CN102855527A - 一种快换式电动汽车充电站经济运行优化策略 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快换式电动汽车充电站经济运行优化策略，包括以下步骤：基于充电速度和车辆进站流量，推导充电生产能力和进站需求电池数量；根据运行时间段，设定充电生产能力高于进站需求电池数量一定的裕量，求出充电设备投入运营数量。本发明既能满足进站换电需要，又可最大程度节约电费。

Description

一种快换式电动汽车充电站经济运行优化策略

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种快换式电动汽车充电站经济运行优化策略。

背景技术

目前，电动汽车充电站的发展非常迅速，已经有多个电池快换式充电站投入运营，普遍采用的运营方式是即插即充：待换电车辆进站后，如已有充好的电池，便换上新充好的电池，同时把用过的电池拆下后立即充电，并不考虑基于峰谷分时电价的经济运行调度。

在当日运营末期，回站车辆卸下的已用电池将用于次日换电。此时，一些快换式充电站会将这批电池在夜间低估电价期间充电，以节省电费。然而，在整个运营期间内，并没有相应的经济运行策略。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快换式电动汽车充电站经济运行优化策略，根据进站换电车辆流量的历史数据，智能控制充电机对电池的充电进度，在尽量不造成车辆等待的前提下，将充电任务平移至电价较低时段，从而节能电费支出，达到充电站经济运行目的。

为了达到以上目的，本发明实施例公开了一种快换式电动汽车充电站经济运行优化策略，包括以下步骤：

基于充电速度和车辆进站流量，推导充电生产能力和进站需求电池数量；

根据运行时间段，设定充电生产能力高于进站需求电池数量一定的裕量，求出充电设备投入运营数量。

进一步，作为一种优选，裕量为零。

进一步，作为一种优选，如果所述运行时间段为电价最低，则对充电设备投入运营数量不作限制。

本发明通过进站换电车辆流量的历史数据，智能控制充电机对电池的充电进度，在尽量不造成车辆等待的前提下，将充电任务平移至电价较低时段，从而节能电费支出，达到充电站经济运行目的。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明实施例运行优化策略流程图；

图2为北京奥运电动公交充电站日进站流量图；

图3为已充电池累积量与电池需量曲线图；

图4为电池需量与累积量仿真结果图；

图5为充电机限流阶段输入功率曲线及拟合结果图；

图6为即插即充方式下日充电负荷曲线图；

图7为智能投切方式下日充电负荷曲线图。

具体实施方式

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和***的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

如图1所示，一种快换式电动汽车充电站经济运行优化策略，包括以下步骤：

S1、基于充电速度和车辆进站流量，推导充电生产能力和进站需求电池数量；

S2、根据运行时间段，设定充电生产能力高于进站需求电池数量一定的裕量，求出充电设备投入运营数量。

本发明实施例通过分析快换式充电站换电规律及其对电池需量的影响，研究了求取充电设备控制数量最优限值的算法，据此提出了以移峰填谷为目标的经济运行优化策略。以下结合图进行详细说明。

1、电池需量分析

电能补充速度快是快换式电动汽车充电站的主要优点，公共运营车辆多采用此种方式，如公交车、环卫车等。该类型充电站必须配置一定数量的备用电池，并采用即插即充的运营模式：车辆进站后快速换装已经充好的备用电池，将拆下的已用电池接入充电机并立即开始充电。快换式充电站的换电能力要根据进站流量进行设计和论证，确定充电机和备用电池的合理数量以求达到最佳匹配，满足进站电动车辆的换电需求且具备一定裕量。因此，研究经济运行优化策略首先应对车辆进站流量进行分析。

假设充电站车辆进场流量服从以下公式：

d=D(t)                  (1)

式中，t为时间，单位为小时，t为0即表示每日的0点整，d为车辆进站密度，单位为辆/小时。

由式(1)可以得到电池需量公式：

n_r(t)=∫D(t)dt          (2)

设电池的充电时长为T_c，备用电池数量为b₀，则描述电池累积量的公式为：

n_f(t)=b₀+∫D(t-T_c)dt    (3)

则电池裕量为：

n_d(t)=n_f(t)-n_r(t)       (4)

快换式充电站的设计应满足电池裕量在任意时刻都大于0，这与充电设备数量、备用电池数量都有关系。以北京奥运电动公交充电站为例，备用电池27组，每组电池的平均充电时间约为2小时，正常工作日（周一至周五）的公交车进站换电流量如图2所示。

利用式(2)可求得充电站每日电池需量数据，利用式(2)可求取即插即充方式下已充电池的累积量，结果如图3所示，两条曲线没有相交点，满足进站换电需求，两曲线相距最窄处发生在19点30分，最小值为7组，可见已充电池有充足裕量。

2、充电设备投运数量对电池供需关系的影响

即插即充方式是快换式充电站普遍采用的电池更换策略，已用电池插接充电设备后，利用充电监控***自动启动充电。该方式的主要优点是管理简单，可充分利用备用电池总量产生充足的已充电池裕量。然而，由于快换式充电站的进站流量与交通流量具有紧密相关性，用电负荷集中于白天且覆盖电网负荷的高峰段，如果不采取合理的优化策略，就必然造成较高的电费成本，也不符合电网负荷移峰填谷的调节目标。

针对电网峰谷分时政策的时段划分，限制充电设备在峰段和平段的投运数量，适当降低已充电池裕量，可以将充电负荷移至谷段，从而达到经济运行的目的。然而，普通动力电池的充电时长至少是几十分钟，启动充电设备为电池充电的操作需要经过一段时间后才会影响到已充电池累积量，进而影响到电动车辆的进站换电。因此，必须对电池的供需关系进行研究分析，利用控制算法确定充电设备投运数量及其边界条件。

设峰谷电价某个时段的起始时刻和终止时刻分别为t₁和t₂，时段总长为T_s，当日第1次换电时刻为t₀，充电设备投运数量限值为m台。由于限制充电设备投运数量所产生的影响将一直延续到充电过程结束，所以电池裕量的最低点发生在t₂+T_c时刻，此时电池需量由式(2)计算得到：

$n_r(t_2+T_c)=\underset{t=t_0}{\overset{t_2+T_c}{\∫}}D\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

已充电池累积量为：

$n_f(t_2+T_c)=b_0+\underset{t=t_0+T_c}{\overset{t_1}{\∫}}D(t-T_c)\mathrm{dt}+\underset{t=t_1}{\overset{t_2+T_c}{\∫}}\frac{m}{T_c}\mathrm{dt}---\left(6\right)$

对式(6)变量进行替代，得到：

$n_f(t_2+T_c)=b_0+\underset{x=t_0}{\overset{t_1-T_c}{\∫}}D\left(x\right)\mathrm{dx}+\frac{T_s+T_c}{T_c}---\left(7\right)$

则电池裕量为：

$n_d(t_2+T_c)=n_f(t_2+T_c)-n_r(t_2+T_c)$

$=b_0-\underset{x=t_1-T_c}{\overset{t_2+T_c}{\∫}}D\left(x\right)\mathrm{dx}+\frac{T_s+T_c}{T_c}\·m---\left(8\right)$

令式(8)等于0，求得充电设备投运数量限值的最小值（最优边界）：

$m_{\mathrm{opt}}=(\underset{t=t_1-T_c}{\overset{t_2+T_c}{\∫}}D\left(t\right)\mathrm{dt}-b_0)\·\frac{T_c}{T_s+T_c}---\left(9\right)$

式(9)具备通用性，据此可以计算出设定时段内充电设备投运数量的最优限值。由公式可知，备用电池数量越充足则充电设备可调节幅度越大，优化效果就越明显。

3、经济运行优化策略的应用分析

以北京奥运电动公交充电站为例对经济运行优化策略的应用效果进行仿真验证，包括两个方面：运行优化方案的可行性和充电负荷的移峰填谷效果。

3.1充电机投运数量最优限值的求解及校验

表1是北京市峰谷分时销售电价表，深夜和凌晨的连续8小时为谷段，其他时间则为峰段和平段。根据峰谷分时电价时段的划分，根据式(9)可求出多个充电机投运数量的最优限值。以首个峰段为例，时间为10点至15点，令b₀=27，T_c=2，T_s=5，图2所示进站流量为分段函数且均为常数，很容易计算出充电机投运数量的最优限值：

$m_1=(\underset{t=8}{\overset{10.5}{\∫}}7.5\mathrm{dt}+\underset{t=10.5}{\overset{11.5}{\∫}}6\mathrm{dt}+\underset{t=11.5}{\overset{17}{\∫}}7.5\mathrm{dt}-27)\·\frac{2}{7}$

$=11$

因此，在首个峰段内将充电机的投运数量限制为11台后，在满足进站换电需求的前提下该区段的用电量降至最小。

第2个峰段从18点至21点，由于充电时长为2小时且最后发车时刻为22点30分，所以该时段内充电机投运数量限值为：

$m_1=(\underset{t=16}{\overset{17.5}{\∫}}7.5\mathrm{dt}+\underset{t=17.5}{\overset{19.5}{\∫}}10\mathrm{dt}+\underset{t=19.5}{\overset{22.5}{\∫}}6\mathrm{dt}-27)\·\frac{2}{4.5}$

$=9$

其余时段的控制策略和限值参见表2，表中谷段也限制了充电机的投运数量，目的是减小充电负荷的峰值。

表1北京市峰谷分时销售电价表（夏季，部分）

注：一般工商业，1~10kV。

表2充电机投运数量限值表

注：维持是指完成现有充电任务，但不启动新充电任务。

编写仿真程序对最优限值进行校验，仿真周期为1天（1440分钟），步进间隔为1分钟，设等待换电的电动汽车数量为b，处于工作状态的充电机数量为c，已充完的电池数量为d，时间进度为t，仿真步骤如下：

1)初始化有关数据并根据图1生成电动汽车进站时刻表。

2)时间进度t=t+1，检查是否有电动汽车进站，是则b=b+1。

3)判断该时刻属于哪种时段类型，然后根据表2设置充电机投运数量的限值。

4)检查每组电池的状态：如正充电则充电进度增1；如达到充电时长则设置为充电完成状态；如充电完成则d=d+1；如等待充电且控制策略不是维持则设置为充电状态。

5)统计处于工作状态的充电机数量，如超过限值则首先停止电池充电进度最少的充电机，将状态设置为等待，如仍超过限值继续执行第5步。

6)检查时间进度t是否达到设定值，是则停止并输出结果，否则跳到第2步。

仿真结果如图4所示，第一次调节在12点时对电池累积量产生影响，使裕量不断减小且在17点时达到最小值；第二次调节在19点20分左右产生影响，在22点30分裕量达到最小值，且与需量曲线产生交点，完成了最后一班公交车的换电任务，当日未出现换电延迟。

因此，式(9)计算出的最优限值比较准确，充分利用了充电站备用电池的数量，最大程度地限制了充电设备投运数量。在实际运行中，可根据具体情况适当提高限值以增大已充电池的裕量，有效保证进站车辆的换电需求。

3.2经济运行优化策略仿真验证

为准确仿真评估经济运行策略的效果，本文根据北京奥运电动公交车充电站的现场实测数据（2010年9月）进行了统计分析，研究了充电机输入功率的描述方法。充电机的工作过程包括恒流限压和恒压限流两个阶段，恒流限压阶段输入功率基本恒定，而恒压限流阶段输入功率呈阶梯状逐渐降低，直到停机。采用最小二乘法对恒压限流阶段的充电机输入功率进行曲线拟合，结果见图5，描述公式见表3。运行方式为6台1#充电机和1台2#充电机共同为一组电池充电，总功率40kW左右，总待机损耗为0.63kW。

表3充电机输入功率描述公式

注：t为恒压限流阶段持续时间，单位为分钟。

经济运行优化策略的仿真验证需要统计全天有功功率，并根据表1所提供的电价计算电费。仿真方法和步骤与前文一致，运行方式包括即插即充和智能投切两种。仿真结果见图6~图7和表4。

通过对比图6和图7的负荷曲线可知，采取充电机智能投切方式后，峰段负荷减小而谷段负荷显著增大。表4列出的统计数据表明：通过连续控制，部分充电负荷从峰段推移至平段，再从平段推移至夜间谷段，平段电量有小幅度减小而峰段电量得以大幅度降低，三类时段的总电量基本均衡，控制效果显著。此外，虽然智能投切使充电机待机总损耗有所降低，但是幅度很小，所以两种运行方式的日电量相差无几。然而，采取经济运行优化策略后每日所节省的电费为1359.92元，降幅高达19.5％，由于仿真统计的是充电机输入功率，如计入供电效率影响则10kV高压侧计费降幅将超过20%，已经充分利用了峰谷分时电价在谷段的优惠政策，符合经济运行优化策略的设计目的。

表4充电站日用电量和电费对比结果

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和***的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种快换式电动汽车充电站经济运行优化策略，其特征在于，包括以下步骤：

基于充电速度和车辆进站流量，推导充电生产能力和进站需求电池数量；

根据运行时间段，设定充电生产能力高于进站需求电池数量一定的裕量，求出充电设备投入运营数量。

2.根据权利要求1所述的快换式电动汽车充电站经济运行优化策略，其特征在于，所述裕量为零。

3.根据权利要求1所述的快换式电动汽车充电站经济运行优化策略，其特征在于，如果所述运行时间段为电价最低，则对充电设备投入运营数量不作限制。

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