，最终得出最优化设计方 案，减少资源的消耗。 纯电动公交系统不同于普通的公交系统，因其能量来源不同导致其公交调度、 能量补给方式、运行模式均有自己的特点，因此应根据自身特点形成一套纯电动 公交系统运营模式。本文给出了对运营规划产生影响的因素以及它们之间的制约 条件，并提出了相关设计算法。 在公交调度系统中，严格遵守发车间隔是非常重要的，而发车间隔为车辆调 度的最基本依据，影响着整个充电站的运营流程。本文针对严格按照发车间隔进 行车辆调度的公交模式，结合电池的换、充电特性对车辆收车换电池时段规划进 行研究，提出了符合纯电动公交车充电站运营模式的发车规则算法。 由以上研究得出的方法对世博会充电站进行运营规划设计，通过世博会试运 行及正式开园后的运行情况，证明了设计的合理性及可行性。 关键词：纯电动公交车；充电站；运营规划；快换 分类号：t m 9 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa tt h ep r o j e c to f ”c o n s t m c t i o no fe l e c t r i cb u s e s c h a r g es t a t i o nf o re x p o ”a n ds t u d i e st h eo p e r a t i n gp l a nt op r o v i d es u p p o r t sf o rc h a r g e s t a t i o n sc o n s t r u c t i o nt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y am e t h o da n das i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rt h eo p e r a t i n gp l a no fe l e c t r i cb u s e sc h a r g e s t a t i o ni s p r o p o s e d ，w h i c hi s b a s e do nt h ee l e c t r i cb u s e sp a r a m e t e r sa n dt h ef a s t e x c h a n g i n gm o d e b yu s i n gt h i sm e t h o da n dt h es i m u l a t i o ns o f t w a r et om a k et h ed e s i g n o p t i m i z e d ，i no r d e rt or e d u c ec o n s u m p t i o no fr e s o u r c e s e l e c t r i cb u s e sc h a r g i n gs y s t e mi sd i f f e r e n tf r o mt h eg e n e r a lp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m , b e c a u s et h e yh a v ed i f f e r e n te n e r g ys o u r c e s s ot h e r es h o u l db et h ev e r ym o d ew h i c hi s f i tf o re l e c t r i cb u s e sc h a r g i n gs y s t e m 1 1 1 ee l e m e n t sw h i c hi n f l u e n c et h eo p e r a t i n gp l a n a n dt h er e s t r i c t i v ec o n d i t i o n sb e t w e e nt h ee l e m e n t sf i l ep r o p o s e di n c l u d i n gt h er e l e v a n t d e s i g nm e t h o d i ti sv e r yi m p o r t a n tt oa b i d eb yt h ed e p a r t u r ei n t e r v a ls t r i c t l yi nt r a n s i to p e r a t i n g s y s t e m a n dt h ed e p a r t u r ei n t e r v a li s t h eb a s i ce l e m e n tw h i c hi n f l u e n t st h eh o l e o p e r a t i n gp r o c e s s ar e g u l a t i o no fd e p a r t u r eb a s e do nt h ef e a t u r e so fb a r e r ye x c h a n g e a n dc h a r g i n g ，a b i d i n gb yt h ed e p a r t u r ei n t e r v a ls t r i c t l yi nt r a n s i to p e r a t i n gs y s t e m ，i s p r o p o s e d ，i no r d e rt of i tf o rt h eo p e r a t i n gm o d e o fe l e c t r i cb u s e sc h a r g i n gs y s t e m a no p e r a t i n gp l a ni sd e s i g n e df o re x p ob yt h em e t h o dp r o p o s e da b o v e ，w h i c hi s p r o v e di nt e s tr u n n i n gs t a g ea n df o r m a lr u n n i n gs t a g e k e y w o r d s ：e l e c t r i cb u s e s ；c h a r g es t a t i o n ；o p e r a t i n gp l a n ；f a s te x c h a n g e c l a s s n o ：t m9 2 ， 目录 中文摘要。i i i a b s t r a c t i v l 绪论1 1 1电动汽车发展概况l 1 2充电站发展概况2 1 3已有的技术应用4 1 4课题依托项目6 1 5课题研究意义。7 2调研情况9 2 1数据采集9 2 2 数据整理一1 1 2 2 1 车辆运行情况一l l 2 2 2 电池更换、充电情况1 3 2 2 3 供电负荷情况1 4 2 3问题的提出1 4 3运营规划研究16 3 1 运营规划影响因素一1 6 3 1 1 电能补给模式的选择1 6 3 1 2 车辆运营调度模式。18 3 1 3 充电系统及车辆、电池情况一2 3 3 2运营方案设计算法2 5 3 2 1 估算2 6 3 2 2 具体运营方案设计算法2 8 3 3本章小结3 3 4运营仿真软件3 5 4 1发车算法3 5 4 2仿真线程3 6 4 3仿真数据记录3 9 4 4常规公交模式充电站运营仿真。4 l 4 4 1 输入参数配置4 1 i _ o - - 一 4 4 2 仿真结果分析：4 2 4 5本章小结4 3 5应用实例4 4 5 1 小营公交充电站运营规划方案4 4 5 1 1 基本设计参数4 4 5 1 2 备用电池数量计算“ 5 1 3 充电站服务能力计算4 4 5 1a 配电容量计算4 5 5 2上海世博会公交充电站运营规划方案4 5 5 2 1 基本设计参数。4 5 5 2 2 车辆运行参数4 5 5 2 3 快换机器人数量计算一4 6 5 2 4 发车算法4 6 5 2 5 备用电池数量4 7 5 2 6 配电容量计算4 8 5 3本章小结4 9 6 结论5 0 参考文献5l 附录a 5 2 附录b 5 3 作者简历5 4 独创性声明5 5 学位论文数据集5 6 t 1 绪论 面对能源和环境的挑战，电动汽车以无( 低) 排放污染、噪声低、易于操纵 和维修、运行成本低、安全有效等优点，逐渐被世界各国所重视【1 1 ，它是解决石油 资源紧缺和环境污染的有效途径，可以预见电动汽车必将成为未来汽车工业发展 的主流。 1 1电动汽车发展概况 在国外，早在1 9 6 5 年，日本通产省就正式把电动汽车( e v ，e l e c t r i cv e h i c l e ) 列入国家项目，从7 0 年代开始研发纯电动汽车( p e v ，p u r e e l e c t r i c v e h i c l e s 或b e v ， b a t t e r ye l e c t r i cv e h i d e s ) 。丰田、本田、日产等陆续进行了一些产品发布、销售和 运营，到2 0 0 0 年，日本就已有1 0 0 0 多辆p e v 运行。2 0 世纪9 0 年代，美国成立 “u s a b c ( u n i t e ds t a t e sa d v a n c e db a t t e r yc o n s o r t i u m ) ”组织并制订“p n g v ( p a r t n e r s h i pf o ran e w g e n e r a t i o no f v e h i c l e s ) 计划”，集中研究p e v ，国家实验室 也在对p e v 先进驱动系统、先进电池及其管理系统等进行深入研究。法国是世界 上推广应用p e v 最成功的国家之一，1 9 9 7 年法国e v 达到2 0 0 0 辆左右，2 0 0 2 年 法国政府、电力公司与汽车公司签订协议在2 0 个城市推广e v ，使全国e v 保有量 达到1 0 万辆；美国商业化运行的p e v 已达到6 0 0 0 辆；英国有4 万多辆e v 在使 用【2 1 。 在国内，从“九五”开始将节能与新能源汽车列为科技发展重大专项。为了进一 步加快产业化进程，2 0 0 9 年1 月，由科技部、财政部、发改委、工业和信息化部 共同启动了“十城千辆”节能与新能源汽车示范推广应用工程，主要是通过财政补 贴，计划用3 年左右的时间，每年发展1 0 个城市，每个城市推出1 0 0 0 辆新能源 汽车开展示范运行，涉及这些大中城市的公交、出租、公务、市政、邮政等领域， 力争使全国新能源汽车的运营规模到2 0 1 2 年占到汽车市场份额的1 0 。首次确定 参与“十城千辆”试点的城市有1 3 个，截止到2 0 0 9 年1 1 月中旬，各试点城市投入 使用的电动汽车总数达到5 3 0 0 辆。2 0 0 9 年1 2 月9 日，由温家宝总理主持召开的 国务院常务会议决定，节能与新能源汽车示范推广试点城市将由1 3 个扩大到2 0 个，同时将选择5 个试点城市对私人购买节能与新能源汽车给予补贴。 近期，部分国内外车企最新一代p e v 乘用车和p l u g - i n 型混合动力乘用车 ( p h e v ，p l u g - i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 的推出时间如下： 2 0 0 62 0 0 0 2 0 1 02 0 1 12 0 1 2 圈嘲 豳 圈p h l r y 圄盯 图lp e v 乘用车和p l u g i n 型混合动力乘用车推出时间表 f i g 1t h e n e wd e s i g ns c h e d u l eo f p e v & p h e v 1 2充电站发展概况 随着电动汽车的量产上市，国内外充电站基础设施领域也成为研究开发的热 点。 在欧洲、日本以及美国等城市地区都组建了一定规模的充电站网络，为民用 乘用车提供充电服务。针对纯电动车快速发展的趋势，这些国家纷纷制定了充电 基础设施的建设规划，到2 0 1 2 年总计可能会建设数千个充电站，以色列甚至公布 了覆盖全国范围的充电站建设计划。 目前，国内“十城千辆”计划的试点城市纷纷开展中小规模充电站建设工作【3 1 。 北京市、上海市已经建成的或正在建设的充电站以服务于公交车和环卫用车为主， 充电站建设规模较大，主要的电能补给模式采用快速更换的方式。在其它地区如 深圳、长沙、长春等地充电站基本上处于小规模的应用示范，主要采用整车常规 充电。国家电网在很多城市也建设了针对电力工程车的整车充电站，并且在上海 建设了全国第一个针对乘用车进行商业化运营的漕溪充电站。世博期间，将展示 带有v 2 g ( v e h i c l et og r i d ) 功能的充电站。北京已经建设完成的乘用车示范充电 站中，包含了多种能源供给方式( 光伏、风电，储能) ，多种电能补给模式( 电池 更换、快充、慢充) ，同时能够实现v 2 g 功能。 2 翻昔 田产羹 哺 畴淹 波魄 瞄匍 刺勖 蜀 墨 栅奔 大 现 图2 北京1 2 1 公交车充电站( 2 0 0 4 年) f i g 2e l e c t r i cb u s e sc h a r g es t a t i o no ft h en o 1 2 1 ( 2 0 0 4 ) 图3 上海漕溪充电站( 2 0 0 9 年) f i g 3e l e c t r i cb u s e sc h a r g es t a t i o no fc a ox is h a n gh a i 国外的充电站建设主要针对乘用车，充电方式以快速充电和车载充电为主， 同时世界主要发达国家也在结合智能电网开展充电站v 2 g 研究工作，并且开始针 对v 2 g 开展了充电站的标准体系建设。国际大公司，如s i e m e n s 已经开始了充电 站及车辆监控的研究工作。国内建设的充电站针对的车型比较多，不仅包括乘用 车，而且包括公交、环卫车、物流车等，因此，无论研究内容还是建设方法都与 国外差别很大。目前国内建设的充电站基本上针对单一车型建设，通用性不强， 综合性的充电站及车辆监控尚属空白，电池快充研究以及电池的梯级利用刚刚起 3 步。 目前纯电动汽车的电能补给模式主要有四种：电池更换、车载充电、地面常 规充电、地面快速充电。对于纯电动公交车和大、中型纯电动环卫车，由于其特 殊的定点定线运行、大密度发车、电池容量大等特点，电池更换是比较适合的电 能补给模式。其他具体充电模式匹配见表l 。 表l 各种电动汽车充电需求1 4 l t a b 1t h ed e m a n df o rc h a r g i n go fe a c hk i n do fe v 电动汽车种类充电需求 一次充电续驶里程( 汽车电池充满电后在一定路况下的连 出租车续行驶里程【5 1 ) 难以满足当日运行要求，且用电量变化大， 停运时间短，对充电时间要求高。 特殊园区用车辆使用频繁，一次充电难以满足每日运行 车 要求。夜间停运可充电。 城市环卫、环卫车辆平均每车每日运行距离约为 邮政车辆、1 0 0 k i n ，一次充电基本满足运行里程。停运 班车时段可充电。 特种车辆 市政工程抢 一次充电基本满足往返运行里程。停运时段 险车、建筑 可充电。 运输车 一次充电基本满足往返运行里程。夜间停运 公务用车 可充电， 私家车夜间基本停运，可充分利用低谷时段充电。 1 3已有的技术应用 2 0 0 8 年北京奥运会电动公交车充电站占地面积5 0 0 0 m 2 ，为5 0 辆纯电动车提 供2 4 小时不问断能源供给。是目前为止第一个已经大规模应用并获得成功的大型 纯电动汽车充电站。因此其对今后充电站的建设、发展乃至电动汽车行业的发展 都有重要的意义和价值。 4 图4 奥运电动车充电站 f i g 4 e l e c t r i cb u s e sc h a r g es t a t i o no fo l y m p i c 图5 奥运电动车充电站换电池车同 f i g 5t h ew o r k s h o pf o rc h a r g i n ga n db a t t e r i e se x c h a n g i n g 5 0 辆纯电动公交车，配套建设一个地面充电站，为奥运场馆及相关设施服务。 当车辆进入充电间后，采用快速更换模式置换车载电池，被置换的电池以单箱电 池为单元进行充电。充电站的每个充电单元由1 2 台1 2 k w 充电机、1 2 个电池组及 电池管理系统、烟雾传感器、2 4 v 直流电源、电池存储架( 和快速更换系统匹配) 等组成。整个充电站一共2 4 个充电单元，共有2 8 8 个充电机，每两个单元构成3 个车的充电系统。 充电站的总体运作原理为：需要更换电池的车辆进站后驶入更换电池区，进 行故障诊断，出具故障诊断报告，然后更换上电池库的整组电池，最后回停车区。 更换下来的电池按有无故障就地分离。故障电池送维护车间，无故障电池送充电 区。充电区充满电后就地编组，所缺电池箱到维护车间的备用电池库补齐后按车 5 为单位送更换电池库。车上卸载下来的故障电池到达维护车间后，进行筛选、维 护、充电和装箱【6 】。 1 4 课题依托项目 图6 充电站平面布置图 f i g 6t h ep l a no fc h a r g es t a t i o n 本课题依托项目为2 0 1 0 年世博会世博园区纯电动公交车临时充电站建设项 目。世博会是综合反映世界各国政治、经济、文化和科技发展水平及成就的大型 展示活动。2 0 1 0 年上海世博会的主题是“城市，让生活更美好”，规划理念是展现 和谐城市，即以和谐、创新、生态为灵魂，塑造人与社会、人与自然、历史与未 来的和谐关系。世博会期间将吸引大量参观人员，大量人流集聚在园区内，同时 园区位于黄浦江两岸，园区主通道的全长有十几公里，因此区内需要设置完善的 公共交通系统。为体现本届世博会的规划理念，园区内公共交通工具将采用创新、 环保的纯电动公交车。该车既是承担园区内部交通的交通工具，也是体现世博理 念的具体展示内容之一。 此项目为上海世博会1 2 0 辆专用纯电动公交车的临时地面充电站建设项目。 根据世博会纯电动公交车对续驶里程以及纯电动整车安全性等要求，充电站采用 电池快速更换模式为车辆提供充电服务。充电站的主要功能是为世博会期间使用 6 的纯电动公交车的锂离子动力电池进行充电和更换，兼顾车辆的的调度、维修、 停放功能。其建设主体为电池充电及更换车闻( 含配电站) 以及电动车辆的维修 保养车间，同时设置车辆的管理、调度办公用房( 具体规模及运营情况将在应用 实例章节进行说明和讨论) 。 项目计划于2 0 1 0 年1 月底完成充电站的建设、设备调试等工作，为车辆试运 行提供充电服务，2 0 1 0 年4 月底之前完成试运行工作，从2 0 1 0 年5 月到1 1 月为 世博会纯电动公交车提供正式的充电服务。 图7 世博会公交电动车充电站模拟图 f i g 7t h em i m e t i cd i a g r a mo fe l e c t r i cb u s e sc h a r g es t a t i o nf o re x p o 1 5 课题研究意义 纯电动公交系统不同于普通的公交系统，因其能量来源不同导致其公交调度、 能量补给方式、运行模式均有自己的特点，因此应根据自身特点形成一套纯电动 公交系统运营模式。 在公交调度方面，车辆运行的线路长度及一次出车运行圈数要配合电池组可 支撑的行驶里程以及充电时间和快换机构参数。因此整个车辆调度系统要在满足 运能的前提下以充电站整体配置为中心。而充电站的规模及配置又受线路运能要 求的制约，所以有必要对线路运能与充电站规模、配置的关系进行讨论。 在充电站规模及配置方面，主体是备用电池的规模，因为不论从占地、投资 还是配电负荷，备用电池数量都是决定性因素。因此，在保证充电站正常运行的 7 前提下配置合理的备用电池数量就显得尤为重要。而备用电池的数量又受快换机 构以及电池本身参数的约束，所以要提出备用电池数量的配置及优化方法。 综上所述，针对纯电动公交车充电站的运营规划研究是非常必要的，既可在 充电站建设的规划过程中有据可依，将运营模式模型化( 基于此模型根据不同的运 营要求得出相应的运营规划) ，也将有利于充电站的商业化运营和纯电动汽车行业 的发展。 8 2 调研情况 2 1数据采集 针对奥运充电站车辆的运行、换电池、充电、以及充电机数据和充电站负荷 情况等进行数据采集，具体采集信息如下： 表2 充电站信息采集列表 t a b 2i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt a b l e 车辆运行情况电池更换情况电池充电情况供电系统情况 更换标准( 剩余 线路多少s o c 需更充电起始电压每天负荷情况 换电池) 发车时间、间隔、数量更换次数组天恒流大小和时间峰值功率 运行时间、距离更换时间恒压时间 上表中s o c 为电池的荷电状态，即电池剩余容量和实际容量的百分l t t t j 。根 据所采集数据，可以分析为了满足运营要求所需车辆数、电池组数、充电机数、 充电站负荷，并绘制出相应的曲线，找出相应的数学表达式，进而编制仿真设计 程序，应用到其他充电站的设计中。 b o 。蹙彩彩劳移够 o 砖9 彬珥t 钎。，织，鼽瑶t 一秒i ? ： i a l l u l m n a l l g g | l l 黪二鏊篷拦麓 图8 充电监控界面截图 f i g 8m o n i t o r i n gi n t c r f a c e 9 图8 为充电监控界面截图，对每箱电池的充电情况进行监控，包括单体电压 值、电池温度等。对相应充电机状态进行监控，包括充电电压、电流、电量、限 定电压值等。 儇嗯臃是逛嗯明 牛尼电鼯琏精i = 1 撤 拿蕾缸九：傣赫如雌勘钔目卫- 时 番压堪妻压曩 2 1 d ! 御i 喁一量撬 = 号撬三号撬 一 z玎曩寝蕾ii t鼍瘊监i ni otl n i c t i i h i c t l ，l 乱t 6t l 乱4 6fto5 5o228 i i toi g , 1 7o1 0 22o22oilo 2 时o1 0 i tol 乱t tllol lollo 譬to1 q t gol “ llollol2o 4 时拉i 也4 8oi 乱蛆ilol10l2o 湃ol 乱，ol k tlloll0 l2o 饼 oi 8 t s ol 缸幅ilollollo 憎oi n 衢ol 乱3 sliolloo 晰口t n 4 9ol 屯t 83 ， o2 2ollo 耕 o l 口oi 屯，d22ollo l ttl 乱4 0t il 扎66otolo l l 时21 8 4 5o1 0 4 455otollo l 耐tl 乱5ol 屯s55o，ollo l 槲ol 蠡4 5 0 l “iiol l ollo l t 时 6 1 0 4 ol o t i5 n 3o2la 1 5 舛1 0 - 61 0 4 tl o 1，ao2lo l e 时l 口91 8 4 ti 玑1 19o，o 2 2o 1 1 甜1 1 61 0 5i o si i l ot， o奢2o l 鲥孰1 8 5 ，s 1 0 5 3ooi2o i 量时i p 2t & 骚t ti 口秘，toi5o22o 涮钆l1 8 5 6t t1 0 s tfto5o，o 2 1 蛘s 41 0 3 e口1 0 抬，022口：2o 蹦 t 6l o 4 5tti # 聪f，oso22o 蹦1 1 51 8 弼7l a 筠l lo t 02o 图9 充电站供电负荷日报表截图 f i g 9p o w e rl o a dd a i l yr e p o r t j 多乎7 时嚼。 组号 糖号v o l v 0 2 v 0 3匿差靖电压电澎t 0 1t 0 2 t 0 3最高温悖譬； 12 0 0 8 7 2 01 5 ：0 8 y 一8 0l3 7 63 7 73 7 66 1 103 03 13 1 22 0 0 8 7 2 01 5 ：0 8 y - 8 0l3 7 9 3 7 9 3 7 86 2 t7 9 93 03 13 1 镶 32 0 0 8 7 - 2 01 5 ：0 9 y 一8 0 1 3 8 3 8 3 86 31 1 7 83 03 13 1 ；t2 0 0 8 7 - 2 0i 5 ：0 9 y 一8 0l3 8 l3 8 l3 8 16 3 31 1 7 83 03 13 1，嚆 52 0 0 8 7 2 01 5 ：1 0a y - 8 013 8 l3 8 23 8 l6 3 31 1 7 83 03 13 i 62 0 0 8 - 7 - 2 01 5 ：l o p 8 0i3 。8 23 。8 23 8 l 6 3 31 1 7 83 0 3 1 3 i 菇 2 8 52 0 0 8 - 7 2 01 8 ：1 8a 7 - 8 0 1 4 1 74 1 64 1 66 7 53 8 63 43 53 5 2 8 62 0 0 8 - 7 2 01 8 ：1 8矗y 一8 0l4 1 7t 1 7 4 1 66 7 73 8 63 哇3 53 5德 2 8 72 0 0 8 7 2 01 8 ：1 9a 7 - 8 014 1 74 1 7 4 1 76 7 73 8 63 43 53 5 2 8 82 0 0 8 - 7 2 01 8 ：1 9 y 一8 0l哇1 84 1 t4 1 76 7 8 3 8 6 3 圣3 53 s磁 2 8 92 0 0 8 7 2 01 8 ：2 0 y 一8 014 1 84 1 74 1 76 7 83 3 53 43 53 5 l2 9 02 0 0 8 - 7 - 2 01 8 ：2 0盯- 8 0l垂1 84 i 7 4 1 76 7 83 3 53 43 53 5 鳓 2 9 12 0 0 8 7 2 01 8 ：2 1 y 一8 01哇1 84 1 74 1 76 7 73 3 53 43 53 5 2 9 22 0 0 8 7 2 01 8 ：2 l盯- 8 0lt 1 84 i 74 1 7 6 7 52 8 3 t3 53 5 镬 。2 9 32 0 0 8 7 2 01 8 ：2 2直y 一8 0 l4 1 84 1 8 4 1 76 7 72 8 23 43 53 5 2 9 42 0 0 8 - 7 2 01 8 ：2 3 y 一8 0l4 1 8 4 1 8 4 1 t6 7 72 8 23 43 53 5 2 9 52 0 0 8 7 2 01 8 ：2 3a t - 8 0l4 1 9 4 1 8哇1 8 6 7 82 83 43 53 5 2 9 62 0 0 铲7 2 01 8 ：2 4a y - 8 0 lt 1 9 4 1 8 4 1 86 1 82 8 3 43 53 5 髫 2 9 t2 0 0 8 7 2 01 8 ：2 4a y 一8 014 1 94 1 8 4 1 86 7 52 3 13 哇3 53 5 2 9 82 0 ( 1 8 - 7 _ 2 01 8 ：2 5直y 一8 0lt 1 9 i 1 8 4 1 86 7 52 3 王3 43 53 5 爱 2 9 92 0 0 8 7 2 01 8 ：2 5 y 一8 0 1 4 1 94 1 84 1 8 6 7 82 3 13 43 53 5 3 0 02 0 0 8 7 _ 趵i 8 ：2 6 1 卜8 0 l哇1 94 1 8唾1 86 7 71 7 。b3 t 3 5 3 5磋 图1 0 充电监控数据表截图 f i g 10b a t t e r ym o n i t o r i n gd a t a 图1 0 为电池充电监控数据( 部分截图) ，每组数据间隔一分钟，记录充电机 运行期间整箱电池端电压、单体电池电压、单体电池间最大压差、充电电流、电 池温度等。 l o 2 2数据整理 2 2 1车辆运行情况 表3 车辆运行情况表 t a b 3b u so p e r a t i n g 1 线( 地铁北土城地铁北土6 线( 地铁北土城北京南站)金融街 城) 线路1 地铁北土城站2 北辰西桥1 地铁北土城站2 奥体西门复兴门( 地铁a 南3 北辰西桥北4 国家体育3 健德门桥西4 牡丹园西5 口) 一城隍庙一 馆5 北京奥运新闻中心6 南塔院小区南门6 蓟门桥南7 金融街购物中心 沟泥河7 奥运村西8 林萃路明光桥南8 文慧桥南9 西直一金树街一武 9 奥林匹克北公交场站l o 仰门南1 0 阜成门北1 1 北京儿定胡同一丰盛 山桥南1 1 慧忠北里北1 2 _ 匕童医院1 2 复兴门南1 3 广安胡同一辟才胡 辰东路北口1 3 奥林匹克东公门南1 4 椿树馆街1 5 白纸坊 同一复兴门( 地 交场1 4 j 匕辰东路1 5 安慧桥桥北1 6 右安门东1 7 开阳桥 铁a 口) 北1 6 奥体东门1 7 北土城东西1 8 北京南站 路1 8 地铁北土城站 发车时间起点站首车时间：8 ：0 0起点站首车时间：6 ：o o 工作日的上午 起点站末车时间：2 0 ：o o起点站末车时间：2 0 ：o o 7 ：3 0 至9 ：1 0 ，下 午1 6 ：3 0 至2 0 ：3 0 发车间隔1 2 1 4”( 早晚高峰)5 ( 分钟)1 2 1 4 ( 白天) 数量( 辆)1 53 05 运行时间 4 5 ( 环) 8 5 ( 单程) ( 分钟) 运行距离1 8 8 ( 环) 2 5 ( 单程) ( 公里) 0 8 年7 月2 0 日至0 9 年1 2 月2 7 日5 0 辆车共充电2 9 5 5 6 次( 不包括整车充电) ， 里程2 0 4 6 5 9 0 公里，耗电2 6 5 9 4 5 0 度。 平均每辆车每天换电池次数= 总车辆充电次数( 换电池次数) 车辆数运行天 数1 1 = 2 9 5 5 6 5 0 5 2 5 0 8 = 1 4 次。 其中，t 1 为考虑每日客流平峰期车辆非全部发车、部分车辆运营线路不同以及 考虑存在运行期间车辆调试停驶天数的调整系数。 平均每天换电次数 喜“+ 。 。 ! ： ： 鞴 ；。l _ 。；： ；，j 、 ，i 一 图1l 平均每天换电池次数图表 f i g 1lt i m eo f d a i l ye x c h a n g i n g 如上图5 0 辆车平均每天换电池次数图表所示，纵坐标为充电站每天共换电池 次数，横坐标以周为单位。根据车辆在奥运前后服务对象、运营线路及出车数的 不同，车辆换电池频率分为三个阶段，第三阶段为车辆服务于公交系统进入正常 运转，进行定点定线运行，平均每车每日换电池次数约为2 次。 图1 2 收车s o c 值 f i g 1 2s o c o f t h eb a t t e r ya tt h ec o l l e c t i o nt i m e 通过随机抽取收车s o c 样本值得出的曲线可以看出，收车时车辆s o c 剩余量 集中在4 0 - 6 0 之间，因为样本值车辆大部分运行在临6 线，从表3 可知临6 线 运行全程为5 0 k i n ，而车辆续驶里程为8 0 k i n ，8 0 5 0 = 1 6 ，因此只够支撑车辆一次 的全程行驶，但电池电量还剩余较多，这样的线路设置是不尽合理的。若将电池 剩余电量较多的临6 路车改运行临l 路或金融街线，虽然提高了电池的利用率， 1 2 但在车辆调度方面增加了很大工作量，且易造成车辆调度的混乱，可行性不大。 2 2 2 电池更换、充电情况 每车( 组) 的更换电池时间为1 0 - 1 5 分钟，共2 套快换机器人，对奥运期间 8 0 组电池( 备用电池3 0 组，车上电池5 0 组) 充电数据进行整理、筛选，得出平 均每日各时段( 2 小时为一单位时间) 充电频率( 单位时间内充电站内车辆换电池 充电次数) 曲线图如下： 图1 3 充电频率曲线 f i g 13c h a r g i n gf r e q u e n c y 如图1 3 所示，每日有两个充电高峰期，分别为晚高峰时间( 1 7 ：0 0 1 9 ：0 0 ) 和 凌晨集中充电时间。因此，曲线的走向所受影响因素主要为客流情况( 决定发车 间隔和高峰时间) 以及电池和充电特点。 总结备用电池同时满功率充电最大数量得出为2 2 组( 图1 3 中数值为每日平 均值，未显示出最大值) ，备用电池共3 0 组，则同时利用系数( 具体定义见3 2 1 中配电容量计算项) 为：2 2 组3 0 组o 7 4 。 图1 4 充电时间 f 远1 4c h a r g i n gt i m e 1 3 如上图所示，为奥运期间8 0 组电池( 备用电池3 0 组，车上电池5 0 组) 的充 电时间曲线，1 2 0 a 先恒流后恒压充电，充电时间集中在2 小时2 0 分钟 2 小时4 0 分钟之间。此为夏季情况，冬季充电电流会有所下降，相应充电时间会有所增加， 粗略统计平均在2 小时4 0 分钟至2 小时5 0 分钟左右。 2 2 3 供电负荷情况 图1 5 峰值功率曲线图 f i g 1 5p e a kp o w e r 如上图所示，整理0 8 年7 月至0 9 年3 月之间每月1 号和1 6 号的充电站负荷 日报表，得出每日峰值功率曲线，从中可看出充电站峰值功率范围集中在3 0 0 k w 到5 0 0 k w 之间。而最大峰值功率的出现时间分别为奥运期间重要赛事比较集中的 日期以及国庆长假期间。 2 3问题的提出 本章针对奥运会充电站整体运营数据进行了调研、数据采集及分析，其中包 括车辆运行调度情况，电池更换、充电情况，充电机运行情况以及供电负荷情况， 并对所得数据进行整理分析。总结出车辆平均每日运行参数( 发车间隔、运行时 间、运行距离) 、平均每日换电池次数、收车s o c 值范围曲线、平均每日充电频 率曲线、充电时间范围曲线以及采样时间的峰值功率曲线，并归纳了他们的特点。 从以上数据分析中发现以下问题： 1 4 首先，奥运期间车辆的调度依据并非世博园区公交车及普通公交模式的断面客 流量，即其调度不是严格遵守由客流决定的发车间隔进行发车。因此，如何针对 严格按照发车间隔进行车辆调度的公交模式进行换电池时段规划是有待研究的重 点内容。 奥运会后车辆进入相对常规公交运行，观察其收车s o c 曲线得出由于其线路 长度与续驶里程之间的矛盾导致电池容量的利用率下降，而其相应的快换机器人 数量不足以支撑由于电池容量的利用率下降无形中增加的换电池次数，因而降低 了车辆使用率。因此，车辆的线路长度设置、快换机构参数设置方法以及他们之 间关系的研究也是待解决问题之一。 由整理得出的充电频率曲线可知备用电池实际使用量较少，备用电池使用率较 低，由于备用电池的成本较高，且对配电容量有重要影响，因此，对备用电池数 量的优化研究意义重大。 能否根据整理得出的充电频率曲线及相关数据找出车辆换电池时段计算的普 遍性规律或数学模型。 根据调研情况所总结出的以上问题，指出了运营规划研究的具体方向，下一 章将重点针对以上问题进行阐述和讨论。 1 5 3 运营规划研究 3 1运营规划影响因素 影响充电站整体规模的主要因素为运营规划方案，而决定运营规划方案的因 素则主要有：适合车型和其服务对象的电能补给模式；车辆运营调度模式；电池 特性等，而这些因素又互相制约，互为条件嘲。 3 1 1电能补给模式的选择 针对公交车来讲，根据运行机制的不同，其电能补给模式可以分为以下五种 基本模式【9 】： ( 1 ) “整车进站即充”模式 “整车进站即充”模式是指每辆纯电动公交车辆按发车序列运行一次或几次后， 进入充电站对动力蓄电池进行充电，并将已消耗的能量全部补充完毕。充电结束 后，再次进入发车序列，开始下一轮运行。 这种充电模式比较适合单次运行距离和单次运行时间较短的情况。由于单次 运行距离较短，动力蓄电池消耗能量较少，则补充充电所需时间也较短，每辆纯 电动公交车辆都可以在日间运行时段完成多次发车任务。而且动力蓄电池可以工 作于放电深度较小的工况下，有利于延长其寿命。 ( 2 ) “整车集中充电”模式 根据城市公交运营的规律可知，公交车辆一般只在日间的