电动汽车充换电（共8篇）
电动汽车充换电 篇1
1 简述
随着环境污染、能源浪费等问题日益严重, 国家及地方政府正大力推广新能源汽车行业的发展。而充电站等基础设施严重匮乏, 已成为当前制约我国新能源汽车产业发展的关键原因之一。
现有充电站建设模式局限性主要表现在:停车用地矛盾突出、充电服务点缺乏, 无法快捷完成充换电服务。针对当前城市停车难及电动汽车充电难的社会问题, 提出将充换电站和公共停车场建设相结合, 集智能自动泊车、电动车泊车慢充、电动汽车电池快速换电、智能充换停一体管理平台等功能于一体的充换电集成技术。其核心技术主要包括:全自动无人泊车技术, 一体式电池仓, 自适应换电机器人技术, 车库充换电管理平台。
2 核心技术
2.1 全自动无人泊车技术
该技术以全自动多层立体停车库为实施载体, 采用国内一流车库厂家的平面移动类库型。车库采用多层设计, 可同时容纳200-300辆汽车。车库底层采用架空设计, 设有电动汽车全自动换电站, 可提供自助电池快换服务。2层及以上每个车位均设有均衡充电设备, 可随时为停靠的电动车提供慢充电服务。
车库底层设有3-4个车辆出入口, 车辆驶入后, 系统以自动化程序进行控制, 借由升降机及横移台车搭载车辆实现停取, 升降机及横移台车可分开各自动作, 和以往之机械式停车场比较, 运转时间可缩短3倍左右。车库采用全自动化管理, 无人值守, 可实现入库光电感应, 车辆自动引导, 自动收费管理, 消防监控, 远程监控等多项智能化功能。
2.2 一体式电池仓
车库底层的全自动换电站是整个智能车库的核心部分。每个换电站主要由一体式电池仓 (包含交流充电设备和电池架设备, 以及消防设备和空调设备等辅助设备) 、自适应换电机器人以及其他辅助设备组成。每个电池仓包括10组均衡充电机, 仓内温湿度控制系统、消防控制系统、实时报警系统统一联动运行。
电池仓是指用以存放一定数量充电机, 具有环境控制、通信监控和必要的防护等级, 给对应的电池进行充电的集成装置。现有产品通常分为充电机仓和电池仓, 中间由专用电缆连接, 缺点是功能单一, 占地面积较大, 布置不灵活。
而一体式电池仓与以往设计不同, 将充电机, 电池统装于一个仓内, 可以自由组合为不同电池容量的电池仓组, 能同时为10-20个标准电池安全、自动充满电。同时与自适应换电机器人配合, 用户可完成自助换电。仓内智能化的温湿度控制系统、消防控制系统、实时报警系统等统一联动运行, 确保电池仓的安全可靠工作。系统可通过主动监控获取电池和充电模块的相关信息。
2.3 自适应换电机器人技术
目前市面上使用最多的乘用车传统换电机器人多采用机械臂结合视觉控制算法来完成电池的存取更换。此种方案的缺点较多:机器人位置空间大且承载有限, 车身高度变化导致定位不够精准等。针对上述问题, 提出新型自适应换电技术。
全新开发的全自动自适应换电机器人, 可以自动寻找和定位电池位置, 无需人工干预实现全过程自动换电。换电机器人通过对电动车进行底盘的两级定位调节, 将车辆横向、纵向中心线和高度调到预订位置, 以实现自动换电。将精细定位技术用于电动汽车的二级精确定位, 由一套液压升降机构和定位组合夹具完成, 对汽车的底盘中心进行多自由度毫米级精确定位, 克服了以往汽车轮胎充气量不同而造成汽车高度方向难以准确定位的技术难题。同时利用换电机器人在直线式双轨道上的来回运行, 完成电池在电池仓与电动车之间的电池存取。自适应换电机器人示意图见图1所示。
机器人可通过读取车主卡片以识别车型及车牌信息, 同时自动调节轨道间的轨矩及车辆预设高度, 以实现换电装置的自动适配。同时通过自动控制系统与一体式电池仓相配合, 完成电池的取放动作。该技术可自适应于多种电动汽车车型, 预计换电时间不超过3分钟。
2.4 车库充换电管理平台
将充换电及停取车等功能进行统一整合, 设计搭建完善的智能充换停一体管理平台, 平台主要功能包括充换电监控系统、车库收费管理系统、车辆识别系统、分时租赁管理系统、安防系统等。
平台采用开放式分层分布结构, 由站控层、间隔层以及网络设备构成。站控层提供集中充电站内运行各系统的人机界面, 实现相关信息的收集和实时显示、设备的远方控制、以及数据的存储、查询和统计等, 并可与中心监控系统及电动汽车运营管理中心通信, 上传充换电设施的相关工作状态信息, 接收和处理监控中心及电动汽车运营管理中心发出的指令。间隔层采集设备运行状态及运行数据, 上传至站控层, 并接收和执行站控层的控制命令。系统从设备终端收集充换电站、充电桩、车辆和电池的实时信息, 在监控系统进行综合的演示。同时, 结合GIS系统信息, 提供对终端设备地理位置的可视化展示。
其中对充电机的监控主要包括监视充电机的状态和电池状态。充电机状态信息包括输入输出电压、电流、电量、功率因数、充电时间、当前充电模式、充电机故障状态等;电池状态信息包括电池基本信息、电池单体电压、电池单体温度、电池故障状态、电池管理系统设置信息等。
3 结语
目前利用该技术的项目已处于实施阶段, 并作为杭州市发展新能源产业的样板工程。项目落地约700m2, 共计约200个停车位, 所有停车位均设快充服务, 车库底层设一个自动快换电站, 可同时为周边地区400辆私人电动汽车提供充换电服务。项目正式建成后, 将是杭州第一座集新能源电动汽车智能均衡充换电、租赁及车辆立体停放的集成综合体。为倡导城市绿色环保出行理念、破解城市停车难问题提供了有效的解决办法
摘要：针对当前城市停车难及电动汽车充电难的社会问题, 提出将充换电站和公共停车场建设相结合, 集智能自动泊车、电动车泊车慢充、电动汽车电池快速换电、智能充换停一体管理平台等功能于一体的充换电集成技术。
关键词：电动汽车,立体车库,充换电技术
参考文献
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[4]赵明宇, 王刚, 汪映辉, 等.电动汽车充电设施监控系统设计与实现[J].电力系统自动化, 2011:65-66.
电动汽车充换电 篇2
第一条(适用范围)
(一)本办法适用于本市范围内建成投运的国产充换电设施,包括:
1.自用充电设施:专为某个私人用户提供充电的交流充电桩设施。
2.专用充换电设施:专为某个法人单位及其职工,或专为某个住宅小区全体业主提供充电服务的充换电设施。
3.公用充换电设施:服务于社会电动车辆的充换电设施。
(二)本办法所扶持的自用、专用充电设施应按照“桩随车走、按需配置”原则有序建设;公用充电设施应按照“合建为主、单建为辅”原则适度超前建设;专用、公用换电设施应按照“需求支撑、重在示范”原则示范建设。申请市、区(县)财政资金补贴的充换电设施,还应符合以下要求:
1.标准统一。充换电设施建设、运营服务、维护管理符合国家和本市相关技术标准、建设标准、设计规范和管理要求。
2.开放共享。按国家和本市相关要求实现充换电数据共享。
3.承担公共服务。
4.电能可计量。
5.支付方式具有通用性,具备银联卡、交通卡等第三方支付功能,可实现刷卡或扫码便捷支付。
(三)本办法所扶持的企业充换电设施数据采集与监测平台(以下简称“企业平台”),应符合以下要求:
1.投资建设企业平台的充换电建设运营公司(以下简称“充换电企业”),经本市工商行政管理部门(或市场监督管理部门)登记注册,经营范围表述为,新能源汽车充换电设施建设运营。
2.充换电企业注册资本不低于2000万元,并出具注册资本足额缴纳凭证。
3.充换电企业具备完善的充换电设施建设运营管理制度,保证设施建设运营安全。
4.充换电企业具备8名以上充换电设施专职技术人员。其中,在册持进网作业证上岗电工不少于3人,高压电工不少于2人。
5.企业平台具备数据输出功能和数据输出接口,输出接口符合国家和本市有关规范要求。对充换电和运营数据进行采集和存储,数据保存期限不低于2年。
6.接入充电桩规模不少于1000个。
(四)本办法所扶持的上海充换电设施公共数据采集与监测市级平台(以下简称“市级平台”),应履行以下职责:
1.立场公正,自身不投资建设充换电设施,与充换电企业不存在同业竞争关系。
2.具备公共政策服务能力,为政府部门制定实施财政、监管等政策提供服务和支撑。
3.具备公共服务能力,向社会公众发布全市电动汽车充换电设施信息,为社会公众提供便捷的充换电设施信息查询服务。
4.具备平台软硬件开发能力,负责制订平台对接数据技术标准,有效整合不同企业平台的充换电服务信息资源,促进不同企业平台之间的互联互通。
第二条(支持方式和标准)
(一)鼓励电力等企业发挥技术、管理、资金、服务网络等方面的优势,组建专业的充换电企业。对其建设的充换电设施给予财政资金补贴,补贴资金在国家充电设施建设奖励资金、市节能减排专项资金中统筹安排。
1.对专用、公用充换电设备,给予30%的财政资金补贴,各类充换电设施千瓦补贴上限详见下表。
直流充换电设施(含交直流一体机) 交流充换电设施
补贴上限标准 600元/千瓦 300元/千瓦
2.对专用、公用充换电设施,给予运营度电补贴,补贴标准详见下表。
公交、环卫等特定行业专用充换电设施 其他为社会车辆服务的公用充换电设施
补贴标准 0.1元/千瓦时 0.2元/千瓦时
补贴上限电量 2000千瓦时/千瓦·年 1000千瓦时/千瓦·年
3.对光伏一体化储能充电、无线充电等新技术,对设备投资(不含光伏发电)给予30%的财政资金补贴,暂不设千瓦补贴上限。
4.对充换电企业在沪建设的企业平台,按设备投资的30%给予财政资金补贴,单个企业平台补贴上限不超过500万元。
(二)按“政府引导+市场化运作”模式,组建市级平台,承建单位由市发展改革委、市交通委、市财政局通过方案竞标方式择优选择,由市交通委、市发展改革委、市财政局授牌成立。政府对市级平台早期建设和运营给予补贴,补贴资金在国家充电设施建设奖励资金和市节能减排专项资金中安排。
1.支持市级平台加快建设,对—间,市级平台设备投资及APP应用平台等相关研发费用,给予50%财政资金补贴,补贴上限不超过2000万元。
2.为支持市级平台初期运营,对市级平台运营涉及的公共网络租赁等公共服务费用,给予财政资金补贴(补贴比例见下表),每年补贴上限不超过300万元。
第三条(配套政策)
(一)充换电企业可向电动汽车用户收取电费和充换电服务费两项费用。
1.电费
向电网企业直接报装的经营性集中式充电设施用电,20前,暂免收基本电费。其中,为新能源公交车提供服务的,执行本市电价目录中两部制分时“工商业及其他用电”价格;其他经营性集中式充电设施,执行本市电价目录中“铁合金、烧碱(含离子膜)用电”价格。
向电网企业报装的居民家庭住宅、居民住宅小区、执行居民电价的非居民用户中设置的充电设施用电,执行居民用电平均电价水平。
其他充电设施用电,按其所在场所执行分类目录电价。
2.充电服务费
充电设施经营企业收取的充电服务费执行政府指导价,207月1日前,充电服务费上限为每千瓦时1.6元;2016年7月1日后,充电服务费上限为每千瓦时1.3元。以后将结合市场发展情况,逐步放开充电服务费,通过市场竞争形成。
(二)电网企业为电动汽车提供优质、便捷的配套服务。
1.对充换电设施给予电网接入支持,开辟绿色服务窗口,简化办事程序,利用公司营业窗口和“95598”供电服务热线等,做好宣传、服务工作,提高服务质量和效率。
2.负责充电设施从产权分界点至公共电网的配套接网工程。充电设施不占用住宅小区自用的公共电力容量(包括用于向住宅小区路灯、电梯、水泵等公用设施以及物业服务企业供电的电力容量)。
3.对单独报装、独立挂表的经营性集中式充电设施,免收业扩费。
(三)支持充换电设施互联互通。
1.受市交通委、市发展改革委、市经济信息化委委托,市级平台负责制订平台对接数据技术标准,报市质量技监局批准后执行。对接数据原则上分为两类,一类为与充电导航、状态查询、电量监控有关的基本数据,另一类为与充电预约、费用结算有关的运营数据。
2.为实现信息共享、方便电动汽车用户便捷地查询到充换电设施信息,充换电企业应按要求将基本数据接入市级平台,确保市级平台APP与企业平台APP的对接应用。市级平台应加强技术力量支撑,对充换电设施接入率进行全过程管理。
3.对充换电设施接入率与充换电设施补贴挂钩的情况进行考核。充换电设施在项目竣工时,应同步将基本数据接入市级平台,自基本数据接入日的.次月,开始享受充换电设施运营奖励;已建充换电设施应在市级平台投运后1个月内,接入基本数据。具体考核办法,由市发展改革委、市财政局会同市交通委等有关部门另行制订。
4.鼓励市级平台与充换电企业开展基于运营数据的商务合作,具体合作模式依双方协议确定。
(四)支持充换电设施建设运营模式创新。
1.支持“互联网+充换电基础设施”建设运营模式创新,引入特许经营、众筹、线上与线下相结合等新兴业务模式。对不具备企业平台建设能力的中小型充换电企业,鼓励其与有企业平台的充换电企业或市级平台合作,协商接入运营数据,并在协议中约定设施安全等责任。数据接入企业应加强充换电设施接入管理,确保所接入设施符合国家和本市的相关技术标准、建设标准、设计规范。
2.鼓励专用充电设施对外提供充电服务。在不影响本单位安全管理、停车管理等管理秩序,优先满足本单位职工、人员充电及停车需求的前提下,鼓励将专用充电设施对外提供充电服务。充电设施建设运营企业、停车位的所有权人等相关各方应当签订协议,明确充电设施的所有权及后续维修更新养护、侵害第三者权益责任,鼓励建立合理反映各方“权、责、利”的商业合作模式。
3.对早期建成的、不符合现行标准而无法投入使用的充换电设施,鼓励充换电企业按国家和地方现行充换电设施产品及安全标准进行改造,充换电设施改造可享受充换电设施建设补贴政策,建成后运营可享受充换电设施运营补贴政策。
(五)对充换电设施给予规划土地、项目核准政策支持。
1.个人在自有停车库、停车位、各居住区,单位在既有停车位安装充电桩的,无需办理建设用地规划许可证、建设工程规划许可证、施工许可证等规划、土地、施工许可手续。利用市政道路建设充电桩的,如涉及道路交通管理问题,参照市政配套设施建设的有关规定,向道路主管部门和公安交通管理部门办理相关手续。
2.鼓励采用合建方式建设充换电设施。采用合建方式建设的充换电设施,无需单独办理建设用地规划许可证、建设工程规划许可证、施工许可证等规划、土地、施工许可手续。对用地规模不突破主体项目原用地规模的充换电设施,规划国土资源部门在规划参数确定、土地供应方式等方面予以支持。
3.对技术水平高、示范效应强、产业带动大,经论证确需独立用地且符合已批准城乡规划的充换电设施示范项目,规划国土资源部门在土地供应上可予支持,纳入公用设施营业网点用地范围,单建项目应按集约化、少占地的原则设计。
4.对充电桩和采用合建方式建设的充换电设施,按一般电气设备安装管理,可不办理项目备案或核准。申请政府补贴的,应到区域供电公司报备信息,由区域供电公司按月集中向所在区(县)发展改革委办理信息报备。需单独征地的充换电设施,应按有关规定向市发展改革委申报项目核准。国家充换电设施项目管理规定出台后,按国家政策执行。
(六)对自用、专用充换电设施和列入年度计划的公用充换电设施建设涉及的电力排管工程,经综合平衡后优先列入道路掘路计划。排管工程需在新建、改建、扩建的城市道路、公路竣工后5年内,或在大修的城市道路、公路竣工后3年内的道路上开挖施工的,市、区(县)城市道路、公路管理部门掘路修复费用按实收取(不按沪建交〔〕513号文收取加倍掘路修复费)。
(七)加强金融服务支撑。鼓励金融机构在商业可持续的原则下,根据充换电设施建设运营的特点,创新金融产品和保险品种,拓展充换电设施建设融资渠道。对拥有良好诚信记录的充换电企业,支持其申报中央专项建设基金。
第四条(年度计划的编制与实施)
(一)市政府成立由市发展改革委、市交通委、市经济信息化委、市住房城乡建设管理委、市科委、市财政局、市规划国土资源局等部门组成的市推进充换电设施建设工作小组,办公室(以下简称“市推进办”)设在市交通委。
充换电企业应在每年8月底前,向市推进办上报下一年度充换电设施年度建设计划,计划包括拟建设施台数、地址、设备投资、拟申请补贴金额等内容。
(二)市推进办会同相关区(县)交通主管部门对计划进行汇总平衡后,编制并下达全市年度建设计划。充换电设施建设运营单位应按计划推进实施,定期向市推进办报送计划执行情况,并抄送市发展改革委。
(三)对符合政府补贴扶持范围的项目,市交通委初审后于每年9月底前,报市发展改革委。市发展改革委会同有关部门综合平衡后,印发充换电项目年度投资计划。
第五条(设备投资及运营补贴资金申请程序)
(一)申请设备投资及运营补贴的充换电企业,应填写《充换电设施设备投资及运营补贴申请表》。申请企业平台和市级平台补贴的单位,应填写《充换电设施公共数据采集与监测市级平台、企业充换电设施数据采集与监测平台补贴申请表》。以上申请表可在市级平台网站上下载。
(二)充换电企业在项目(含企业平台)建成投产后,将《充换电设施设备投资及运营补贴申请表》和《充换电设施公共数据采集与监测市级平台、企业充换电设施数据采集与监测平台补贴申请表》一式三份交市级平台,并提交以下资料:
1.设备合同,设备发票(复印件)。如是外文合同、发票,需附有中文译件。
2.项目信息报备文件或项目核准文件(单独征地项目)。
3.电费凭证。
4.充电设施基本数据自愿按市级平台要求接入的承诺函。
5.企业法人营业执照(复印件,加盖企业公章)。
市级平台每季度汇总设备投资(运营)补贴材料,并于次季度第一个月,将汇总的材料、市级平台出具的充换电设施设备投资及运营补贴初审意见,报送市发展改革委,抄送市交通委。
(三)市级平台申报补贴的,在将《充换电设施公共数据采集与监测市级平台、企业充换电设施数据采集与监测平台补贴申请表》一式三份交市发展改革委的同时,还应提交以下资料:
1.设备合同,设备发票(复印件)。如是外文合同、发票,需附有中文译件。
2.APP平台等相关研发费用凭证。
3.市级平台运营涉及的公共网络租赁等公共服务费用凭证。
4.上年度本市充换电设施建设、运行分析报告。
5.企业法人营业执照(复印件,加盖企业公章)。
(四)市发展改革委会同市交通委等有关部门审核后,根据国家奖励资金和市节能减排专项资金的使用程序,由市发展改革委向市财政局申请拨付资金。市财政局按照财政管理的有关要求,将补贴资金拨付到享受补贴的单位。
第六条(部门职责)
(一)市发展改革委负责协调本市充换电设施建设支持政策,印发年度投资计划,加强政策执行指导与监管,负责充换电设施项目核准与涉及国家能源局管理权限事项的审核转报工作,负责本市充电设施用电价格及充电服务费管理。
(二)市交通委承担市推进办的工作,负责推进本市电动汽车充电设施建设,指导市级平台日常管理工作;制定本市充电设施设计和建设标准;编制本市充电设施建设专项规划,组织制定充电设施年度建设计划并协调实施;负责建设项目机动车停车场(库)配建充电设施方案审核、审批、规划验收工作,组织开展掘路修复费核收等工作。
(三)市住房城乡建设管理委负责大型掘路计划的审批及小型掘路计划的指导工作,在具备道路停车条件的地方,组织推进利用道路照明灯杆建设充电设施等工作;负责电动汽车充电设施涉及的住宅和办公楼宇物业服务企业的监督管理工作。
(四)市规划国土资源局负责充换电站设施的规划落地工作,对纳入年度建设计划的充换电站项目给予相关政策支持。
(五)市财政局负责财政补贴资金的拨付,并会同市有关部门对补贴资金的使用情况进行监督和专项审计。
(六)区(县)政府负责本行政区充换电设施建设的推进工作,对社会资本开放充换电设施建设市场,搞好属地协调,鼓励有条件的区(县)出台充换电设施建设支持政策。
(七)华东能源监管局、市经济信息化委、市科委、市环保局、市质量技监局、市消防局、市绿化市容局等部门按各自职责,做好相关工作,支持充换电设施规范有序建设。
第七条(附则)
(一)本办法自2016年5月5日起施行,有效期至年12月31日。1月1日起,在本市范围内建成投运的国产充换电设施,适用本办法。
电动汽车充换电 篇3
与石油、天然气、煤炭相比, 电能属于二次能源, 具有绿色环保、来源广泛、传输方便等优点, 因此, 电动汽车成为我国研究和开发新能源汽车的主流选择。另外, 电动汽车是解决环境、能源、发展问题的重要技术之一, 推广应用电动汽车对于减少石油对外依赖, 保障国家能源安全, 实现经济社会可持续发展具有重要意义[1]。
充换电设施作为电动汽车能源补给的基础设施, 是直接影响电动汽车推广应用效果的关键因素之一[2]。布局合理的充换电服务网络, 可以有效弥补动力电池性能差异带来续航能力不足的问题[3,4]。文献[5-8]给出了电动汽车充电设施接入对电网影响的研究, 文献[9-12]对电动汽车智能、有序充电策略进行了分析探讨, 文献[13-18]研究了充换电设施的优化布局, 充电负荷分配和充电调度。充换电设施的规范性、标准性和经济性决定了充换电设施的服务能力、服务效率和投入产出回报率, 因此, 开展充换电设施典型方案研究具有明显的实用意义。
论文在给出典型方案编制原则的基础上, 研究了电动汽车充换电设施建设的标准化问题, 并以某个充电站方案为例详细介绍了典型设计方案具体内容, 深入阐述了换电系统设计方案, 并提供了所有典型设计方案的配置情况。
1 典型设计方案编制原则
电动汽车充换电设施的建设遵循“统一标准、统一规范、统一标识、安全可靠、经济实用、按需建设”的原则, 采用统一的技术标准和规程规范, 归并设备选型和材料参数, 以完全满足标准化建设的需要。
典型设计方案的服务对象、电池容量、最大续驶里程见表1。通过大量调查研究和广泛搜资, 并总结国内充换电设施的成功建设经验和典型运行案例, 开展充换电设施典型设计方案的具体编制工作, 据此编制10种典型方案见表2, 表中1桩1充指的是1台充电桩只带1个充电插头, 1桩2充指的是1台充电桩带有2个充电插头。
下面以CDZ-A-1为例对充电站典型设计方案进行分析研究, 并详细阐述换电系统设计思路。
2 充电站典型设计方案
2.1 总平面布置
方案CDZ-A-1包括站内建筑物、充电车位、箱式变压器等功能区域, 站内建筑物主要为监控室。总平面布置见图1。
2.2 充电设备
选用100 k W一体式直流充电机, 1桩2充, 共5台, 均采用落地式安装方式。
2.3 供配电系统
2.3.1 供电系统
采用1回10 k V进线就近接入充电站, 电缆型号采用ZC-YJV22-8.7/15-3×70 mm2。
站内5台一体式直流充电机的容量为
式中:K为同时系数, 取0.65;P为充电机的输出功率;η为充电机工作效率, 一般取0.9;n为充电机数量;cos为功率因数, 按规程要求应达到0.9以上, 设计方案中取0.92。
监控、照明、空调和办公等负荷共21 k W, 配置系数取0.8, 所需容量S负荷 (28) 0.821 (28) 16.8k VA。
变压器最佳负载率取0.8, 所需变压器总容量为:, 为此, 设计方案中配置1台630 k VA欧式箱式变压器。
每台一体式直流充电机自带APF单元, 补偿后功率因数应达到0.9以上。
2.3.2 电气接线方案
10 k V、0.4 k V侧均采用单母线接线, 采用中性点直接接地运行方式。
2.3.3 短路电流控制水平及主要设备选型
10 k V、380 V短路电流水平分别按25 k A、50 k A考虑。选用箱式变压器, 接线组别为Dyn11, 阻抗电压4.5%, 变比10±2×2.5%/0.4 k V;10 k V进线采用负荷开关配合熔断器;低压侧采用框架、塑壳断路器。箱式变压器至一体式直流充电机采用ZC-VV22-0.6/1.0-3×70+2×35 mm2电缆。
2.3.4 防雷接线
在建筑物楼顶埋设避雷带, 用以防止直击雷。屋顶避雷带的敷设采用Φ12圆钢在屋面组成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的网格, 并用-50×6扁钢沿墙或柱多点引下, 间距不大于18 m。
主接地网以水平接地体为主, 辅以垂直接地体, 水平接地体采用-50×6热镀锌扁钢, 垂直接地体采用63×6等边角钢。全站接地电阻应不大于4Ω。低压配电采用TN-S系统, 电气设备所有不带电的金属外壳均应可靠接地。
2.4 二次系统
2.4.1 监控系统
(1) 监控系统组成结构
站内监控系统由站控层、间隔层构成。其中站控层部署相关服务器和工作站, 负责数据处理、存储、监视与控制等;间隔层部署具备测控功能的相关设备, 负责数据采集、转发, 响应站控层指令。配置网络设备负责间隔层与站控层之间的可靠通信。监控系统方案配置图见图2。
间隔层按功能可分为充电监控系统和计量系统。一体式直流充电机内嵌监控装置, 监控装置完成面向单元设备的检测及控制功能, 向站控层转发数据并接受站控层下发的控制命令;计量系统包括电网和充电设施之间的计量、充电设施和电动汽车之间的计量两部分。电网与充电设施之间采用高压侧计量, 在10 k V进线侧配置高压关口表。充电设施和电动汽车之间采用交流侧计量, 在一体式直流充电机交流输入侧配置智能电表。
(2) 监控系统设备组屏和布置方案
站控层设备的1台数据服务器和1台通讯前置机布置于监控室的服务器柜内, 1台工作站和1台打印机布置于监控室内。
间隔层设备中, 用于充电监控的测控装置内嵌于一体式直流充电机内, 高压关口表布置于箱变内, 智能电表布置于一体式直流充电机内。
网络设备的总交换机布置于监控室的监控柜内, 通信网关布置于一体式直流充电机内。
2.4.2 电源系统
全站设置1套电源系统, 给站内各类测控装置、监控系统等供电。直流系统电压推荐采用DC220 V, 全站事故停电按1小时考虑, 配置18只20 Ah/12 V蓄电池和1台3 k VA的UPS, 均布置于交直流电源柜内。
2.4.3 通信系统
采用三层交换机方式接入电力专网, 实现监控信息的上传。电量计费信息单独由公网通信实现。
根据接入系统方案, 充电站应随电源线路路径新建一条到变电站的光缆。若无法实现直达光缆路由, 可结合现有配电光缆网络情况, 利用其他至变电站的光缆, 实现迂回光缆路由。在光缆建设存在困难的地区, 在保证信息安全的前提下, 也可采用租用公共无线通信网络的方式。
2.5 土建
2.5.1 概述
充电站布置在现有公交场站内, 布置10个公交车充电工位, 车位采用垂直式布置, 车位中间道路宽度保证每个车位都可顺车或倒车进出。
2.5.2 主要材料
(1) 现浇钢筋混凝土结构
采用C25和C30混凝土用于一般现浇钢筋混凝土结构;使用HPB300钢筋用于直径≤12 mm的非预应力钢筋, HRB400钢筋用于直径>12 mm的非预应力钢筋。
(2) 砌体结构
使用MU7.5、MU10或MU15型号的砌块, 使用M7.5、M10或M15型号的砂浆。
(3) 钢结构
钢结构使用Q235B或Q345B的钢材, 螺栓采用4.8级、6.8级或8.8级。
2.5.3 站区总平面
车位采用两列垂直式布置, 考虑1桩2充、交替充电的需求, 一台充电桩对应布置在两车位间端头, 每个车位尺寸:长13 m、宽3.5 m。车位间通道宽度不小于13 m, 公交车可方便顺车或倒车进出。
站区建筑物设计成矩形, 布置在场地西北侧, 一台箱式变压器布置在站区东北角, 建筑立体和剖面图见图3。
2.5.4 管沟布置
室外电缆采用预埋管方式敷设, 按沿道路、建筑物、充电车位、围墙平行布置的原则, 从整体出发, 统筹规划, 平面与竖向相互协调, 远近结合, 间距合理, 减少交叉, 同时考虑便于检修和扩建。
2.5.5 站区建筑物
站区建筑物设计成矩形单层建筑, 长×宽×高为8.5 m×7.2 m×3.6 m (轴线尺寸) 。建筑物装修为外墙面面砖, 内墙面乳胶漆, 地面地砖, 中空玻璃, 外门钢质防盗门, 室内木门。
每台充电机设置小型遮雨棚, 长度2.7 m, 宽度2.0 m, 高度2.4 m, 遮雨棚采用轻型钢结构, 钢构件采取防锈措施, 顶棚及三面围护采用轻型环保材料。
2.5.6 结构
(1) 设计标准
建筑结构安全等级为二级, 结构重要性系数为1.0, 结构设计使用年限为50年。站区抗震设防烈度7度, 建筑抗震设防类别为标准设防类 (丙类) , 设计基本地震加速度值取0.10 g, 按7度抗震措施进行设防。
(2) 设计荷载
根据现行《建筑结构荷载规范》的材料容重, 按该荷载对结构有利和不利情况分别计算恒载;屋面活载按0.7 k N/m2计算;取50年一遇基本风压值0.45 k N/m2和50年一遇基本雪压值0.50 k N/m2, 地面粗糙度为B类。
(3) 结构方案
建筑物为单层建筑, 采用钢筋混凝土框架结构, 环保型砌体填充墙。
2.5.7 给排水
(1) 给水设计
采用市政自来水作为生活用水水源, 设定充电站在市政消火栓保护半径150 m以内, 站内不设室外消火栓, 从市政给水管网上申请接出一路DN40的供水总管至站内, 接口处水压要求不小于0.15MPa。供站内生活用水的给水管入口处设水表作为计量设施, 站内给水管道采用涂塑复合钢管, 卫生器具采用节水型器具。
(2) 排水设计
排水采用雨污分流制, 生活污水经化粪池预处理后排入生活污水管网, 站区雨水经收集后排入雨水管网。
2.5.8 采暖通风
采暖通风的室内设计条件见表3。
卫生间自然进风, 采用吊顶式排气扇进行通风换气。监控室采用1台柜式风冷热泵型空调机, 空调机制冷量为7.5 k W, 制热量为8.2 k W, 功率为3.16 k W。采用1台新风换气机, 通风量为110 m3/h, 功率为0.06 k W。
2.6 消防
2.6.1 消防设计主要原则
充电站消防立足于自救, 按照“预防为主, 防消结合”的原则进行设计;同一时间内可能发生的火灾次数按一次考虑;建筑物与车位间距应符合防火要求, 场地出入口设置应符合停车场疏散要求。
2.6.2 建筑消防
建筑物火灾危险性戊类, 耐火等级二级, 与车位距离不小于6 m, 当与车位相邻的墙面为不开门、窗、洞口的防火墙时, 距离可减半为3 m。场地防火分类Ⅳ, 最多停10辆车, 设1个进出口。
2.6.3 暖通消防
单层建筑面积小于5000 m2的戊类厂房, 不设排烟系统。
2.6.4 给排水消防
单体建筑物为耐火等级二级的戊类厂房, 建筑体积不超过3000 m3, 依据《建筑设计防火规范》, 建筑物室内可不设置室内消火栓。
设置室外消防给水系统, 室外消火栓用水量为10 L/s。设定全站在市政消火栓保护半径150 m以内, 利用市政消火栓, 站内可不设室外消火栓。灭火器配置按现行国家标准《建筑灭火器配置设计规范》执行。
2.6.5 电气消防
站内主要出入口、通道以及重要建筑物等设应急照明灯和疏散指示灯, 自带镍隔电池, 应急时间大于90 min。在监控室内设置感烟探测器、报警按钮、警铃, 以及消防控制器, 在户外充电设施旁设置移动式消防器具。
3 换电系统设计
电动汽车电池充电可以通过整车充电方式和电池架充电方式两种。电池架充电需要将车载电池卸至电池架, 通过分箱充电机对电池架上的电池进行充电, 通过更换电池快速实现电动汽车电能补给, 换电站采用此种方式[19]。
3.1 电池架充电设计
电池架充电系统设计, 主要考虑下面三方面:
第一了解换电站建设规模和运行方式。在进行充电系统设计时, 首先应明确换电站计划服务的电动汽车数量和类型, 了解换电站的运行方式, 包括快速、慢速充电的比例需求, 以及电池充电轮换方式等。
第二了解电池充电相关的详细技术参数。与之相关的参数包括电池容量、电池数量、BMS类型、最大充电电流、电池箱配置方式、换电方式等。
第三确定分箱充电机的技术参数、配置数量、组柜方案及空间布置。根据电池参数和充电速度要求, 确定分箱充电机的输入电压范围和最大输出电流;根据预计服务的电动汽车数量、充电轮换方式、发展情况以及场地空间等, 决定站内分箱充电机的数量;根据电池箱配置方式、换电方式等, 决定站内分箱充电机组柜方案及空间布置。
3.2 分箱充电机选型及组柜
论文以国内目前使用最多的换电型电动公交车电池为例进行分析, 车辆电池配置为5大箱4小箱, 车辆左侧配置2大2小, 右侧配置3大2小。大箱电池为24串, 小箱为12串, 单串电池容量为300 Ah, 最高充电电压为3.65 V。
换电站采用分箱充电机柜对充电架上的动力电池进行充电, 大箱电池单箱充电、小箱电池两箱串联充电。每辆电动公交车左侧电池配置3台分箱充电机, 右侧电池配置4台分箱充电机。
充电电流按0.4C计算, 其中C为电池容量300 Ah, 0.4×300=120 A。最高充电电压为24×3.65=87.6 V。因此, 选择单台分箱充电机参数为15 k W, 其输出电压范围DC50~100 V, 最大输出电流为150 A。
根据分箱充电机及充电机柜的尺寸, 结合电动公交车车载电池左右侧布置特点, 左侧分箱充电机柜内布置6台分箱充电机, 右侧分箱充电机柜内布置8台分箱充电机。
3.3 换电系统设计
为减少电动汽车在站内的等待时间, 换电站采取快速电池更换方式实现电能补给。换电站利用空余时间对电池进行充电, 车辆抵达进入换电工位后, 自动换电设备将车载乏电电池与电池架上已充满电池进行交换。
换电系统的设计按如下步骤进行:
第一了解换电站服务车辆数量、备用电池数量、电池运营周转要求等情况。
第二明确电动公交车的电池参数及配置, 主要包括:电池容量、电池电压、电池箱数量、电池箱监控单元类型、电池箱尺寸、大小箱电池重量等。
第三根据车载电池箱的尺寸、数量等选择电池充电架。
第四根据车载电池的相关参数和充电方式, 确定充电机的技术参数和型号。
第五根据电动公交车数量、每辆车换电时间、换电站运营要求等, 确定充电架和充电机的数量。
电池更换系统由电池箱更换设备、充电架、分箱充电机柜和电池箱等组成。电池箱更换设备采用全自动自旋转一步式换电模式, 每个换电工位两侧各配置1套电池箱更换设备, 共2台。每台电池箱更换设备独立工作, 一次动作可以取放1到4箱电池。从车辆就位后至车辆完成换电且驶离换电工位的整个换电时间不大于12 min。
3.4 换电监控
换电系统设备内嵌监控装置, 用以完成车辆导引、车辆换电等功能, 向站控层转发数据并接受站控层下发的控制命令。换电监控系统功能见表4。
3.5 电池检测维护
在电池检测维护室配置动力电池维护设备一套, 实现对单箱电池的维护, 其功能包括:
a) 常规功能。包括内阻测试、容量测试和均衡维护等。
b) 保护功能。包括输入过压、过流、输出过压、过流和断电保护等。
c) 人机交互功能。
d) 通信功能。包括与BMS通讯和监控系统通信。
4 完整典型方案
按照前面第2、第3部分的描述, 对其它典型方案标准化配置进行概况, 得到结果见表5。
5 结论
现有充换电设施存在明显的个性化和差异化特征, 在项目立项过程中, 设计工作量大, 经常发生方案调整和完善的过程。论文研究了电动汽车充换电设施建设的标准化问题, 给出了电动汽车充换电设施的典型设计方案。该方案具有以下作用: (1) 优化项目所用物质, 统一设备选型, 便于设备招投标, 有利于控制产品质量。 (2) 规范充换电设施建设规模, 易于控制工程造价。 (3) 统一土建和设备规模, 有利于开展项目后评估工作, 以及同尺度测算充换电设施的年度运行维护费用。本文提出的典型设计方案, 在国家电网公司近期的充换电设施建设项目可行性研究报告编制、项目立项评审、充换电设备招投标和项目验收结项等方面发挥了巨大作用。
电动汽车充换电 篇4
能源与环境已成为当前全球最为关注的问题,能源是经济发展的基础,而环境是制约经济发展的重要因素,如何解决经济发展与能源供给、环境污染之间的矛盾是关系一个国家、一个民族能否和谐、持续发展的关键。电动汽车已经引发当今汽车工业的一场低碳革命,它的发展代表着城市低碳交通的发展方向。电动汽车的应用和推广将很大程度上摆脱城市交通对石油的依赖,有效减少CO2的排放[2]。在国家能源政策的支持下,电网企业作为电能供应商,在电动汽车充换电服务网络建设上迈出了重要步伐,大量电动汽车充换电设施建成投产。如何实现对供配电、充放电、计量装置、监控、电池调度等系统的控制及数据收集,对充电站设备、业务等进行全面管理成为一个迫切需要解决的课题。
1 电动汽车充换电设施建设发展趋势
1.1 我国电动汽车及其充电设施发展概况
我国的电动汽车技术从20世纪70年代起步,90年代进入发展期。经过“八五”、“九五”、“十五”3个五年计划取得了一系列科研成果,得到了飞速发展。2008年北京奥运会、2010年上海世博会上电动汽车的使用,促使国内电动汽车技术研发热潮再度升温。随着国家低碳经济、循环经济发展,《节约能源法》也明确规定“国家鼓励开发、生产、使用节能环保型汽车”,国务院出台的《汽车产业调整和振兴规划》同时为电动汽车发展创造了难得的机遇。国内许多汽车生产厂家为此投入了大量的人力和物力进行电动汽车及其相关技术的研发,比亚迪、万向、安凯、南车等公司生产的电动公交车、中巴车、出租车已在示范线路营运,流动服务车、工程车、邮政车、清洁车也在相关行业运行。奇瑞、东风、一汽等大型汽车集团公司也纷纷加快电动汽车研制速度。2008年起北京、上海、深圳、杭州……等地充电站相继建成,截至2010年底,国家电网公司已有87座充换电站、7031个充电桩投产运行。
2009—2010年国家科技部、发改委、工信部、财政部4部委联合开展了节能与新能源汽车示范推广试点工作,北京、上海、杭州、济南、长春、广州等25个城市被列入新能源汽车示范推广试点城市,并出台了一系列补贴政策。2010年,4部委又确认了上海、长春、深圳、杭州、合肥等5个城市作为私人购买新能源汽车补贴试点城市,鼓励并促进了电动汽车的推广普及。随着国家政策支持,电动汽车推广应用前景逐渐明朗,充换电设施建设也逐步走向规模化。
1.2 陕西省电动汽车发展趋势
1.2.1 具备电动汽车发展潜力
陕西省虽然尚未出台新能源汽车发展规划,但是在《陕西省十二五重点项目规划》(征求意见稿)中已规划于2014年在宝鸡蔡家坡经济开发区建成电动汽车产业园,将形成年产电动客车1万辆、电动轿车20万辆、电池材料10 000 t的生产能力。西安市政府也一直积极争取新能源汽车国家试点城市申报,积极扶持比亚迪、陕重汽等汽车产业发展,在2010年西洽会上,西安高新区管委会与西安供电局、陕西汽车集团兰德公司、比亚迪汽车有限公司共同签订了西安高新区新能源汽车示范基地建设项目协议,比亚迪公司已开始着手建设双模电动汽车生产线,计划于2011年建成投产,规划年产2万辆。陕西重型汽车厂成立了新能源汽车研发公司,生产的纯电动起重机械车辆已成功应用于码头、机场,车辆型号已收录工信部《节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录》。由此可见,陕西具备电动汽车发展潜力。
1.2.2 陕西电动汽车时代即将到来
比亚迪公司在国内电动汽车产业化方面已经取得重大突破,铁锂电池储能等相关技术处于国际领先水平,其研发的F3DM、F6DM双模车型已成功推向市场,香港运输署就有2部。该公司还进军国际市场,落户北美洛杉矶,将在洛杉矶住房局等事业单位投入使用。E6纯电动车型也已在深圳出租车行业开展试点运行。比亚迪E6的最高车速可达每小时140 km,快速充电状况下15 min可充满电池80%,满电可续航300 km左右。比亚迪公司在西安、商洛的落户,将有助于推动陕西电动汽车的发展。2011年7月,西安高新管委会明确表示,年内开通1条电动汽车公交线路,投运25辆电动公交车,预示着陕西电动汽车时代即将到来。
1.2.3 陕西电动汽车设施建设发展规划
陕西将按照国家统一部署,结合本省电动汽车发展状况,十二五期间,全省建成电动汽车电池集中充电站1座、电池充换电站21座、电池更换站5座、交/直流充电桩1 300个,满足市区内电动汽车充换电服务需求,省会城市初步建成充换电服务网络,实现关中地区西安、咸阳、渭南、铜川4城市城际间充换电服务。
1.2.4 陕西电动汽车市场前景预测
按现阶段陕西电动汽车的发展现状与环境,预测陕西未来电动汽车市场的发展,可分为4个阶段:1)以电动公交车推广为标志阶段(预测在2011—2012年);2)以相关企业电动通勤车推广为标志阶段(预测在2012—2013年);3)以电动出租车的推广为标志阶段(预测在2013—2014年);4)以私家电动汽车的推广为标志(预测在2014年后)。
2 电动汽车充换电业务管控平台总体架构
随着电动汽车的应用发展,加快电动汽车充电设施标准化建设,推进规范化运营,构建智能充换电服务网络[1],促使电动汽车充换电设施建设和充换电网络服务也将更加注重于提升商业化服务能力,必然走向网络化、智能化、标准化的发展趋势。
建立省级集中的电动汽车充换电智能管控平台,依靠信息技术,将电动汽车充换电站(桩)的建设和电动汽车充换电业务的商业运营相关基础性信息、经营性信息实时上传至区域智能管控平台。通过底层数据通信及管理、站端基础管控应用和区域及中心高级管控应用各环节进行实时数据交互,从而可实现电动汽车充换电业务的三级管控体系,不仅可以有效控制建设周期、降低系统建设成本,还满足了电动汽车充放电业务的智能化和商业化运营的需求。详细方案如图1所示。
3 系统方案
3.1 站端智能管控平台功能设计方案
建立省级集中电动汽车充换电平台的基础是建立站端智能管控平台,站端智能管控平台可实现充换电设施的供配电、充换电、计量装置、监控、电池调度等系统的控制及数据收集,对充放电设备、业务等进行全面管理,并将各类设备档案信息、设备运行信息、经营信息上传至区域智能管控平台。站端智能管控平台由供配电设备管理、充放电设备管理、计量计费管理、电池调度管理、监控管理5个基本单元构成,如图2所示。
(1)供配电设备管理单元功能。可以对供配电设备的运行状态进行监测并记录,发现参数异常即通过监控系统进行声光报警;可以对供配电设备的缺陷等信息进行记录,并跟踪设备消缺的整个过程,另外还可以对供配电设备的安装、日常维护、更新等操作进行管理。
(2)充放电设备管理单元功能。可以对充放电设备的运行状态进行监测并记录,发现参数异常即通过监控系统进行声光报警;可以对充放电设备的缺陷等信息进行记录,并跟踪设备消缺的整个过程,另外还可以对充放电设备的安装、日常维护、更新等操作进行管理。
(3)计量计费管理单元功能。对站内安装的计量表计的计量数据按周期性或计次性的方式进行记录;在充电站通过充电机(桩)给电动汽车充电时,将充电前后的计量数据传回区域智能管控平台进行结算;接收结算结果,在站内终端上完成相应的结算操作。
(4)电池调度管理单元功能。对所有的备更换电池组实时进行数量和状态的监控和管理,实现电池存储、电池更换、电池重新配组、电池组均衡、电池组实际容量测试、电池故障的应急处理等功能。
(5)监控管理单元功能。进行视频监控;记录充电站配电间、充电间等室内外温、湿度;记录监测到的电池充电间有害气体浓度信息;记录火灾报警信息;记录站内配电设备、充放电设备的运行信息、报警记录。
3.2 区域智能管控平台功能设计方案
区域智能管控平台是适宜于有多个终端站地区级单位应用的智能管控平台,可实现对所辖区域内智能充放电、独立充电桩的设备档案数据、设备运行信息、经营信息的管理,并对各站(桩)的计量装置、监控、电池调度数据进行收集处理和分析。其中充换电业务、计量装置数据上传至中心智能管控平台,经中心智能管控平台处理后将相关信息反馈至站端智能管控平台,如图3所示。
(1)基本信息管理单元功能。对所辖区域范围内独立充电桩的信息进行注册和维护;对所辖区域范围内的充电站及站内安装的充电桩和充电机的信息进行注册和维护。
(2)动力调度管理单元功能。时显示所辖区域内各个充电站全部电池信息,包括:电池型号、标识ID、数量、充电状态等;电池更换管理;电池维修及报废管理;电池调度管理。
(3)监控中心单元功能。充电站监控信息管理;充电桩监控信息管理。
综合查询功能:完成对区域智能管控平台管理范围内的各种信息进行灵活多样的查询,包括充放电记录、动力调度记录、监控信息等信息。
3.3 中心智能管控平台功能设计方案
中心智能管控平台是基于区域智能管控平台基础在全省范围内实施省级管理的平台,中心智能管控平台可实现对所辖区域内智能管控平台基础性数据管理、RFID卡管理、结算中心管理、综合查询、报表管理并实现与其他平台的数据共享,如图4所示。
(1)基本信息管理单元功能。主要实现对所辖范围内区域智能管控平台的相关信息进行管理。
(2)RFID卡管理单元功能。电动汽车充电用户的注册及开卡业务的管理;对注册的RFID卡进行冻结/解冻、挂失/解挂、遗失补卡等业务进行管理;对注册的RFID卡的缴费充值进行管理。
(3)结算中心单元功能。电动汽车的充电过程是个相对较长的过程,电网的波峰波谷不同的时段,决定充电费用的计费过程相对加油油费的计费过程来说更为复杂,使用RFID卡作为密钥存储介质及身份认证机制,可建立实时支付网络的充电缴费系统。
(4)综合查询单元功能。短信查询,发送短信查询交易记录;web查询,登陆web查询交易记录;自助设备查询:使用RFID卡查询交易记录,并可以打印消费清单。
4 结语
电动汽车的发展前景非常广阔,面对的终端消费用户数量将急剧增加,同时充换电业务将一改我们售电市场上月结电费的传统,电力消费给电力营销服务工作将带来新的挑战。建立省级集中电动汽车充换电智能管控平台,可以把“供配电”、“充放电”、“计量计费”、“安防及辅助设施”等各部分有机融合在一起,可实现数据省级集中,并与其他平台数据实现共享,从而可对电动汽车充放电业务数据的综合分析和统计,为业务发展的趋势提供预测和决策支持。建立电动汽车充换电智能管控平台,可实现设备的全自主管理,降低了管理难度和复杂性,安全高效,降低充换电业务的运营成本。
参考文献
[1]国家电网公司.应为电动汽车充电设施典型设计[S].北京:国家电网公司,2010.
[2]胡骅,宋慧.电动汽车[M].北京:人民交通出版社,2003.
[3]高英南.陕西省电力公司“十二五”电力营销发展规划的分析与研究[J].陕西电力,2011,39(6):47-50.
电动汽车充换电 篇5
我国首座纯电动汽车智能充换电立体车库于6月10日在杭州市西湖区古墩路古荡科技园开工建设, 该座立体车库计划在2013年7月初建成并投入使用。为推动杭州纯电动汽车微公交项目计划, 杭州市西湖区2013年底前要建成30座以上纯电动汽车智能充换电立体车库 (含分时租赁配套服务网点设施) , 并投入使用。
纯电动汽车智能充换电立体车库的开工建设, 标志着杭州5年10万辆电动汽车自驾租赁公共交通项目正式启动。这些立体车库及分时租赁服务网点由浙江康迪电动汽车有限公司参与研发和运营, 出租的车辆也将包含康迪的电动汽车。专家认为该项目的实施将有效缓解城市交通拥堵、停车资源匮乏、环境污染、能源危机等城市难题。
电动汽车充换电 篇6
随着石油资源的日益枯竭以及环境污染的不断加剧,能源与环境危机凸显。电动汽车以油代电,使用过程具有 “零排放”特性[1],发展以电动汽车为代表的新能源汽车,大力推进交通发展模式转变,在有效减少环境污染的同时,缓解了对石油资源的过度消耗,对解决当前能源和环境问题意义重大。
电网企业在推动电动汽车快速有序发展过程中发挥着重要作用[2]。就目前而言,电动汽车发展对电网企业的运营模式[3]、运管方式[4,5]、调度模式[6]、负荷管理模式[7]、智能电网技术应用[8]等都将产生影响。在电动汽车大规模并网条件下,电网企业在面临充换电市场机遇的同时,也面临着巨大的技术风险和市场风险。
本文从政策法规、经济、社会和技术四个方面,对广东电网公司充换电设施规划建设的外部环境进行分析,同时,从已具有的资源条件和核心能力两个方面,分析其具备的内部条件,在此基础上,识别出影响广东电网充换电设施规划建设的关键因素,总结其面临的主要风险,为电网企业充换电设施投运行为提供指导和借鉴。
1 内外部环境分析
1.1 外部环境分析
1.1.1 政策环境
除《珠江三角洲地区改革发展规划纲要(2008-2020年)》、《汽车产业调整和振兴规划》等区域和产业发展规划以外,广东省先后出台了《广东省汽车产业调整和振兴规划》、《广东省电动汽车发展行动计划》、《广东省新能源汽车产业发展工作方案(2010-2012年)》等相关文件,提出了电动汽车近期及中期的发展规划、目标,以及具体的行动计划和保障措施。同时,在国家能源局发布的电动汽车充电设施系列标准基础上,广东省质监局发布了《广东省电动汽车交(直)流充电桩技术规范》,指导并规范广东省电动汽车配套充电设施建设。
整体来看,广东省在产业支撑体系、配套服务体系、技术标准体系方面,为电动汽车产业的推广和应用制定了一系列发展计划和推动措施,为电动汽车充换电设施规划建设创造了良好的政策环境:电动汽车发展规划、目标,以及具体的行动计划和保障措施的提出,为未来广东省电动汽车保有量的增长提供保证,确保了充换电服务市场规模的逐步有序扩大;电动汽车充电设施标准体系的建立,能更好地指导和规范充换电设施建设;电动汽车示范应用试点工作计划的制定,以及新能源汽车联席会议和产业发展联盟的建立,能更好地统筹协调电动汽车配套充电设施的建设。
从政策发展趋势看,近期(2015)政策将主要集中在对电动汽车或充换电站建设进行补贴方面,如出台促进充换电站建设的补贴措施;出台鼓励电动汽车率先在公共事业中应用的相关政策;出台完善电动汽车电池、充换电技术的标准体系等。近期政策在促进电动汽车保有量的增加,激励电网公司对充换电设施进行先规划投资方面发挥重要作用。中期(2020)政策将主要集中于对关键技术研发的激励方面,如提高相关行业的准入门槛,提升相关技术参数;出台鼓励电池、电机等关键技术研发政策,在资金上给予优惠支持。中期政策将有效促进电动汽车性能、充换电技术性能提高,缩短充换电时间。长期(2030)政策将主要集中于安全和环保方面,如出台更注重电动汽车行驶安全、电池生产过程绿色环保的政策。远期政策将对电动汽车产业发展、充换电设施的建设运营提出更严格的要求。
1.1.2 经济环境
从经济总量看,2011年广东地区生产总值(GDP)达5.3万亿元,比上年增长10%,总量位居全国第一,增速保持较高水平。产业结构升级,现代产业体系加快建设,先进制造业、高技术制造业发展迅速,战略性新兴产业生产加快,核能、风力发电量大幅提高。2011年全省常住人口达到1.043亿,城镇化水平达到66.18%。
从经济发展趋势看,未来广东省GDP将继续保持快速增长,产业结构继续推进转型升级,城镇化率将进一步提升,这些都对电动汽车保有规模的进一步扩大提供了良好的经济环境。电力需求总量快速增加,根据《广东电网“十二五”及中长期发展规划》研究成果,预计到2015年,全省全社会用电量达到6 060亿kWh,全社会用电最高负荷达到106 800MW,“十二五”年均增长9.2%和8.8%,2020年全社会用电量和全社会用电最高负荷分别达到7 800亿kWh和140 000MW,“十三五”年均增长率为5.2%和5.6%。
经济环境的变化对电动汽车充换电设施规划建设带来的影响主要体现在两个方面,第一,经济总量的高速增长为全省电动汽车的发展及推广应用提供了良好的经济环境,有利于促进电动汽车保有量的大规模提升,第二,高速增长的用电需求也将在负荷侧给广东电网造成较大压力,这就对电动汽车的并网充电带来了一定的约束,广东电网公司需要对电动汽车采取有序充电的相关措施。
1.1.3 社会环境
作为汽车产业调整和振兴的举措之一,广东省抓住国家大力支持新能源汽车发展的机遇,积极鼓励发展电动汽车。省内深圳比亚迪公司、广汽集团等骨干企业已经具备或即将具备电动汽车规模化生产的能力。在汽车动力电池机器管理系统、电机及其控制系统、动力系统、充电机、整车系统集成等核心技术上也已逐步形成核心产业链。在核心技术上,广东省也已经建成了国家电动汽车试验示范区,并依托汽车企业、高校和科研机构等研发单位,逐步建成电动汽车产业的公共技术平台。
在推广应用方面,明确将广州、深圳、珠海、佛山、中山等城市列为新能源汽车推广应用示范城市。规定自2011年起,珠三角地区所有更新或新增的公交车采用电动公交车、LNG(液化天然气)汽车等新能源汽车,同时鼓励和支持粤东西北地区推广应用新能源汽车。
此外,环保节能理念的增强也有助于社会对电动汽车接受程度的进一步提高,这将促进电动汽车市场占有水平的提升,同时,全社会对充换电设施建设的支持范围和力度也将进一步加强,如税收、征地、人才需求等。
1.1.4 技术环境
常规充电、快速充电和换电是目前三类较为成熟的充换电技术。常规充电设施安装成本较低,发展常规充电技术有利于降低充电设施建设成本,并且由于可统一安排在低谷时段充电,对电网运行可以起到一定的削峰填谷作用,有利于提高电网的稳定性;快速充电技术在短时间内(约为10~15分钟)就能使电池储电量达到80%~90%,电动汽车可实现即充即用,因此建设快速充电设施时可不配备大面积停车场,从而有效降低了其建设成本,并且快速充电技术有利于延长电动汽车续驶里程,提高各类型电动汽车的运营能力;换电技术下,换电站具有较强的服务能力,电动汽车用户换电效率较高,在便捷性方面可以满足用户需要,同时,蓄电池利用低谷时段充电,降低了充电成本,提高了车辆运行经济性。
从技术升级趋势看,充电技术将由智能单向有序充电模式向智能双向有序充放电模式转变。电动汽车将可作为电能存储或备用电源设备,在用电高峰时段或电网故障等紧急情况下向电网反送电力进行支援,而换电技术则趋向于标准化和自动化建设,针对不同轴距、轮距车型,制定不同的动力电池标准,将动力电池外形尺寸、安装接口、电气接口标准化;注重实现动力电池的完全互换性和更换安装智能化,电池更换全过程自动化。
充电技术的发展一方面可以进一步缩短充电时间,提升充电站或充电桩的服务能力,另一方面可以实现智能有序充电,提升电网运行的安全性。换电技术的发展有利于统一推进换电站的大规模建设,进一步缩短换电时间,提升换电站的服务能力,降低换电站的建设成本。
1.2 内部环境分析
1.2.1 资源条件分析
技术标准。广东电网公司在技术和标准上具有先发优势。目前我国电网企业已编制完成充电站的典型设计和多个相关企业标准,并且积极参与国家标准的研究与编制工作。考虑到充电设施建设设计、配电线路改造与变压器扩容等工程的设计与建设、电能质量管理技术以及智能计量技术等,广东电网公司在充电设施建设相关技术与标准方面具有较多的资源优势。
实践经验。广东电网公司在广州、深圳等地建成了示范充电站与充电桩,并与大多数地方政府签署了战略合作协议,为下一阶段大规模应用打下了良好基础,积累了丰富的实践经验。
网络资源。从服务网络来看,未来建设的充电站和充电桩都在电网覆盖范围之内,公司能够更全面地掌握充电网络布点情况,并有针对性地进行合理优化。同时,依托现有配电网通信信息平台以及营销网络,公司更容易实现充电设施网络化管理与服务。从销售模式来看,公司可以直接把电力出售给电动汽车用户,不存在中间环节,既有助于提供更具价格优势的服务,又有助于更好地把握和满足用户需求。
1.2.2 核心能力分析
统一协调规划。依托广东电网的终端销售平台,广东电网公司能够对充电站及充电桩进行统一协调规划,实现充换电设施的合理布局。
智能控制。在促进充电网络与智能电网结合方面,公司同样具有天然优势,能够通过智能控制实现社会效益最大化。智能充电控制是实现电动汽车“削峰填谷”效益的关键,需要有智能充电管理平台、通信信道、智能终端以及和电网的双向互动作为支撑,建设成本和运维成本较高。广东电网公司开展充电网络服务,可以利用智能配电网中已有的信息管理平台、通信信道以及智能电表终端实现智能充电控制,降低智能充电管理系统的建设成本和运行成本,能够最大化地节约社会资源。因此,广东电网公司在开展智能充电业务,实现社会效益最大化方面既有内在动力,又有成本优势。此外,从能源系统整体优化角度来看,电动汽车充电设施应当而且完全可以成为智能电网重要组成部分,由电网企业统一运营管理在建设、运营、管理等方面的可操作性都更强。
公共关系建立。广东电网公司能够与相关行业建立并完善协调沟通机制,通过与政府部门的合作,将电动汽车充电设施建设作为重要的公用性市政工程,将电动汽车充电设施规划纳入城乡建设规划、土地利用总体规划等相关规划,在充电设施布点、配套道路建设及供电线路通道用地方面给予保障。同时,通过与公共交通部门的合作,广东电网公司能够为公交车及出租车建立充电设施,初步形成充电网络,为电动汽车的大规模应用奠定基础。
2 风险因素识别
2.1 充换电模式选择
充换电模式选择是影响充换电设施规划建设的重要影响因素之一。由于未来电动汽车推广及配套设施建设激励政策还不明朗,各类型电动汽车的发展规划仍不全面,未来广东省电动汽车充换电结构比例还不明确。而不同类型电动汽车的充换电需求、电池容量差异较大,因此,对于广东电网公司而言,在进行充换电设施先期规划投资前,必须对充换电市场规模进行分析和预测,尽可能避免承担由于投资规模及比例误估造成的机会成本和沉没成本。
2.2 技术升级
技术升级也在很大程度上影响充换电设施的规划建设。充电技术趋向于由智能单向有序充电模式向智能双向有序充放电模式转变,而换电技术则趋向于标准化和智能化发展。充电技术升级会使得单位整车的充电时间缩短,单位充电站或充电桩的服务能力显著提升,从而可以有效减少电网公司对充电站或充电桩的投资规模。并且,充电技术升级还将降低充电站或充电桩的单位建设成本。换电技术升级在提高换电站电池更换效率基础上,将提升换电站的服务能力。广东电网公司在进行充换电设施的规划建设时,要尽可能地考虑未来技术升级的可能性,为未来的新充换电设备预留相关的接入口等,避免重复建设。
2.3 政策环境变化
电动汽车相关扶持政策以及相关技术标准的颁布对电动汽车发展具有重要推动作用。我国现有电动汽车发展政策主要集中在购车补贴方面。未来在电动汽车发展方面,政府有可能实施一系列鼓励电动汽车发展的措施,但是这些政策的形式却还不确定,如直接对电动车用户进行补贴、对充换电站建设进行补贴,还可能对常规能源汽车征收碳税等。因此,如何准确预测未来相关的政策走向,以准确把握未来的电动汽车发展趋势,是广东电网公司面临的难题。
在促进电动汽车产业发展的大背景下,有可能通过向燃油汽车征收交通碳税、对电动汽车加大补贴力度、实行购置税减免政策等途径,进一步扩大电动汽车保有量规模,这就要求广东电网在充换电设施规划过程中充分考虑电动车迅猛增加的可能性。此外,利好政策还可能包括对充换电设施的建设进行补贴,这将直接降低充换电设施的建设成本。
2.4 供需市场环境变化
作为用电大省,广东省用电主要来源于“西电东送”工程。受“西电东送”减少送电和省内电力供应能力不足等因素影响,未来数年内广东省电力供应将继续维持紧张局面,电力缺口持续高位。在供应侧, “西电东送”能否按计划送电、能否争取省外更大电力电量支持、调峰电源的建设、省内电源和电网建设能否顺利进行等都存在较大不确定性。同时在需求侧,未来的负荷侧调峰需求、电动汽车充电方式也存在不确定性。如果未来电力供需持续偏紧,那么电动汽车的并网充电将受到直接制约,因此,如何预测未来供需市场环境变化,并提前做好相关规划将是广东电网公司面临的难题。
在供需偏紧的情况下,大力发展电动汽车会造成用电负荷继续上升,这对广东电网安全运行势必会造成一定的影响。无序充电将对电网带来冲击,而有序智能充电则能优化电网的运行。因此,在供需偏紧的情况下,用电高峰期不充电有利于削峰填谷,必须集中安排电池或整车在夜间低谷期充电,这对充换电设施规划建设的规模、布点、运营都会产生一定的影响。
3 结论
电动汽车充换电设施是电动汽车产业推广的前提和基石,是电动汽车商业化、产业化过程中的重要环节。本文针对广东电网公司充换电设施规划建设问题,分别从外部环境和具备的内部条件方面进行了分析论证,指出公司进行充换电设施规划建设具备有利的外部政策、经济、社会、技术环境,以及技术、实践、网络资源等优势,并且公司应从充换电模式选择、技术升级、政策变化、供需市场环境变化四个方面识别风险,针对性地进行风险管控。
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电动汽车充换电 篇7
随着环境污染、能源枯竭等问题日益严重,电动汽车由于具有减少温室气体排放、节约燃油成本、增加可再生能源渗透率的潜力[1,2,3,4],受到世界各国的广泛关注与研究[5]。
电动汽车充换电服务网是一种融合了智能电网、物联网和交通网的复杂网络,它是电动汽车正常运行的支撑系统。电动汽车产业的推进依赖于充换电服务网发展,然而长期以来缺乏历史数据与经验参考,亦缺乏专门理论支撑与分析工具[6],在拓扑结构、要素配置、功能构成、协调优化等方面鲜有定量分析。文献[7]通过电能供应模式和充换电需求分析设计了充换电服务网整体架构,结合电动汽车发展规划构建充换电设施建设规划设计模型与算法,得出了充换电设施布点规划、城际互联网络的方案。该文虽然提出了充换电服务网架构、充换电服务网管理系统,但是没有对服务网的结构、功能、要素等进行分析评价。文献[8]深入介绍了充换电服务网的结构体系,基于物联网将其分为3个层次,利用排队论计算得出服务时间、队长等信息。然而该方法只考虑了单一的充换电站服务内容,没有考虑服务网与配电网之间的关系。文献[9]根据复杂网络理论发展出续航风险距离、续航能量密度、网络服务能力等指标,用于体现换电站距离、电池分布等因素对于换电服务网络整体服务能力的影响。该方法从复杂网络的角度进行换电站配置的评估,但并未考虑充电站类型、道路阻塞、电网承受能力等因素。
此外,充换电服务网作为配电网增供终端推动负荷增长的同时,对配电网的规划与建设有重大影响。文献[10]表明大规模电动汽车充电的集聚特性将会引起电网运行的安全问题。文献[11]指出当电动汽车在负荷高峰进行充电,产生的电量需求会使电力系统过载,使剩余电量储备增加,电网效率降低。文献[12]研究了电动汽车充电负荷的随机性,从而得出一种充电优化方法。由此看来,电动汽车充换电服务网的研究不仅是定义概念、配置充换电站等,还应该与配电网相交互共同研究。
因此,本文考虑道路堵塞、服务半径、配电网接纳能力等多重因素,建立服务网特性分析与充换电站配置评估体系。通过设置不同的充换电站配置方案进行综合评估,首先考虑配电网的接纳能力,一旦电压越限则将该方案舍弃;对于满足电力电量平衡和安全运行的多种方案,进行指标分析,这些指标主要涉及充换电站位置、容量、客户服务便捷程度等方面,通过计算可以得到该服务网的服务特性。最后利用层次分析法确定相互影响的各指标权重,通过指标计算综合评分,对比不同配置方案结果。
1 充换电服务网
电动汽车充换电服务网是一种包含了智能电网、物联网和交通网的复杂网络,具备了信息化、智能化、网络化等属性。根据分层设计的理念,可将充换电服务网分为3层,从下到上依次为终端设备层、信息管理层、系统决策层,其系统架构如图1所示。系统决策中心根据国家政策、市场反馈情况制定相应的电动汽车运行政策以及执行价格等命令;信息管理层主要负责监控、收集基础设施的状态信息,进行实时监控,对上下层级起到信息传递作用。本文主要研究在终端设备层展开,下文中的服务网都只是狭义的服务网。
1.1 服务网与配电网交互
当电动汽车发展逐步规模化、充换电设施部署到一定数量后,必然形成一套与不同电压等级配电网紧密耦合的充换电服务网络。对于配电网而言,由于充换电负荷的间歇性、随机性、波动性、局部聚集效应等问题[13],电动汽车成为一种具有流动特性的“动态”负荷,配电网难以满足充换电负荷的电力需求。对于充换电服务网,配电网对实时充换电负荷的支撑能力约束着充换电站落点与容量,从而制约着电动汽车的发展。因此对于充换电服务网与配电网的交互关系,需要结合配电网本身的运行指标以及服务网的特性指标来评估充换电服务网配置的合理性。
服务网中充换电站所在位置一般情况下属于配电网里重要的负荷节点,因此为便于计算,本文将充换电站所在节点投射在配电网中相近的节点处,形成服务网与配电网交互的双层网络,如图2所示。下层为交通道路网,上层为配电网,不同类型的充换电站处于不同重要程度的交通节点位置。电动汽车与电网直接关联的就是负荷,因此将充换电站作为负荷终端落点,接入到配电网的对应节点中,通过仿真计算得到不同充换电站配置方案对电网的影响。
电网对规模化电动汽车接入的接纳能力主要通过候选对应节点可能接入的最大功率注入来体现。由于各个节点的电压有一定的约束范围,每条线路有自身物理传输极限,不同的充换电站配置方案会引发不同的功率注入,可能导致相关支路潮流或节点电压幅值不在约束范围内,系统无法承担相应新增充换电负荷的需求。因此,在不改变配电网结构的情况下,需要评估充换电基础设施的配置情况是否能满足配电网的接纳能力,以此充分体现充换电服务网与配电网之间的协调关系。故而,配电网接纳能力[14]可以通过节点可能接入的功率注入集群最大值反映:
其中,Ω为充换电站接入配电网的节点集合;PLi为配电网中节点i的原始负荷;PLCi为配电网中节点i可接入的负荷量;Pi和Qi分别为由节点i向网络注入的有功功率、无功功率;Gij、Bij、θij分别为节点i、j间的电导、电纳、相角差;Ui、Uj分别为节点i、j的电压;Pij为支路潮流;为支路潮流的上限[15];φ反映了线路的实际电压U与额定电压UN的偏差大小,偏移过大将直接影响供电电能质量,故通过设置φmax来确定在配电网一定运行方式下的电压幅值允许波动范围。
通过采用式(1)—(5)预先对配电网一定运行方式下的最大接纳能力优化模型进行计算,可以获得节点i的最大允许充电功率注入量PLCimax。由此,可以通过式(6)来判断某配置方案下的充换电服务网络注入功率是否满足该运行方式下的配电网最大接纳能力要求。
其中,Pcs(i)为位于节点i的充换电站容量。
若给出的充换电基础设施配置方案对应的运行情况不满足式(6),即认为该方案不满足当前配电网接纳能力。对于满足配电网接纳能力且接入配电网后不影响其安全稳定运行的配置方案,则进一步通过经济运行指标和服务性能指标来比较和评估。其中配电网的经济运行指标ф由总网损间接反映,由(7)体现:
其中,Ri为节点i的电阻。当充换电站接入配电网后,不同的配置方案对应的网损不同,本文认为网损较高的方案较不经济。
1.2 服务网特性分析
电动汽车充换电站的地理位置、容量大小、客户服务时长、充换电方便程度等因素,都是充分反映服务网络服务特性的量,因此需要建立指标对其服务特性进行分析。
1.2.1 电池配送效率f
集中型充电站不仅要为电动汽车提供快速充电服务,并且要在空闲时间为换电站的电池提供充电以及配送服务。因此,需要重点考虑往返充电站与换电站之间的电池配送车的行驶途径以及配送频率。
许多文献中对电动汽车充换电路径的选择并没有考虑交通道路的阻塞,因此本文采用含阻塞的有效路径算法:EGM方法[15]。假定节点l上有一个信息包需要被送到节点j,则对节点l的每一个邻居i定义一个到目的地j的有效距离:
其中,dij为从i到j的最短距离;ci为i上积压的信息包数;h为0~1之间的一个常数。很显然,当h=1时,dieff的那个节点作为信息包的下一个中继站。按此步骤对i→j路线上其他中继站的选取做相同的处理。对于无标度网,h=0.8时效果最优。
由上述方法可以计算出充电站i与换电站j之间考虑道路阻塞的最短路径Lij,配送车的平均速度为v,则配送效率为:
1.2.2 行驶可达性δ
行驶可达性是指电动汽车在任意位置想要到达最合适的充换电站补充电量的容易程度。电动汽车充满电后可供行驶的最大距离为B,从车所在点a到最合适的充换电站i的距离为li(该距离为考虑了道路阻塞后的距离),令行驶可达性为δ,则有:
其中,L为充满电后的电动汽车到达a点时所行驶的距离。由式(10)可知,随着li的增大,行驶可达性δ逐渐减小,意味着该车越难到达合适的充换电站进行电量补充;当li大于等于剩余行驶距离B-L时,行驶可达性为0,即电动汽车在消耗完自身电量时没能到达充换电站。
1.2.3 服务可供性ξ
不同地点的充换电站因其容量不同,因此对该站点附近电动汽车提供服务的能力也不同。已知一台电动汽车的电池容量为q,能行驶的最大距离为B,充电站的容量为Qi,换电站的容量为Qj,汽车从充满电到现在行驶的距离为D,则服务可供性ξ为:
其中,Q为Qi、Qj的总称;骔」表示向下取整。由此可知,充换电站的容量越大,其服务能力越大,即能为该片区更多的车提供充换电服务。设该区域的电动汽车密度为p,则各个充换电站的服务半径:
当电动汽车充满电后行驶的距离D越小,即剩余的电量越充足,到达某一充换电站充电后,该充换电站剩余容量能够覆盖的服务面积就越广。
1.2.4 服务效率η
服务效率是指电动汽车到达充换电站时接受充换电服务的快慢。这里利用排队论M/M/s/∞模型[16],即设顾客单个到达,相继到达时间间隔服从参数为λ的负指数分布,系统中共有s个服务台(服务台数根据交通网络里节点的度来决定),每个服务台的服务时间相互独立,且电动汽车接受充换电服务的时间服从参数为μ的负指数分布。
(1)平衡条件下顾客数为n的概率:
(2)顾客到达系统需要等待的概率:
(3)平稳时平均排队长:
平均队长:
(4)平均逗留时间:
平均等待时间:
其中,s为服务台数量;λ为顾客平均到达率;ρ=λ/μ为系统的服务强度;ρs=ρ/s为充电设施利用率。对于接受充换电服务的电动汽车客户而言,充换电站里的设施多、充换电时间短、平均队长短,则顾客等待的时间短,顾客前来接受服务的概率就大。因此本文的服务效率定义如下:
即顾客等待的概率越小,则该充换电站的服务效率越高。
2 综合评估框架
以服务网特性分析与充换电服务网基础设施配置评估为目的,包含服务网和配电网的各种指标,建立如图3所示的综合评估框架。通过设置不同的充换电站配置方案(其不同在于地理位置和容量上的差异),接入配电网中进行综合评估。
首先,考虑配电网的接纳能力,接纳能力主要通过候选对应节点可能接入的最大功率注入来体现,其中还包括根据潮流计算判断配置方案是否满足电压约束与支路潮流约束,一旦电压越限则表明电网不能接纳该位置或该容量的充换电站,应将该方案舍弃。但配电网本身可以升级或对其运行方式进行调整,如引入主动管理技术,从而使配置方案满足电网接纳能力。本文为简单起见,暂且不考虑这种通过配电网调整得到的类似于“非网络解”的充换电站配置方案。其次,对于满足电力电量平衡和安全运行的多种方案,进行指标分析。该指标包括配电网中的经济运行指标和服务网中的服务性能指标,通过计算可以得到该服务网的特性数据。由于这些指标从不同的方面对服务网展开分析,因此需要对所有指标进行一个综合评估,利用层次分析法[17]确定相互影响的各指标权重,以服务能力最大化为目标,得到综合指标评估模型:
其中,k为候选方案序号;w1、w2、w3、w4、w5分别为各个指标的权重。
该综合评估指标考虑了网损ф、电池配送频率f、行驶可达性δ、服务可供性ξ和服务效率η的综合效果。令σ=1/ф,以与综合指标最大化优化趋势匹配,σ越大,即候选的配置方案网损越小。由于各个指标的数量级不同,需要将其分别进行数量级归一化处理。以电池配送效率指标f的归一化为例,采用下式进行数量级转化:
其中,fk为第k个充换电基础设施配置方案的电池配送效率值,fk*为fk的归一化值;fmin、fmax分别为所有候选方案的f指标最小值和最大值。其他指标归一化值同理可得。通过式(21)的综合指标评估模型可以筛选出较优方案。
本文提出评估框架的目的在于结合充换电服务网和配电网的耦合关系所具有的特性,对候选规划方案进行性能计算评估。该框架融合多方面因素进行综合评估,使得筛选出的结果各个方面性能均衡。
3 算例分析
某地交通路网如图4所示,该网共有45个节点、65条边。其中,最大度数为5,是15号节点;度数为4的有3个节点,分别为4、7、17号节点;度数为3的有31个节点;度数为2的有10个节点。通过设置不同的充换电站容量和位置,设计了3个算例进行对比分析,从而可以得到该充换电服务网的整体评估情况。
算例1选择将换电站放置在7号和37号节点,将充电站放置在15号和17号节点,取同时充电率为0.3,即接入配电网的充换电站负荷量为30%。算例2充换电站的位置与算例1相同,但设定最恶劣情况,即接入配电网的充换电站负荷量为100%。算例3中的集中型充电站设置情况与算例1相同,将换电站放置在11号和22号节点,快充站放置在16号和45号节点,接入配电网的充换电站负荷量为30%。
配电网采用54节点系统,线路参数与负荷参数详见文献[18]。由式(1)—(5)可计算出配电网的最大接纳能力,即待加入充换电站的18号和42号节点最大可接入负荷为6.32 MW,4、8、15、16、23、24、37、38号节点最大可接入负荷分别为3.8 MW、3.12 MW、4.2 MW、3.236 MW、2.544 MW、5.3 MW、0.91 MW、1.1 MW,如图5所示。
算例1中各个充换电站的负荷小于待接入负荷节点的最大可接入负荷量,且电压都在安全运行范围内,接入充换电站前的网损为0.805 MW,而接入充换电站后的网损为0.965 MW。
算例2中,根据式(6)可知,配电网38号节点接入的负荷量超过该节点最大可接入负荷,且有2个节点的电压超过了5%的阈值,其中越限最多的是33号节点,其电压偏移达到-5.41%,如图6所示(电压为标幺值)。接入充换电站后的网损为1.483 MW,由此可知算例2的充换电站接入配电网后不仅经济性低,而且影响配电网的安全稳定运行。因此,应当舍弃算例2中的充换电配置方案,不用进行服务性能指标计算。
算例3因其充换电站位置不同,接入的配电网位置也不同,其接入的负荷量在节点最大可接入负荷量范围内,且接入配电网后的电压也在安全运行的范畴内,网损为0.953 MW。由此可知,算例1和算例3经计算都满足供电能力安全运行指标。
对于服务网服务性能指标计算,以比亚迪E6为例,已知其续航里程为300 km,电池容量为61.5k W·h[19]。考虑当前交通路网车流情况(见表1),根据式(8)计算考虑阻塞的最短路径,并且取配送车在城市里的平均速度为35 km/h,得到电池配送信息如表2所示。
假设该车从充满电出发到某一节点,共行驶了200 km。且已知一组电池箱的额定电压是80 V,电池组容量为60 A·h[20],则一个电池组的容量为4.8k W·h。单台充电机的充电功率为96 k W[21]。通过含阻塞的有效路径算法可以得到各个点到任意充换电站的行驶可达性如表3所示。
根据各个充换电站的容量设置情况(见表4),由式(13)、(14)可以计算出充换电站的服务可供性和服务半径,其中调查收集到该区电动汽车的密度为30辆/km2,计算结果如表5所示。同时图7显示了各个充换电站的服务覆盖面积,由图可知,充换电站的容量越大,能够服务的车辆也就越多,其覆盖的面积越广。
注:单位路程流量指每500 m道路中汽车数量;A(B)中A代表该道路车流量上限,B代表当前车流量。
设定电动汽车按Poisson流[16]到达,汽车充换电时间服从负指数分布,根据节点度的大小,设定度为5的充换电站平均每分钟到达3辆汽车,度为4的充换电站平均每分钟到达2辆汽车,度为3的充换电站平均每分钟到达1辆汽车。快充站的平均充电时间为5 min,换电站的平均换电时间为2 min。通过计算得到的各个充换电站服务效率指标如表6所示。综合各个充换电站平均顾客必须等候概率可得算例1的服务效率为0.917,算例3的服务效率为0.988。
由上可知,位于节点度数大的充换电站因该点交通繁忙、需要服务的车辆多且充电时间长,所以充换电设备的空闲概率低,电动汽车到达该充换电站后需要排队等候的概率大。所以为了降低排队概率、提高服务效率,需要增加充换电设施,或者对需要充换电的电动汽车进行控流处理。
对整个电动汽车充换电服务网,利用层次分析法计算各个指标,得到指标权重如表7所示。对用来计算指标权重的判断矩阵进行了一致性检验,一致性指标CI=0.095,查找相应的平均随机一致性指标[22]可以得到RI=1.12,因此可以计算出一致性比例CR=CI/RI=0.0847<0.1,即判断矩阵符合一致性要求,也即该指标的权重分析合理。
由图8的指标权重分布图可知,配电网的性能指标和服务网的性能指标对整个服务网的影响程度各不相同,但就单个指标而言,行驶可达性和服务可供性2个指标占的比重最大,表明在充换电服务网的建设中,在满足配电网的接纳能力约束范围内,需要重点考虑电动汽车充换电的便捷程度以及充换电站容量等问题。
根据上文电池配送效率、服务可供性指标数值计算结果大小,取综合各项指标评估得分可得如表8所示结果。
由表8可知,3个算例中,由于算例2的负荷超过了配电网的最大可接入负荷量,因此该方案直接被舍弃;余下的2个算例中,经过指标的综合性分析,算例1的综合评分最高,即算例1中的充换电站配置方案使得服务网的服务能力更大。
为了对比分析本文评估框架的综合效果,采用文献[9]的方法计算本文算例,结果如表9所示。
文献[9]实质通过复杂网络理论提出网络服务能力概念,并建立相应指标进行评估决策。根据表9可以得知算例1比算例3的网络服务能力强,即根据文献[9]的方法,算例1的配置方案较优。该结果与本文的计算结果一致,充分反映了本文方法的有效性。此外,本文还考虑了配电网的接纳能力、道路阻塞、充电站类型等多方面因素进行综合评估。故而,本文的评估框架更加充实、全面。
综上,对于电动汽车充换电服务网的建设而言,选择交通流量大的节点进行充换电站建设必定能为更多车辆提供服务,但在现有的充换电设施数量上,整个充换电服务网的服务效率并不高。因此,需采纳加大快充站的充电机功率、增加充换电设备数量、提升换电站的换电效率、加强配电网的供电能力等措施,使得整个充换电服务网络的服务能力得到提高,从而满足电动汽车快速发展的需求。
4 结论
电动汽车充换电服务网的研究具有重要意义,根据研究结果一方面可以选择较好的充换电站建设方案,促进电动汽车的快速增长;另一方面还可以充分调整电网配置,从而降低配电网的投资成本和损耗。本文考虑充换电服务网与配电网的交互关系,通过考虑配电网的接纳能力来初步分析服务网基础设施配置方案的安全可行性,并且提出了配送效率、行驶可达性、服务可供性等系列指标来评估服务网的服务性能。通过3个不同容量、位置的充换电站设置方案的计算,以及与已有方法的对比分析,验证了该综合指标评估框架的可行性与有效性。综上,通过配电网接纳能力约束和服务网的服务性能指标分析,可以为服务网提供初步规划方案的快速筛选,并且能为已有服务网进行评估,从而更好地指导电动汽车充换电服务网的发展。
摘要：着眼于电动汽车充换电服务网的服务特性研究,从而建立各种评价指标,进行服务网基础设施配置分析与评估。首先充分考虑服务网与配电网的交互关系,建立了配电网最大接纳能力模型,对基础设施配置方案进行初步筛选;其次提出了配送效率、行驶可达性、服务可供性等服务网服务性能指标,对可行的方案进行有效评估,并经过多因素综合分析,选出最佳方案。最后通过设置不同容量、位置的充换电站配置方案进行仿真计算,并与已有方法对比分析,充分验证了所提指标的可行性与有效性。所提方法不仅能对现有充换电服务网进行评估,同时也可以为电动汽车充换电站的快速选址定容提供依据。
电动汽车充换电 篇8
充电设施应该是新型能源服务行业
傅毅认为, 发展新能源汽车, 需把充电设施等基础配套当成一个行业去发展。那么首先就要弄清楚充电设施的行业定位问题, 充电设施既然作为一个行业, 因此也就必须要有最起码的规范体系, 如用电价格、服务体系、标准监管等等。
同时, 还需对充电设施进行规范体系的分类。充电桩分为直流充电桩、交流充电桩和交直流一体充电桩。不同的设施应该有基本的结构和地理分布以及合适的比例分配等。更重要的是, 充电设施未来应该是向大数据化、智能化方向发展。
傅毅说, 其实关于充电设施行业的定位问题电网企业和非电网企业已经持续争论了5年。他认为, 充电设施行业应该是一个新型的能源服务行业, 不是简单的电力销售行为, 国家能源规划应该明确这一点。
充电设施行业面临四个问题
傅毅介绍说, 新能源汽车充电设施作为一个新的行业, 目前面临着4个基本问题:一是标准体系和监管;二是规划;三是建设;四是运营。
我国在充电设施方面的标准体系还存在着一定的缺陷, 还没有形成国家和地方政府相对比较完备的体系, 我国在充电设施方面应该按照新的技术标准进行修订。
同时, 我国目前在充电设施方面还存在着很严重的缺乏监管问题。我国目前不管是中央政府还是地方政府, 几乎还没有任何一个部门对充电设施行业进行专门监管。从充电设施的规划到运营事故的处理, 一直以来都是仅仅依靠政府文件应急。对此现象, 傅毅严肃地说到, 目前的充电设施行业可以说是还停留在做实验阶段, 而不是做产业。
对于加强充电设施行业的监管方面, 傅毅说首先必需明确一个政府部门作为监管主体, 明确监管内容和体系是什么, 以及监管的标准等等。标准体系和监管是奠定行业运行发展的最基本条件, 只有具备这个基本条件以后才能接下来对整个网络进行规划和建设实施, 以及解决运营过程中出现的问题。
关于充电设施行业的规划, 傅毅介绍到, 规划有两种:一是国家的规划, 二是各个试点城市在做的规划。国家的规划和地方的规划之间有着明确的分工和不同, 总体来说中央政府的规划是规定基础设施的基本原则, 比如明确交流快充和直流快充基本功能和主体是什么, 地方的规划则是根据中央的要求去做实际操作。另外关于新能源汽车是采取充电还是换电的方式, 争论了5年, 这种争论应该尽快结束, 尽快把基本技术路线定下来。
充电基础设施建设问题
傅毅说, 要建设充电设施, 首先面临的就是土地问题, 这就需要政府层面去协调和解决。
其次是充电设施建设主体问题。充电设施分为两大类:一是交流, 二是直流。直流分为大型充电站, 还有室外的充电机, 这两个体系简单来说, 交流是新能源汽车最主要的常规能源供给, 达到80%~90%的比例, 另外还有不到20%的能源供给是由直流提供的, 包括城市用的新能源出租车和公交车以及大部分乘用车等。应急公共直流充电需要专业运营商来建设, 这个就需要解决投产出和服务定价问题。不同的设施, 不同城市, 不同主体需要做到互联互通, 因此技术方向需要统一。
傅毅介绍说, 目前中石化定的直流充电站, 由于存在着DCDC不一样的问题, 导致这些网络的互联互通成为问题。傅毅建议, 我国在电动汽车充电方面的标准需要进行很多项目的修订, 应该有一个强制性的国家标准。我国目前很多城市都建设了充电设施网络, 可是却没有统一的验收规范, 尤其是消防规范, 导致我国很多居民小区的物业单位由于担心充电设施会带来安全隐患而拒接安装, 直接影响我国充电设施行业的发展。因此, 要想解决充电设施目前的建设问题, 一定需要出台一套完整的标准体系。总之, 新能源汽车要想取得发展和推广, 充换电服务必须要跟上步伐。