基于新能源電動汽車換電站及配電網(wǎng)原理分析

曾祥勝 陶麗芬 劉淑瓊

摘 要：由國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可看，對充換電一體換電站配置的研究成果較少，且很少涉及到換電站動力電池及充電機(jī)的容量配置問題。如何盡可能降低換電站的投資、維護(hù)成本，提出更可靠的優(yōu)化方案，是目前尚未解決的問題。因此文章將以現(xiàn)有的電動汽車換電站充電方式為根據(jù)，對電動汽車接入配網(wǎng)系統(tǒng)后的相關(guān)問題進(jìn)行分析討論，其結(jié)論對現(xiàn)代新能源汽車的接入對配網(wǎng)影響有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：電動汽車；配電網(wǎng)；充電池

中圖分類號：TU852 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0042-02

Abstract： From the research status at home and abroad， it can be seen that there are few research results on the configuration of rechargeable and commutated integrated power stations， and it rarely involves the capacity allocation of power batteries and chargers in the power stations. How to reduce the cost of investment and maintenance as much as possible and put forward a more reliable optimization scheme are unsolved problems at present. Therefore， based on the existing charging mode of electric vehicle for power station， this paper will analyze and discuss the related problems after the electric vehicle is connected to the distribution network system， and the conclusion has certain reference significance to the influence of modern new energy vehicle access on distribution network.

Keywords： electric vehicle； distribution network； rechargeable battery

引言

在現(xiàn)有充電模式下，電動汽車充電也存在著許多問題。比如，如果電動汽車的普及度更加廣泛之時，例如出租車與公交車，由于其數(shù)量龐大，且不允許長時間等候，因此如何提高服務(wù)率，降低排隊的時間便成為其中之一的問題。再者，也是最重要的，如果沒有一個有序的充電次序，將會對電力系統(tǒng)造成巨大的傷害。例如在夏季或者每天的用電高峰時涌入大量的充電負(fù)荷，其中的無功設(shè)備會消耗大量的無功功率，進(jìn)而可能會造成系統(tǒng)的無功功率急劇上升，從而使得用戶電壓降低，進(jìn)而可能會使電網(wǎng)產(chǎn)生崩潰的危險。而如果進(jìn)行有序的充電，不僅可以有效利用資源，在低電價時進(jìn)行充電，減小運營成本，同時也可以起到削峰填谷的作用。

1 換電站類型及結(jié)構(gòu)

電動汽車換電站主要由配電變壓器、充電機(jī)、動力電池組及其更換裝置等部分組成。

（1）充電機(jī)：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，是充電的主要裝置；（2）配電變壓器：接入系統(tǒng)的電壓分布網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換到充電器的額定輸入電壓；（3）動力電池組：由充電機(jī)為其供給電能進(jìn)行充電。這相當(dāng)于普通動力汽車的油箱，提供最基本的動力支持；（4）動力電池組更換裝置：顧名思義，這是為各個車主提供最基本的電池更換服務(wù)。另外，換電站中還應(yīng)配備完成充電和待充電電池組的存儲倉，以及電池傳送裝置。

2 電動汽車換電站原理及類型

交流充電樁，電動汽車更換站是兩種類型的充電設(shè)施，而根據(jù)功能的能力，能力和設(shè)備，根據(jù)其建設(shè)規(guī)?？煞譃槿?，即大型，中型和小型。同時，根據(jù)是否對電動汽車車身分離補(bǔ)充電力的電池，它可分為汽車充電和更換電池的方式有兩種充電。

其中，整車充電方式是通過專用插頭使得充電機(jī)與車輛連接，并與車載的系統(tǒng)管理充電，進(jìn)而完成充電的控制。這種充電方式過程比較容易，不用換卸電池，儲存等過程，故而成本較低；但是因為整車充電會使得車輛占用充電樁，從而占用一定的運營空間與時間，從而使得利用率較低，更不利于維持電池的使用壽命，從而使得維修費用加大。

而電池更換的方式可以使得車輛在短時間內(nèi)離開從而保證充電站的繼續(xù)運營，減小排隊時間，從而提高服務(wù)質(zhì)量，而且可以提高電池組的均衡性，從而降低電池的維修費用。但是這樣會增加充電機(jī)的數(shù)量，線路排布復(fù)雜，數(shù)量較多，設(shè)備成本較高。

不同的充電方式有其不同的特點，所以使用范圍也有所不同。在實際的應(yīng)用過程中，需要結(jié)合車輛的種類、數(shù)量，電池的性能，運營的成本等諸多因素進(jìn)行最優(yōu)的選擇。在實際中，郵政車、商務(wù)車、工程車和公車適合某一停車場的整車充電，而出租車更適合短時間內(nèi)的電池更換。

下面我們對不同的充電方式做一個定量化的對比。整車充電方式中根據(jù)其時間長短還可以細(xì)分為快速充電和普通充電。

（1）普通的充電方式。顧名思義，這是一種耗時比較長的方式。這種方式更多的應(yīng)用于廣大的停車場或者居民區(qū)、停車場等等。其充電的時間會持續(xù)6到10個小時。而充電時的額定電流平均在15安培左右。且充電樁的成本也比較低，大約在2萬元左右。同時，這種方式可以滿足低谷充電的要求。但是這種模式的缺點在于充電樁的集體修建會消耗大量的用地面積，維修費用比另外兩種方式較大，并且排隊數(shù)量和時間也會加大。

（2）快速的充電方式。這種方式的持續(xù)時間會維持在15分鐘到半個小時，因此其充電電流較大，大約在200到400安培。而這種充電方式必然會應(yīng)用于車流量較大，或者郊外的主干道旁。因此，高速公路的服務(wù)區(qū)、大城市的外環(huán)路都可以成為這種方式存在的主要區(qū)域。而因為其充電更為方便快捷，成本自然會比較高昂，據(jù)有關(guān)人員估算，此換電站的費用會在300到500萬，如此看來成本非常高，且維修的費用也比較高昂。同時，由于其不會刻意安排充電時間，屬于隨到隨充，因此其對電網(wǎng)的沖擊較大，無法很好的實現(xiàn)谷荷充電。

（3）電池更換。此種充電方式應(yīng)用的特點可以涵蓋上述兩種方式，既可以應(yīng)用于高速公路、省級公路，又可以應(yīng)用于城市主干道和居民區(qū)。因為此種方式不用馬上充電，因此車主在換電服務(wù)消耗的時間可能只需要5分鐘。同時，換下的電池可以集中安排充電，充電電流一般維持在30A上下。也正因為如此，電動汽車換下的電池可以在低谷時段進(jìn)行充電，在提高安全性和可靠性的前提下，又可以確保第二天的換電服務(wù)正常展開。此種方案的成本大約是正常換電站的1.6倍，并且維修和管理費用也比較合適。

3 可行的相關(guān)方案

根據(jù)上文所列的相關(guān)問題，并結(jié)合智能電網(wǎng)和大規(guī)模應(yīng)用電動汽車的環(huán)境下，提出以下的可行方案。

3.1 換下就充策略

此策略的優(yōu)點在于可以在比較快的速度內(nèi)完成充電，充電時間可以控制在10分鐘之內(nèi)。因為人口的原因，在大規(guī)模普及電動汽車的背景下，在生活壓力的促使下，更換電池的人數(shù)與電池數(shù)量必將陡然上升，這必然會增加電池更換的壓力。因此這種策略非常適合人口聚集的東部特大城市，例如上海，北京，廣州等，或者類似于北京回龍觀小區(qū)的人口聚居區(qū)。但因為此充電模式會在全天的任意時間內(nèi)充電，且大部分時間是在人頭攢動的白天，因此在用電高峰時段也會存在充電的可能性，這樣會對電網(wǎng)造成一定的威脅。雖然此策略會存在一定的威脅，但是此種方案可以滿足換電服務(wù)要求，減小排隊時間，因此只要可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，也可以將威脅降到最低。

3.2 高電價時不充

此種用電策略避開高電價，可以有效減小換電站的運營成本，同時可以有效避開用電高峰，進(jìn)而減小對電力系統(tǒng)的沖擊。同時，此種充電方案可以在低成本的情況下有效增加白天的充電量，進(jìn)而可以提高服務(wù)的質(zhì)量。因為高電價時段周圍的時間基本都是平荷時段，這會將在峰荷時段積攢的電池數(shù)量加到平荷時段，從而使得平荷時段的電池數(shù)量陡然上升，這也會對服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生一個不小的挑戰(zhàn)。另外，因為平荷時段的電價相比較于低谷時段也有非常大的差距，因此這種方案所產(chǎn)生的成本問題對客戶來說也是一個不小的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，相比較于方案一，此方案也可以作為一種不錯的運營方式。

3.3 低電價時段充

因為低電價時段一般都是在傍晚之后，因此此種方案大部分時間會在晚上進(jìn)行充電。這種充電方式可以大量用于居民小區(qū)。這種充電方式會使得晚上的充電電池數(shù)量非常龐大，這對于換電站工作人員對于充電的調(diào)度和有序進(jìn)行是一個不小的挑戰(zhàn)。雖然這種方式有其一定的缺點，但是因為晚上的電價相比于白天會有非常大的落差，這對于擁有電動汽車的廣大民眾是一個非常的優(yōu)惠。同時，雖然晚上充電可能會導(dǎo)致白天的充電量不足，但是這樣可以在晚上充電完全，從而保證第二天不因為電量不足而被迫充電。據(jù)資料顯示，當(dāng)充電完全后，在第二天能夠行駛的平均距離在100公里以上，這樣以矣保證安全運營。同時，在低谷充電可以有效減小對電網(wǎng)的威脅，將危險降低到最小。因此，此種方案可以成為一種運營方案。

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