純電動公交客車充電站配電容量需求分析

純電動公交客車充電站配電容量需求分析

隨著能源和環(huán)境保護(hù)的增加，以及車輛電驅(qū)動器的發(fā)展，電動汽車已成為汽車行業(yè)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢之一。通過將電動汽車融入社會生產(chǎn)生活，電動汽車對能源的消耗也影響了現(xiàn)有的城市供能系統(tǒng)。以北京為例，當(dāng)現(xiàn)有公交車（包括2萬多輛公交車）所有時，將其改為電動汽車。根據(jù)電動汽車單位的當(dāng)前能耗水平和公交車運(yùn)營時間統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算。確保運(yùn)營的日能耗約為500萬公里。根據(jù)2005年北京市總能耗為57.54萬公里，日平均日能耗為1.56萬公里。因此，對電動汽車的需求分析對于規(guī)劃和未來城市的能源供應(yīng)、負(fù)荷預(yù)測和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要意義。正確的能源預(yù)測預(yù)測和估算也是正確選擇矩陣、開關(guān)、電源和其他裝置的基礎(chǔ)，是確保供電安全運(yùn)行的重要組成部分。一般電氣系統(tǒng)電力負(fù)荷預(yù)測和計(jì)算方法分為兩類:一類是從預(yù)測電量入手,再換算為用電負(fù)荷,如綜合用電水平法、單耗法、增長率法和電力彈性系數(shù)法;另一類是直接預(yù)測用電負(fù)荷的負(fù)荷密度法,即按照單位用地面積負(fù)荷密度或單位建筑面積負(fù)荷密度進(jìn)行電力負(fù)荷預(yù)測.由于電動公交客車充電站具有隨車輛運(yùn)行機(jī)制和動力電池充電特性按照一定規(guī)律使用的特點(diǎn),因此可以按照電動汽車充電運(yùn)行機(jī)制及單車功率需求變化曲線進(jìn)行分析.1電動汽車單車充電影響因素電動汽車充電機(jī)設(shè)計(jì)必須考慮電動汽車動力電池組充電功率需求,充電站建設(shè)必須考慮每臺充電機(jī)所需的功率.若以功率最大的充電機(jī)所需功率為標(biāo)準(zhǔn),乘以充電機(jī)數(shù)量作為充電站建設(shè)的總功率需求,將產(chǎn)生極大的投資浪費(fèi).降低充電機(jī)工作功率將帶來充電時間延長,并且不能滿足快速充電要求.因此對于車隊(duì)運(yùn)營的電動公交客車應(yīng)根據(jù)車輛運(yùn)行機(jī)制安排充電站建設(shè)和充電機(jī)制.對于電動汽車單車充電而言,充電曲線與動力電池組的荷電狀態(tài)有關(guān).單車充電的電流和電壓變化在確定充電方法和充電參數(shù)后是電池荷電狀態(tài)S和充電時間t的函數(shù).記為{Ι=f1(S,t)?V=f2(S,t).(1)式中:I為充電電流;V為充電電壓.電動汽車充電時一臺充電機(jī)所需功率為P(t)=VI/η.(2)式中:P為充電機(jī)所需電網(wǎng)有功功率,是充電時間t的函數(shù);η為充電機(jī)輸出效率.在t≤0或t大于充電時間時,P=0.若一個車隊(duì)有M輛車,發(fā)車時間間隔(發(fā)車周期)為T,則每車收車時間間隔理論上也為T.設(shè)車到車站后立即充電,則車隊(duì)充電所需功率為Pz(t)=q∑n=1P[t-T(n-1)],(q≤M)(3)式中Pz為充電站總功率需求.在q<M時,有電動汽車未進(jìn)入充電隊(duì)列,此時t<Tq.在t=Tq時,第q+1輛車進(jìn)入充電隊(duì)列.在此模型中,通過調(diào)節(jié)充電時間間隔可以控制充電站容量.若充電站容量已經(jīng)確定,還可以通過控制同時充電的電動汽車數(shù)量來限制充電站容量.2動力電池充放電特性①電動公交客車運(yùn)行機(jī)制.在不同的運(yùn)行機(jī)制下,車輛進(jìn)入充電序列的時間不同,動力電池進(jìn)入充電隊(duì)列的容量狀態(tài)也不同,由公式(1)(3)可以看出,充電站功率需求將受到直接影響.總體來說,在一定的運(yùn)行機(jī)制下,動力電池放電深度越大,車輛進(jìn)入充電隊(duì)列時間越集中,充電站電力負(fù)荷越大.②動力電池特性.不同種類動力電池具有不同的充電特性,最佳充電率在0.2～2.0C之間變化.電池系統(tǒng)額定電壓相同的情況下,最高充電電壓由于電池種類、結(jié)構(gòu)型式上的區(qū)別也體現(xiàn)出一定的差別.由式(2)可知,充電電流越大、充電電壓越高,單車充電功率需求越大,導(dǎo)致充電站容量需求越大.③充電方法和充電控制策略.對于不同種類的電池,根據(jù)其特性不同采用不同的充電方法,如恒流法、恒壓法、恒流限壓法及特定曲線法等.在電池組充電控制策略上,無論側(cè)重于電池安全,還是保證最佳續(xù)駛里程,或是兩者之間的折中,充電參數(shù)確定都存在一定差異.④充電機(jī)工作特性.根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、關(guān)鍵元器件構(gòu)成的差異,充電機(jī)分為高頻和相控兩類.兩類充電機(jī)雖然各有優(yōu)勢,但共同的特點(diǎn)是充電效率隨充電電流減小而降低,導(dǎo)致充電功率需求不隨動力電池系統(tǒng)充電功率成正比下降.⑤環(huán)境條件.動力電池充放電工作效率受環(huán)境條件,尤其是環(huán)境溫度的影響.低溫時電池放電效率降低,同樣的運(yùn)行機(jī)制和行駛里程下,車輛能耗高、電池放電深度大.同樣在低溫下動力電池充電效率也降低.因此隨環(huán)境溫度降低,充電站功率需求將增加.3放電限流確定以一個擁有20輛電動公交客車的車隊(duì)為例進(jìn)行仿真計(jì)算.單車充電參數(shù)采用某電動公交客車鋰離子電池組實(shí)際參數(shù),如表1所示.分別以120A和100A為充電限流值,記錄電池組放電約80%后的充電情況,充電曲線如圖1所示.充電曲線分別記錄了兩個充電過程中前4h的情況.從充電過程可以看出,初始電流100A相對于120A,恒流時間長,峰值充電功率小,其余參數(shù)曲線變化情況相似.充電過程在恒流和恒壓轉(zhuǎn)換點(diǎn),即恒流充電至最高限壓時,充電功率達(dá)到最大值.兩種充電方法的峰值功率分別為54.7kW和45.1kW.充電4h后,充入能量分別是157.3kW·h和153.1kW·h.3.1不同充電時間間隔下車輛功率仿真以上述實(shí)際充電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按照等間隔發(fā)車運(yùn)行規(guī)則,由式(3)仿真計(jì)算車隊(duì)充電對變電站功率的需求.仿真時間間隔τ分別取5,10,15min,計(jì)算充電站峰值功率及車隊(duì)充電時間,仿真結(jié)果如表2所示.由單車充電曲線可知,兩種充電方法電池組開始充電和充電結(jié)束達(dá)到的狀態(tài)相似.從表2可以看出,在相同的時間間隔下,車隊(duì)完成充電工作所需時間相同.隨著車輛之間開始充電時間間隔增加,充電站峰值功率需求逐步下降.在相同的時間間隔內(nèi),起始電流小的峰值功率需求小.間隔5min和15min相比,車隊(duì)完成充電所用時間增加約3h,但充電站峰值功率在兩種起始電流情況下都降低約40%.因此適當(dāng)降低充電起始電流,加大車輛充電時間間隔,將有助于降低充電站峰值功率,由此可以帶來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用的大幅度降低.3.2電動公交車充電負(fù)荷需求仿真分析若設(shè)計(jì)充電站額定配電容量為600kV·A,仍以上述充電曲線(圖1)為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真計(jì)算.在達(dá)到充電站峰值功率之前,按照車輛收車順序,即每間隔τ增加1臺充電車輛,達(dá)到充電站峰值功率后,在充電車輛功率需求降低到可以增加充電車輛時,再增加車輛到充電車輛序列中.仍以τ=5min為標(biāo)準(zhǔn),仿真計(jì)算車隊(duì)完成20輛電動公交車充電的功率需求如圖2所示.在此仿真計(jì)算中,部分典型參數(shù)如表3所示.從圖2和表3可以看出,車隊(duì)總充電時間與充電起始電流和單車充電峰值功率增長并不成正比,起始電流大的總體充電時間反而長,并且充電站在550kW以上高功率運(yùn)行時間也是起始電流大的時間長.實(shí)驗(yàn)表明,起始電流100A車隊(duì)充電對充電站功率利用較為均勻.4車載充電站功率①根據(jù)動力電池充電特性建立了電動公交客車充電站電力容量需求的數(shù)學(xué)模型,從運(yùn)行機(jī)制、電池特性等5個方面分析了充電站容量需求的影響因素.②適當(dāng)降低電動公交客車動力電池組充電起始電流,加大車輛充電時間間隔將有助于