換電模式下的電動(dòng)汽車(chē)預(yù)約換電引導(dǎo)策略

廣東工業(yè)大學(xué) 周萬(wàn)陽(yáng) 陳均泳

電動(dòng)汽車(chē)以其高能效、零排放、低噪聲等優(yōu)勢(shì)，成為各國(guó)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效手段之一，規(guī)?；妱?dòng)汽車(chē)的應(yīng)用是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。在國(guó)務(wù)院新聞辦公室舉行的2020年上半年工業(yè)通信業(yè)發(fā)展情況新聞發(fā)布會(huì)上，工信部表示將大力推進(jìn)充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，鼓勵(lì)企業(yè)研發(fā)換電模式車(chē)型。然而，規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序的充電行為可能會(huì)造成“峰上加峰”的現(xiàn)象，加大電網(wǎng)峰谷差，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性，使充電設(shè)施維護(hù)成本加大。因此，合理引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的充電行為，對(duì)改善各方運(yùn)行狀況十分重要。

目前，已有許多學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行研究。戴依諾、戴忠提出建立電動(dòng)汽車(chē)快速預(yù)約充電模型，并采用迪杰斯特拉算法進(jìn)行求解，解決了以往預(yù)約充電系統(tǒng)存在的不能預(yù)測(cè)用戶(hù)到某個(gè)充電站的最短時(shí)間的問(wèn)題。黃晶、楊健維,王湘,何正友提出的有序充電策略考慮了用戶(hù)出行距離、時(shí)間及充電站設(shè)備利用均衡率，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的有序充電引導(dǎo)。李?lèi)?ài)軍、婁莉提出了一種長(zhǎng)期利潤(rùn)最大化的充電調(diào)度策略，建立以電動(dòng)汽車(chē)排隊(duì)時(shí)長(zhǎng)最小化和充電站長(zhǎng)期利潤(rùn)最大化為目標(biāo)的充電模型，并提出一種新的充電站調(diào)度算法進(jìn)行求解。Y.Cao,N.Wang,G.Kamel and Y.Kim提出一種基于發(fā)布/訂閱機(jī)制的有效通信框架能夠?qū)⒊潆娬镜谋匾畔鞑サ诫妱?dòng)汽車(chē),通過(guò)仿真分析了該通信框架的優(yōu)勢(shì)，并基于此提出了預(yù)約服務(wù)以便電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行最佳充電站的選擇。

然而，以上研究電動(dòng)汽車(chē)都采用整車(chē)充電而未考慮更加便捷的換電模式，目前業(yè)內(nèi)對(duì)換電模式下的電動(dòng)汽車(chē)充電調(diào)度問(wèn)題的研究尚未成熟，主要研究方向集中在換電站設(shè)施位置選擇、運(yùn)營(yíng)模式和對(duì)電網(wǎng)的影響等方面，而對(duì)電動(dòng)汽車(chē)選擇最佳換電站的研究甚少。曹一家、劉易珠、闕凌燕、盧敏、李勇、黃小慶、辛建波考慮電網(wǎng)運(yùn)行、大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)充換電需求等約束，建立換電站與電網(wǎng)協(xié)調(diào)的多目標(biāo)雙層實(shí)時(shí)充放電調(diào)度模型。楊東海、劉建勇、馬紅濤、馬彬從用電成本分析、電池租賃形式、盈利模式分析、電池的運(yùn)營(yíng)模式以及換電衍生服務(wù)等方面對(duì)換電商業(yè)模式進(jìn)行探討。

本文考慮采用便捷的換電模式進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)預(yù)約換電引導(dǎo)策略研究。首先，介紹換電站的電池管理和電動(dòng)汽車(chē)與換電站信息交互的通信框架。接著提出電池可用時(shí)間預(yù)測(cè)算法和電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間預(yù)測(cè)算法，利用電動(dòng)汽車(chē)提前預(yù)約來(lái)規(guī)劃各車(chē)輛的換電站選擇，引導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)選擇最佳的換電站。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證所提引導(dǎo)策略的可行性與優(yōu)越性。

1 換電站服務(wù)管理

1.1 換電模式

充換電站現(xiàn)有的服務(wù)模式是用戶(hù)到充換電站接受服務(wù)，稱(chēng)為到站式服務(wù)。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)，到站式服務(wù)分為充電和換電模式兩種，其中充電模式是即為插電模式，服務(wù)方式是提供充電樁進(jìn)行充電，充電方式主要有快充和普通充電。隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，考慮到充電時(shí)間長(zhǎng)，建設(shè)局限大等原因，充電模式逐漸發(fā)展為換電模式，此時(shí)電池可以從車(chē)身分離進(jìn)行充電與電池更換服務(wù)，充換電站發(fā)展為“換電為主、充電為輔”的新模式。

1.2 電池管理

換電模式下，換電站使用循環(huán)可替換的電池為電動(dòng)汽車(chē)提供電池更換服務(wù)，因此電池循環(huán)分為電池更換階段和電池充電階段。在電池更換階段，車(chē)輛到達(dá)換電站后，從可用電池堆里獲取充好電的電池，而拆卸下來(lái)的電池進(jìn)去到待充電池隊(duì)列。在電池充電階段：待充電池進(jìn)入充電樁進(jìn)行充電，充好電的電池進(jìn)入可用電池堆。電池循環(huán)過(guò)程如圖1所示。

根據(jù)電池循環(huán)過(guò)程，換電站對(duì)電池進(jìn)行如下管理：

圖1 電池循環(huán)過(guò)程

車(chē)輛到達(dá)換電站后，若此刻可用電池堆存在充好電的電池，則直接進(jìn)行電池更換，可用電池?cái)?shù)量減1，拆卸的電池進(jìn)入待充電電池隊(duì)列；否則，排隊(duì)等待直至有可用的電池，排隊(duì)順序取決于預(yù)約時(shí)間。

換電站時(shí)刻監(jiān)視待充電電池隊(duì)列和充電樁使用情況，若電池隊(duì)列存在待充電電池，系統(tǒng)首先判斷是否存在空閑的充電樁，如果有空閑，先對(duì)電池隊(duì)列的電池當(dāng)前電量進(jìn)行降序排序，再按序充電，直到不存在空閑的充電樁。由于拆卸的電池電量不一致，優(yōu)先安排電量較大的電池進(jìn)行充電有助于緩解換電站高峰期的擁塞程度。

當(dāng)充電樁使用率不高于設(shè)定的閾值時(shí)，采用普通充電方式；否則采用快充。當(dāng)有一充電樁的電池充好電后，此時(shí)該充電樁狀態(tài)為空閑，可用電池堆數(shù)量加1，若有待充電電池，則進(jìn)入到該充電樁充電。

2 通信框架

電動(dòng)汽車(chē)的預(yù)約換電調(diào)度可以分為集中式和分布式兩種。在集中式調(diào)度是由全局控制器(Global Controller,GC)執(zhí)行換電管理，即隨機(jī)分布的電動(dòng)汽車(chē)由全局控制器統(tǒng)一進(jìn)行換電調(diào)度。不同于集中式調(diào)度依靠點(diǎn)到點(diǎn)的同步交互，本文基于發(fā)布/訂閱機(jī)制的通信模型實(shí)現(xiàn)換電站與電動(dòng)汽車(chē)的通信交互，在該模型下的通信流程如圖2所示。

圖2 發(fā)布/訂閱通信框架

3 預(yù)約換電引導(dǎo)策略

基于電動(dòng)汽車(chē)的預(yù)約換電通信模型，電動(dòng)汽車(chē)與換電站之間實(shí)現(xiàn)信息交互，進(jìn)而利用雙方的狀態(tài)信息，通過(guò)合理的算法轉(zhuǎn)化為車(chē)輛調(diào)度所需信息，本文考慮用戶(hù)對(duì)換電等待時(shí)間的偏好，車(chē)輛根據(jù)最短的等待時(shí)間做出最佳的換電站選擇。

3.1 電池可用時(shí)間預(yù)測(cè)

換電站根據(jù)電池充電狀態(tài)估算每個(gè)充電樁的可用充電時(shí)間。充電過(guò)程為多個(gè)充電樁的并行充電，分別定義兩種類(lèi)型的隊(duì)列。正在充電的電池隊(duì)列定義為Nc，待充電池隊(duì)列定義為Nd。換電站電池可用時(shí)間預(yù)測(cè)算法如算法1所示。

當(dāng)換電站的可用電池?cái)?shù)量不為零時(shí)，車(chē)輛到達(dá)換電站后可以立即進(jìn)行電池更換，因此電池可用時(shí)間ATB定義為網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前時(shí)間Tcur，可用電池對(duì)應(yīng)的Tcur逐個(gè)添加到電池可用時(shí)間列表ATBLIST。而有電池正在充電時(shí)，ATB根據(jù)算法1得出。電池從當(dāng)前能量狀態(tài)到最大電量的充電時(shí)間為，其中β為充電效率，分別為電池的最大電量和當(dāng)前電量。因此，對(duì)于正在充電的電池，電池充電完成時(shí)間即ATB為，并將其添加到

并替換ATBLIST列表首位即最早的時(shí)間點(diǎn)。對(duì)ATBLIST中的電池循環(huán)此操作，直至所有電池充電完成時(shí)間計(jì)算完畢，返回ATBLIST。

3.2 電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間預(yù)測(cè)

電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)訂閱各個(gè)換電站的信息，獲取每個(gè)換電站的位置和列表以及所有電動(dòng)汽車(chē)的預(yù)約情況，需要說(shuō)明的是，預(yù)約情況經(jīng)過(guò)處理不涉及用戶(hù)隱私。同時(shí)需要獲取車(chē)輛自身的位置和行駛速度v，使用Dijkstra算法計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)行駛到換電站的距離D。則電動(dòng)汽車(chē)到達(dá)換電站的時(shí)間Tarr表達(dá)式為：

對(duì)于某一換電站，已預(yù)約而未達(dá)到換電站的電動(dòng)汽車(chē)隊(duì)列定義為Nr，ATBLIST列表首位表示的最早的電池可用時(shí)間定義為T(mén)f，則對(duì)應(yīng)的電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間Tw可由算法2進(jìn)行估算。

算法2遵循先到先服務(wù)(First Come First Serve，F(xiàn)CFS)的策略對(duì)Nr隊(duì)列進(jìn)行排序，它們的預(yù)約過(guò)程將通過(guò)該次序被調(diào)度。使用算法1所返回的ATBLIST得到對(duì)應(yīng)換電站的電池可用時(shí)間，在此基礎(chǔ)上計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)在該換電站的等待時(shí)間。為了動(dòng)態(tài)地更新ATBLIST，需要計(jì)算預(yù)約的電動(dòng)汽車(chē)電池充電完成時(shí)間，并替換ATBLIST首位。在對(duì)Nr隊(duì)列循環(huán)操作時(shí)，先將ATBLIST升序排序，使得Nr中每輛電動(dòng)汽車(chē)的達(dá)到時(shí)間能夠與最早的電池可用時(shí)間比較以用于下一步計(jì)算。電池可用時(shí)間列表ATBLIST。

ATBLIST按照升序排列，當(dāng)Nd=0，返回ATBLIST。當(dāng)Nd＞0時(shí)，Nd按照最短充電時(shí)間優(yōu)先(Shortest Charging Time First,SCTF)的順序進(jìn)入到充電樁，對(duì)于Nd中的等待充電的電池j，其未來(lái)完成充電的時(shí)間表達(dá)式為：

（1）如果Tarr＜Tf，意味著車(chē)輛到達(dá)換電站時(shí)需要等待電池充電完成，此時(shí)電池充電完成時(shí)間和電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間由式(3)(4)所示。

（2）如果Tarr ≥ Tf，意味著車(chē)輛到達(dá)換電站時(shí)已經(jīng)有完成充電的可用電池，此時(shí)電池充電完成時(shí)間由式(5)所示。

其中，Ts為進(jìn)行電池更換所耗的時(shí)間。而此時(shí)電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間Tw= 0。

3.3 最優(yōu)換電站選擇

電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)算法2獲取到達(dá)每個(gè)換電站的等待時(shí)間，在能夠到達(dá)的所有換電站中，選擇等待時(shí)間最少的換電站。函數(shù)T(x)表示換電站x與對(duì)應(yīng)的等待時(shí)間的映射關(guān)系，則最優(yōu)換電站選擇可由式(6)表示。

式中：Dmax為當(dāng)前時(shí)刻電動(dòng)汽車(chē)能夠行駛的最大距離，D(x)為換電站與對(duì)應(yīng)的x和電動(dòng)汽車(chē)之間的距離的映射關(guān)系。

4 算例分析

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文采用Y.Cao,N.Wang,G.Kamel and Y.Kim文中基于ONE仿真器構(gòu)建用于電動(dòng)汽車(chē)充電的整個(gè)系統(tǒng)模型，場(chǎng)景為使用赫爾辛基市中心區(qū)地圖模型，仿真區(qū)域范圍為4500m×3400m，仿真時(shí)間為21600s。為滿(mǎn)足要求，假設(shè)換電站的電池和所有電動(dòng)汽車(chē)采用相同規(guī)格的電池，即特斯拉Model S所配備的電池，其參數(shù)為電池容量90kWh以及續(xù)航里程557km。電動(dòng)汽車(chē)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)速度為3～12m/s，初始電池SOC滿(mǎn)足正態(tài)分布，并設(shè)定當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的電荷狀態(tài)SOC＜30%時(shí)開(kāi)始選擇換電站，且預(yù)約換電時(shí)間滿(mǎn)足泊松分布。整個(gè)模擬中設(shè)置5座換電站，每座換電站配備8個(gè)充電特斯拉V3超級(jí)充電樁，充電功率高達(dá)250kW。同時(shí)為了簡(jiǎn)化仿真，假設(shè)RSU全覆蓋，并且電動(dòng)汽車(chē)與換電站的信息交互沒(méi)有時(shí)延。

4.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述設(shè)置的基礎(chǔ)參數(shù)，本文對(duì)所提出的換電模式下的預(yù)約換電引導(dǎo)策略在不同情況下進(jìn)行仿真，并與其他充電調(diào)度策略進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算分析結(jié)果如下。

預(yù)約換電是指本文所提電動(dòng)汽車(chē)采用換電模式并在預(yù)約換電引導(dǎo)策略下進(jìn)行有序的換電站選擇；非預(yù)約換電則直接采用換電模式進(jìn)行無(wú)序的換電站選擇；預(yù)約充電是指電動(dòng)汽車(chē)采用整車(chē)直充模式，采用電動(dòng)汽車(chē)充電調(diào)度策略。為了分析本文所述策略的優(yōu)勢(shì)，仿真從兩個(gè)重要的性能指標(biāo)入手，即平均等待時(shí)間和充/換電站利用率。

由圖3可知，當(dāng)車(chē)輛數(shù)量在800以?xún)?nèi)時(shí)不同策略下電動(dòng)汽車(chē)的平均等待時(shí)間波動(dòng)不大，這是由于車(chē)輛數(shù)量較少，并未造成長(zhǎng)時(shí)間的擁塞。隨著車(chē)輛數(shù)量的增加，在預(yù)約換電和預(yù)約充電的策略下，電動(dòng)汽車(chē)的平均等待時(shí)間穩(wěn)步增加；而在非預(yù)約換電策略下，平均等待時(shí)間的增幅有些許波動(dòng)，這是因?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)進(jìn)行無(wú)序的換電站選擇造成的。在不考慮成本的情況下，可以得出在預(yù)約換電的策略下，電動(dòng)汽車(chē)的平均等待時(shí)間比非預(yù)約換電減少17.4%，比預(yù)約充電減少37.4%。前者是因?yàn)樵陬A(yù)約換電引導(dǎo)作用下，車(chē)輛擁塞減緩，從而減少電動(dòng)汽車(chē)的等待時(shí)間；后者則是因?yàn)樵趽Q電模式下，電動(dòng)汽車(chē)更換電池比所消耗的時(shí)間整車(chē)直充少，而且換電站的備用電池極大地提高換電站的負(fù)載能力，從而減緩車(chē)輛擁塞。因此，本文所述的預(yù)約換電引導(dǎo)策略在減緩車(chē)輛擁塞和減少電動(dòng)汽車(chē)等待時(shí)間上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖3 不同策略下的電動(dòng)汽車(chē)平均等待時(shí)間對(duì)比

圖4(a)為非預(yù)約換電下電動(dòng)汽車(chē)到達(dá)各個(gè)換電站的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量圖，其中電動(dòng)汽車(chē)總數(shù)量一定，橫坐標(biāo)為選取的3個(gè)車(chē)輛密度不同的時(shí)間段（60min），時(shí)長(zhǎng)相等，代表著高、中、低3個(gè)不同的擁塞程度，以計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的車(chē)輛累計(jì)數(shù)量?？捎^察到電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷分布不均勻，較多的集中在換電站2、5，在車(chē)輛密度高時(shí)可能造成在某些負(fù)荷較高的換電站，電動(dòng)汽車(chē)需要排隊(duì)等待換電，而其他換電站有閑置的現(xiàn)象，從而使電動(dòng)汽車(chē)的平均等待時(shí)間增大，嚴(yán)重影響換電站的運(yùn)行效率。

圖4 非預(yù)約換電和預(yù)約換電下各個(gè)換電站電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量對(duì)比

換電模式下的預(yù)約換電引導(dǎo)策略將充電設(shè)備閑置的部分換電站進(jìn)行充分利用，考慮了換電站負(fù)荷的均衡性，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序引導(dǎo)，結(jié)果如圖4(b)所示，可以看出不同時(shí)間段各個(gè)換電站的電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷分布較均勻，保證均衡性會(huì)使某些車(chē)輛在路程上的消耗時(shí)間較長(zhǎng)，但是可以為其避免車(chē)輛擁塞，減少等待時(shí)間。

綜上，針對(duì)某區(qū)域內(nèi)規(guī)?；碾妱?dòng)汽車(chē)在換電模式下采取的預(yù)約換電引導(dǎo)策略，在減少用戶(hù)等待時(shí)間的同時(shí)，能有效減緩車(chē)輛擁塞、提高換電站利用率。由于換電站設(shè)施等限制，電動(dòng)汽車(chē)總量增加到一定量時(shí)會(huì)影響控制效果。

5 結(jié)論與展望

日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染、政府支持、行業(yè)轉(zhuǎn)移和消費(fèi)者需求等因素促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的快速研發(fā)和突破性發(fā)展，使其成為下一代綠色低碳汽車(chē)發(fā)展的重要方向。然而電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模引入可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生明顯影響，同時(shí)用戶(hù)對(duì)續(xù)駛里程存在焦慮、充換電站基礎(chǔ)設(shè)施利用不均等問(wèn)題亟待改善。本文在掌握一定理論的基礎(chǔ)上提出一種換電模式下電動(dòng)汽車(chē)預(yù)約換電引導(dǎo)策略，利用發(fā)布/訂閱機(jī)制的通信框架實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)和換電站的信息交互，利用電動(dòng)汽車(chē)提前預(yù)約來(lái)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行換電引導(dǎo)，這對(duì)緩解里程焦慮、環(huán)節(jié)擁塞、縮短車(chē)輛充電等待時(shí)間和平衡換電站利用率等問(wèn)題具有一定的實(shí)際意義。本文雖然提出并驗(yàn)證一種換電模式下電動(dòng)汽車(chē)預(yù)約換電引導(dǎo)策略的可行性，但受限于時(shí)間、個(gè)人能力以及資源等因素，該方向還有許多問(wèn)題需要深入研究，例如整合電力網(wǎng)絡(luò)、考慮用戶(hù)偏好以及運(yùn)營(yíng)商的效益問(wèn)題。未來(lái)的工作將在這幾個(gè)方面展開(kāi)研究。