【电动汽车充电设施建设相关技术与理论分析7200字】

VII电动汽车充电设施建设相关技术与理论分析目录TOC\o"1-3"\h\u11702电动汽车充电设施建设相关技术与理论分析 117141.1电动汽车相关理论分析 136551.1.1电动汽车种类 178961.1.2充电模式 267591.1.3电动汽车充电设施 4303061.2电动汽车充电行为分析 5130991.1.1电动私家车 652681.1.2电动出租车 7192641.1.3电动公交车 7286601.1.4电动公务车 8233901.3电动汽车充电站建设相关概述 9126731.3.1电动汽车站选址影响因素 9141141.3.2电动汽车充电设施建设原则 101.1电动汽车相关理论分析1.1.1电动汽车种类目前国内常见的电动汽车基于不同的驱动模式可以分为以下三类：燃料电池汽车FCV（FuelCellVehicles）、纯电动汽车BEV（BatteryElectricVehicles）、混合动力电动汽车HEV（HybirdElectricVehicle）。燃料电池汽车能源供应部分主要由燃料电池堆、储能电池、高压储氢罐等设备组成。储能电池又称为动力电池，用于调节燃料电池的输出，进行能量的回收以及配合实现整车各种能量管理策略，如加速时补偿功率输出，怠速时吸收电能。燃料电池的优势主要体现在环保、高效等方面，不会形成明显的噪声，也不会对环境产生污染。但是当前的氢燃料电池综合转化率仍然较低，能量损耗较大，且燃料的存储与运输存在一定的安全隐患，这些问题限制了燃料电池电动汽车的发展。混合动力汽车主要包括两种动力源，分别是电动机与内燃机，也就是可以通过电力和化石燃料驱动。由于混合动力汽车仍需使用内燃机，故无法摆脱对石油资源的依赖。使用过程中仍有尾气排放，污染环境，无法切实解决环境污染问题。纯电动汽车也就是通常所说的电动汽车，其驱动力主要是车载电源。BEV在行驶过程中除汽车鸣笛外几乎不产生其他噪音，且没有化石燃料的消耗，真正做到了“零排放”。然而由于目前电动汽车充电相关配套服务不完善，充电站建设不合理，对于电动汽车产业的可持续发展产生了不利的影响。在本次研究中重点对纯电动汽车充电站规划建设进行了分析，为充电站的规范化建设提供一定的依据。以上介绍的三类电动汽车均具有各自的优点与缺点，根据不同的特点又有不同的适应范围。表2-1针对三类电动汽车的特点从技术和经济方面进行了对比。表2-1三类电动汽车特点对比表Table2-1Comparisontableofcharacteristicsofthreetypesofelectricvehicles项目燃料电池汽车纯电动汽车混合动力汽车使用能源氢气、甲烷电能汽油与电能污染物排放无无有运行噪声无无有技术瓶颈与现状燃料电池堆为技术瓶颈，有待完善锂电池储能能力为技术瓶颈，有待完善动力电池技术有待完善能源补充站点造价高于加油站造价充电站点300万，充电桩1.5万加油站造价350万1.1.2充电模式目前电动汽车的能源获取方式主要有有线充电、更换电池、无线充电三种模式。其中有线充电又包括快速充电与慢速充电，不同的充电方式有各自的特点。（1）慢速充电慢速充电又被称为常规充电，通常采用220V或380V、50HZ的单相或三相交流电为动力电池充电，其电流大小为16/32A，是目前被采用最多的一种充电方式。其工作原理是利用车载充电器将交流电转化为直流电，采用恒压-恒流的充电方式对电动汽车进行能量补充。慢速充电的优点是：充电功率小，对电网产生的冲击小；对电池能起到一定的保护作用，延长电池寿命；设施安装简单，建造成本低；占地面积小，易推广，可被广泛应用。慢速充电的缺点是：充电时间一般为6-8小时，充电时间长，不方便紧急或长途出行。目前私家车、公务车一般采用慢速充电模式，充电行为一般在夜间进行，使用谷电价，充电成本低。且这类车出行距离一般较短，慢速充电基本能够满足此类车主要求。（2）快速充电为解决慢速充电时间长、车辆行驶途中充电不方便的问题，快速充电方式应运而生。快速充电的机理是通过直流充电桩功率转换模块，使得电网中的交流电无须经过车载充电器，而是直接转换为直流电为电动汽车提供电量供给。快速充电方式的优点是：充电速度快，仅需45分钟便可充满80%的电量，满足紧急情况下的充电需求。缺点是：快速充电功率大，对电网造成的冲击大；充电过程中引入大量谐波，加重电压畸变率，严重影响电网的运行质量；充电电流大，可高达250A，存在一定的安全隐患；对电动汽车电池损耗较大，降低电池寿命。表2-2对电动汽车快速充电与慢速充电的参数进行了对比：表2-2快速充电与慢速充电的参数对比表Table2-2Comparisontableofparametersbetweenfastchargingandslowcharging充电模式电压/V电流/A充电时长/h慢速充电220/38016/326-8快速充电直流750/100080/125/200/2500.5-1.5（3）更换电池更换电池可以认为是一种特别的充电方式，在车辆电量低于某个阈值时，取下车辆中现有的蓄电池，然后更换充满电的蓄电池，取换过程仅需2-3分钟。换下来的电池需送回统一的充电站点进行充电。这种方式的优点是：操作便捷，能量获取快；可以选择在用电低谷对电池进行充电，充电行为可参与电网的负荷的“削峰填谷”；电池由运营商统一管理，可有效保证电池寿命。缺点是：换电站建设成本高，占地面积大，前期投资较大；运营商需承担较大的投资风险高；反复更换电池容易造成设备接口老化，存在一定的安全隐患。更换电池的能量获取模式目前仅适用于公交车或者出租车，这类车辆电池型号统一，容易实现电池更换与统一管理，而私家电动车种类繁多，电池型号多样，较难实现电池的统一充电管理。（4）无线充电电动汽车无线充电技术发展较晚，其发展不如前述三种方式成熟。它主要是从电网电源侧的发生端接收电能，随后通过振荡器与放大电路产生放大后的高频震荡电流，该电流流过线圈可使发射线圈感应出磁场。可实现无线充电的汽车配有接收电磁波的装置，实现磁场到电能的转换。无线充电的优点是：无需插电，几乎对电池寿命没有损害；在台风，强降雨等恶劣天气充电时，不会有漏电，电缆损坏等安全隐患；可以使得车辆搭载少量的电池组，延长续航里程。缺点是：目前对无线充电技术的研究还不成熟，存在很多关键问题与瓶颈问题需要解决，如电磁兼容、能量传输鲁棒控制；充电设施建设成本高，不宜推广。目前电动汽车无线充电还处于试点阶段，不具备大规模商业化的条件。1.1.3电动汽车充电设施电动汽车的种类不同，其所需要的充电站的种类也不同。为了满足不同种类车辆的不同需求，可将现有的充电站分为城市常规充电站、高速快速充电站、公交车专用充电站。同时电动汽车充电站又可以根据规模划分为多种类型，如集中式充电站、分布式充电桩、快速换电站、家庭充电器。下面主要对按规模划分的前两种充电站进行介绍。（1）分散式充电站分散式充电站是目前使用最为广泛的充电站，其中包括直流式充电桩与交流式充电桩，两者按一定的比例进行建设。交流式充电桩提供慢速充电服务，通常充电时间为4-6h；直流充电桩提供快速充电服务，充满一辆车仅需40min左右的时间。分散式充电站的安装方式主要有直立式、挂壁式、吸顶式，占地面积小，建设成本低，对电网造成的冲击也比较小。通常在分布式充电站总负荷超过160kVA时需要安装变电站及配电设施。如图表2-3所示为国内现有的几种分布式充电桩的参数介绍。表2-3分散式充电站的参数介绍表Table2-3Parameterintroductiontableofdistributedchargingpile充电设施种类输出电压范围（V）最大输出电流（A）最大输出功率（kW）价格区间（万元）充电时间（h）交流充电桩交流2203270.2-0.86.0-8.0直流小型充电桩直流150-350100353.5-350.5-1.0直流中型充电桩直流300-500200100直流大型充电桩直流500-750400300（2）集中式充电站集中式充电站是一种需要不仅提供充电服务，并且提供充电管理、维护服务的综合站点。这类充电站在建设时需要根据位置，服务车辆数进行完整设计，其建设形势与加油站十分相似。集中式充电站可以考虑与停车场配合建设，或建设在居民小区附近，方便用户使用的同时降低建设成本。这类站点由于服务车辆数目较大，所需容量也较大，为保证供电的可靠性，需要配置专门的配电变压器。集中式充电站可提供的电能为其中各个充电桩所能提供电能的累加。除此分散式充电站与集中式充电站之外还包括家用式充电器与快速换电站，他们四者的基本信息汇总于表2-4进行介绍：表2-4充电站基本信息汇总表Table2-4Summarytableofbasicinformationofchargingstation家用充电器分散式充电站集中式充电站快速换电站使用性质私人私人/公共专用/公共专用/公共服务形式一对一分散式服务集中式服务集中式服务使用用户私家车私家车、出租车私家车、出租车、公交车公交车输出电流交流电交流电/直流电交流电/直流电交流电充电时间5-8h30-35min（直流）5-8h（交流）30-35min（直流）5-8h（交流）5-8h建设成本低较低较高高充电站可提供的电能与车桩的比例（下文简称车桩比）有关。假设某区域内电动汽车数量为，充电桩的数量为，则车桩比为：（2-1）辆汽车同时充电的概率为车桩比的倒数：（2-2）假设每台充电桩的功率相同，为，则充电站可承担的最大负荷为：（2-3）若某区域交流充电桩的年最大负荷利用小时数为，则该充电站每年可为电动汽车提供的电量为:（2-4）1.2电动汽车充电行为分析电动汽车根据使用目的的不同可以分四类：电动私家车、电动公交车、电动出租车、电动公务车。由于以上四种类型的电动汽车在出行时间规律、日行驶里程、日充电次数、充电模式、充电时间上有很大的差异，故在对电动汽车充电行为及出行规律进行研究时，应将四种车型分开考虑，分别针对各自特性对四种车辆进行分析。1.1.1电动私家车电动私家车为一种个人使用的交通工具，具有较强的出行随机性，但出行时间较为固定。据统计电动私家车一天当中有80%的时间处于闲置状态，一般在上下班和娱乐时间使用。在到达目的地如工作单位停车场、商场停车场、居民小区停车场后会根据需求选择是否接入电网。但多数电动私家车车主更倾向于选择夜间慢充的充电方式，少数情况下，有紧急出行需求时也会选择到达充电站进行快速充电。北京市交通发展年度报告中统计了近五年来北京市电动私家车车的出行数据，数据显示绝大部分电动私家车在早上7:00-9:00上班时间段开始出行，在下午7:00-8:30下班时间段回到家中。考虑可能有用户在下班后去商场等娱乐场所，车辆到达家中的时间会晚于下班时间。电动私家车常规充电方式与快速充电方式都会使用，市场上面向电动私家车的常规充电桩的平均充电功率通常为6kW，快速充电桩的平均充电功率通常为15kW。文献[49]针对以上情况对电动私家车接入电网和脱离电网的时间段进行了统计，得到表2-5所示数据：表2-5电动私家车接入电网和脱离电网的时间段统计表Table2-5Statisticaltableoftimeperiodswhenelectricprivatecarsareconnectedtothegridandwhentheyareoffthegrid接入电网8:30-9:3018:00-20:0021:00-22:00脱离电网17:00-6:30次日7:30-8:30次日7:30-8:30在《2019北京市交通发展年度报告》中统计了北京市私家车上下班达到终点的时间规律，通过对这些数据整合可得到电动私家车的起始充电时间服从正态分布，其概率密度函数如式2-5所示：（2-5）根据正态拟合结果，计算时按照每天有1440分钟，基于此方式形成的私家车起始充电时间近似服从的正态随机分布。由于国内关于电动汽车日行驶里程的统计数据较少，因此在本次研究中采用了NHTS发布的数据，研究发现电动私家车的日行驶里程服从指数分布，其概率密度函数为：（2-6）式中，为随机变量，这里表示电动汽车的日行驶里程；为指数分布参数，为期望值。如果服从参数为的指数分布，可以表示为。通过对文献[50]中私家车日行驶里程进行研究，可得，即。1.1.2电动出租车电动汽车在出租车与网约车行业备受欢迎，相对于传统的燃油车，使用电动车的成本更低，环保性更强，市民接受程度更高，因此电动出租车的数量持续增加。近年来网约车快速发展，也进一步提高了电动汽车在这类车辆中的占有率。出租车的出行随机性更强，时常出现一天多次充电的情况，以此才能满足行驶的要求。本研究以比亚迪E6汽车为例介绍电动出租车的充电特性，比亚迪E6的满电额定行驶里程为300kM，采用的快速充电桩功率是40kW，实际检测值为32kW，因此在本次研究中认为电动出租车的平均充电功率是32kW。根据交通部门的数据统计显示，江苏省出租车日平均行驶里程为350kM，高于电动出租车的满电额定行驶里程，为保证出租车的正常运行，电动出租车将在一日内至少发生两次充电行为。考虑到出租车公司通常采用“早班”、“晚班”运营制度，电动出租车一般选择在中午12点左右与凌晨1点左右换班时间进行快速充电。在文献[51]中基于某市实际运营的电动出租车的起始充电时间进行统计，统计结果服从分段正态随机分布，且该研究证明了在各个时间段中均服从正态随机分布。在本文中，根据电动汽车的实际运营情况与文献数据分析，认为电动出租车在一天中进行两次充电，充电行为主要发生在12:00-14:00与00:00-03:00这两个时间短之内，分别服从、的正态随机分布。由于出租车的商业性质，其日行驶距离远高于私家车，一般在300~500kM。根据文献[52]中统计的数据可知，电动出租车的日行驶里程服从的随机分布。1.1.3电动公交车电动公交车由公交车公司统一管理，出行时间与出行距离固定。江苏省地区使用的公交车的型号主要包括宇通ZK6125FCEVG1、中车TEG6180BEV01、比亚迪BYD6700HZEV等，大部分城市公交车运行时间在早上5:00-7:00，收车时间为晚上8:00-10:00。从收车时段开始到次日开始运行，电动公交车一直处于停运状态。但实际生活中，每辆电动公交车的停运时间不尽相同，出于经济性的考虑，电动公交车可以在任何停运时段进行快速充电。除此之外，由于电动公交车为所属公交公司统一管理，电池类型统一，很多地区的公交车已开始采用换电池的方式进行能量的补充，换下来的电池可以在负荷低谷时段进行充电，不仅经济而且可以参与电网负荷调度，实现“削峰填谷”。但由于目前换电技术没有足够的成熟，换电方式尚不普及，在本文中仅考虑电动公交车的充电行为，不考虑换电行为。由于实际生活中电动公交车的充电行为在一天当中任何时刻都有可能发生，这里认为电动公交车的充电起始时间在一天当中服从均匀分布。电动公交车的充电需求较高，其动力电池容量达到了250-350kWh，因此依赖于高功率充电设施，传统的私家车充电设施无法满足其充电的要求。国内在公交车充电上主要采用直流充电桩，本研究建模采用的数据参照比亚迪BYD6700HZEV，该车辆的电池额定容量为280kWh，额定充电功率为80kW，额定充电时间为5.5小时，额定行驶里程250kM[53]，因此在本次研究中将电动公交车的充电功率设置为80kW。电动公交车的日行驶里程在180~250kM之间，且一般情况下每辆电动出租车的行驶路线与日行驶里程固定，这里认为电动汽车的日行驶里程服从的均匀分布。1.1.4电动公务车公务用车是以单位名义注册的车辆，当单位有外出任务时使用，出行时间与距离都有较大的随机性。为响应国家节能减排的号召，一些单位率先行动起来，将原有的燃油汽车换更为了电动汽车。这类汽车日出行距离较短，出行时间主要为白天，一天一充就能够满足用户需求，由此这种车辆一般选择在夜间进行慢速充电。由于这种车辆一般受到政府部门与企业单位的管控，其数据不便获取，同时相较于其他三类车辆来说，电动公务车的数量较少，故本文不考虑电动公务用车充电对电网负荷的影响。对以上电动汽车出规律行与充电方式信息进行汇总，汇总结果如表2-6所示：表2-6电动汽车出规律行与充电方式汇总表Table2-6Summarytableofelectricvehicletravelscheduleandchargingmethod车辆类型充电模式充电起始时间日行驶里程充电功率充电时段电动私家车慢充6kW18:00~次日07:00快充15kW07:00~18:00电动公交车快充80kW全天电动出租车快充32kW12:00~14:0000:00~03:001.3电动汽车充电站建设相关概述1.3.1电动汽车站选址影响因素（1）用户出行习惯电动汽车充电需求在时间和空间上的随机性是电动汽车充电负荷相较于其他工业或居民负荷的特殊之处。在对电动汽车充电站的位置与容量进行确定前，要先考虑规划区域的充电负荷。电动汽车负荷的会对接入区域的总负荷产生较大的影响，在对电动汽车充电负荷进行计算时需要考虑用车时长、用车频率、出行目的地、行驶距离等因素。（2）地理约束电动汽车充电站的建设需要一定的土地面积，且对地理环境要求严格。不同位置的土地价格差异较大，如在市中心建设的投资成本比在郊区建设的成本高很多。同时电动汽车充电桩电流大，在恶劣天气如台风、洪水等情况下，有漏电的危险，因此电动汽车充电站需要建设在相对平坦且远离水域的区域。（3）交通便利性在郊区建设充电站虽然土地成本大大降低了，但是用户使用起来极不方便，在很大程度上会影响电动汽车充电站运营商的后续收益。目前很多地区的充电站出现了“有桩无车的现象”，造成这种现象的很大一部分原因是电动汽车充电站建设地区不合理，导致用户使用起来很不方便。目前电动汽车充电站多选在居民小区、工作单位及娱乐场所的停车场，能够在用户到达目的地时即刻充电，满足了用户对交通便利的