1中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人

Size: px

Start display at page:

Download "1中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人民共和国中华人"

弛乐伍
5 years ago
Views:

1 2014 年 8 月电工技术学报 Vol.29 No. 8 第 29 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug 电动汽车充电基础设施规划中若干关键问题的研究与建议摘要肖湘宁温剑锋陶顺李秋硕 ( 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京 ) 由于在缓解能源危机与环境污染等问题方面的重要作用, 电动汽车在世界上许多国家得到大力发展与其紧密关联的充电基础设施的规划建设是影响电动汽车推广成效及发展规模的重要因素本文首先分析了充电设施建设过程中世界各国存在的共同问题, 以及我国的特殊问题 ; 之后, 对电动汽车发展规模预测充电模式选择与充电设施配置电网与充电设施的相互作用与影响等几个充电设施规划时需优先解决的关键问题进行了分析研究 ; 最后, 结合我国具体情况, 针对充电基础设施的建设和规划布局中的核心问题提出若干指导性原则与建议关键词 : 电动汽车充电基础设施规划布局建议中图分类号 :TM72; U Study and Recommendations of the Key Issues in Planning of Electric Vehicles Charging Facilities Xiao Xiangning Wen Jianfeng Tao Shun Li Qiushuo (State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources Abstract North China Electric Power University Beijing China) Because of the important role in alleviating the energy crisis and environmental pollution problems,electric vehicles(evs) got strong support from many countries in the world. Construction and planning of charging facilities, which is closely associated with EVs, becomes an important factor affecting the promotion effectiveness and the development scale of EVs. Firstly, the paper analyzes the common problems existing in the construction of charging facilities around the world,as well as the special problems in China;Then several key issues of planning of charging facilities are analyzed, which contain prediction of the development scale of EVs, the choice of charging mode, the allocation of charging facilities and the interaction between power grid and charging facilities. In the end, some guiding principles and advices of the key issues in construction and planning of charging facilities are given according to the specific situation of China. Keywords:Electric vehicle, charging facilities, planning, recommendation 1 引言随着能源危机与环境污染问题的日益严重, 电动汽车以其清洁环保的优点, 得到人们的认可, 各国政府相继出台实施了多项政策和激励措施来推动电动汽车产业的发展我国政府同样重视电动汽车的推广 [1] 和应用, 继 2009 年启动十城千辆工程之后, 四部委在 2013 年 9 月发布关于继续开展新能源汽车国家科技支撑计划重大项目 (2011BAG02B14) 收稿日期推广应用工作的通知 [2], 又于同年 11 月及 2014 年 1 月, 分别确定了第一批及第二批新能源汽车推广应用城市或区域名单, 两批共 40 个城市或城市群入选 [3,4], 标志着我国电动汽车的推广将进入实质性阶段完善的充电网络是电动汽车产业推广的前提和基石, 尤其在电池技术没有得到突破的条件下, 如何开展充电基础设施的配套建设显得更为重要因此, 世界各国均把充电设施的规划布局作为推动电动汽车发展的主要内容, 为此出台一系列激励措施并投入大量资金支持充电基础设施的建设 [5,6], 但由

2 2 电工技术学报 2014 年 8 月于目前还都处于探索实践阶段, 在这方面仍存在以下共同问题 : (1) 充电网络与服务网络建设滞后相对于燃油汽车加油站, 充电站充电时间较长, 且现阶段充电便利性较低 (2) 电动汽车的充电需求具有多样性, 给充电设施的规划增加了难度 (3) 世界各国充电基础设施技术标准不统一, 阻碍了电动汽车的全球化发展 (4) 充 / 换电基础设施建设投资效益不明显, 导致推广建设的积极性降低, 基础设施建设越滞后电动汽车越难以推广, 形成了不良循环 (5) 运营模式不明确充换电各有优缺点, 两者的发展还未找到平衡点 (6) 可再生能源利用和微电网发展如何与电动汽车充电需求相结合分布式新电源微电网与电动汽车及其充电基础设施的结合具有诸多优势, 可使电动汽车逐渐走向零污染排放在电动汽车基础设施建设规划中, 如何积极地就地利用和配置新能源充电, 科学有序地调度电动汽车充放电, 已经成为国内外研究热点除了上述共性问题之外, 电动汽车充电基础设施在我国的建设发展中还面临许多特殊的问题 : (1) 未发挥市场对资源配置的决定性作用我国充电设施市场一度处于不开放的状态, 很大程度上阻碍了资源的配置随着充电市场的逐步开放, 在市场机制的引导下, 充电设施的规划建设将更加高效 (2) 配电网建设相对滞后随着电动汽车的不断发展, 大量充电负荷接入配电网, 对配电网的灵活性和可靠性提出了更高的要求, 而我国配电网更新换代相对滞后, 若不采取一定措施, 将逐渐束缚电动汽车充电设施网络化的建设 (3) 发达地区仍存在限电现象, 影响满足电动汽车充电需求的信心在现阶段经济增长迅速期, 发达地区夏季因用电高峰期供电紧张而需要拉闸限电或通知限电这无疑会影响部分城市电动汽车规模化发展 (4) 充电基础设施报装复杂, 投资建设主体不明朗, 投资回报低 (5) 居民拥有独立停车位及充电桩困难, 集中型公用充电站征地困难中国城市居民居住密集, 以高层单元公寓楼为主, 固定泊车位置数量很有限, 而在拥挤的大城市市区建设集中型充电站, 征地几乎是不可能的 (6) 缺少重要车企对核心技术开发及充电设施推广提供支持上述问题的解决, 一方面有赖政府及相关企业积极参与配合, 在扶持政策标准制定等方面采取相应措施, 为电动汽车及充电设施的发展提供支持 ; 另一方面, 则需要根据电动汽车本身的特点, 紧密结合电动汽车电池特性居民生活用车特点与规律电网状况等, 研究充电基础设施的合理规划布局, 使充电网络足够完善高效, 可以充分满足相应发展阶段下电动汽车的充电需求充电设施的规划是一项系统而复杂的工程, 需要考虑多方面因素本文对关系到规划成效的多个基础性关键性问题进行深入的分析与研究 : 包括电动汽车数量与规模预测充电模式的选择与充电设施的配置基础设施和电网间的相互作用与影响等 ; 在此基础上, 针对充电基础设施的发展和规划布局中的核心问题提出若干指导性意见和建议 2 电动汽车数量与规模充电基础设施为电动汽车提供动力补给, 其建设数量应与电动汽车发展规模相匹配, 他们之间既相互制约又相互推动因此, 预估相应规划年下的电动汽车保有量是进行充电设施规划布局的基础电动汽车的发展规模受多方面因素的影响, 包括动力电池的技术汽车技术及充电设施的完善程度等技术性因素以及汽车成本政府政策补贴及消费者接受心理等非技术性因素表 1 总结了世界主要国家的电动汽车数量与规模发展现状及预测结果 [7-9] 表 1 世界主要国家电动汽车数量与规模发展现状及预测 Tab.1 Status and development prospect of EV s quantity and scale in major countries 年份国家 2012 年 2015 年 ( 预测 ) 2020 年 ( 预测 ) 中国美国法国英国荷兰德国西班牙日本数量万 500 万渗透率 (%) 数量万 507 万渗透率 (%) 数量 2 万 53 万 200 万渗透率 (%) 数量渗透率 (%) 万数量渗透率 (%) 万 50 万数量万 100 万渗透率 (%) 数量 787 渗透率 (%) 万 213 万数量万 187 万渗透率 (%)

3 第 29 卷第 8 期肖湘宁等电动汽车充电基础设施规划中若干关键问题的研究与建议 3 从电动汽车数量发展现状及预测结果可以看出, 现阶段各国电动汽车保有量及渗透率均较小, 但在未来几年将呈现快速化增长态势, 而电动汽车保有量的快速增长, 需要有完善和高效的充电网络的支持, 合理规划建设充电设施以适应电动汽车数量规模的快速增长是国际上急需解决的重要问题 3 充电模式的选择与充电设施的配置由于电动汽车充电需求具有多样性, 对应不同的充电需求, 需匹配不同的充电模式, 配套建设不同类型的充电设施 3.1 充电模式的对比目前电动汽车的充电模式主要分为整车充电和换电两种, 整车充电根据充电时间的不同又可分为慢速充电和快速充电两种整车慢充通过交流充电桩连接车载充电机为电池充电, 受限于车载充电机体积重量及成本 [10,11], 其充电功率较小, 完整充电周期约需 5~8h 整车快充通过非车载直流快速充电机实现, 置于车外的快充装置直接为电动汽车动力电池提供大电流的直流电, 一般可在半小时内将电池荷电状态 (State of Charge, SOC) 充至 80% 以上电池更换模式简称换电, 通过直接更换车载电池为电动汽车补充电能, 所需时间约为 5~10min 不同类型的充电模式满足不同类型的充电需求, 其各有优缺点 [12-16], 总结见表 2 表 2 不同充电模式优缺点对比 Tab.2 Comparison of different charging modes 充电模式优点缺点 1 充电功率低, 设备成本小整车慢充 2 可利用电力低谷时段充电或有序充电, 充电成本低 3 可延长电池使用寿命 1 充电时间短, 效率高整车快充 2 相比慢充方式占用土地面积较小 1 动力电池与电动汽车分离, 降低购车成本 2 车辆使用效率及用户使用的方便性高电池更换 3 便于峰谷电力调控, 实现 V2G 功能 4 便于电池维护, 有利于提高电池的寿命充电时间过长, 需要专门停车场地 1 大规模直流快充会对电网造成不良影响 2 工作和安装成本较高 3 充电电流大, 影响电池的使用寿命和性能 1 电池与电动乘用车的标准化难于统一 2 不适应电动汽车灵活多样化需求 3 换电站初期投资成本很大, 风险成本增加从以上对比分析可以看出, 换电模式虽然方便快捷, 但是电池及车辆标准难以统一 ; 考虑到汽车产品尤其是私家车需求的个性化多样性对汽车产业的要求和市场可操作性等因素, 以换电模式为主将不利于产业和市场的可持续发展对于整车充电, 考虑电池安全及寿命对电网的友好度和有序充电利用的充裕性, 应将慢充作为主要的充电模式, 这一主张会随着电池技术的进步和续航能力的提高而更进一步证实因此, 建议按照优先选择慢充模式, 将快充模式作为应急支援, 在具备条件时亦可考虑换电模式的原则, 进行充电模式的选择 3.2 车辆类型与充电模式的匹配不同类型车辆行驶及泊车规律不尽相同, 导致其充电需求不同, 需要不同的充电模式来匹配下文从对各类型车辆行驶及泊车规律的分析出发, 结合上文形成的充电模式选择原则, 确定不同类型车辆应采用的充电模式 (1) 私家车有研究表明, 现阶段 80% 的乘用车日行驶里程在 50km 以内 [17], 而目前电动乘用车续驶里程集中在 100~150km 左右 ; 私家车一日内停泊时间远大于行驶时间, 其夜间主要停泊在住宅区及周边停车场或道路旁, 日间则主要停泊在工作区商业区等功能区的停车场据此, 在上述区域 ( 以住宅区为主 [18] ) 停车期间采用慢充方式充电即可满足大部分电动私家车一日的行驶需求因此, 建议私家车采用分散慢充为主, 快充作为应急支援的充电模式进行充电 (2) 公交车公交车运行路线和行驶里程相对固定, 大中城市公交车日均行驶里程一般集中在 150~200km [19], 而目前纯电动公交大巴动力电池额定容量约为 150kW h 左右, 一次充电难以满足其日运营要求日间运营期间, 公交车主要停靠地点为始末站停车场, 停车时间与发车间隔相关, 一般为发车间隔的 2~3 倍, 即 20min 左右, 高峰期时间更短, 仅可通过快充或换电模式进行电能补充 ; 夜晚停运后, 停靠时间较长, 具备进行慢充的条件因此, 对于纯电动公交车, 可以采用运营期间换电或快充和夜间慢充相结合的模式值得注意的是, 由于纯电动公交百公里耗电量较大 ( 约为 100kW h 左右 ), 对于某些距离较长的线路 ( 如远郊线路 ), 使用纯电动公交意味着其需背负庞大重量的电池, 这既不安全也不经济, 因此, 在发展纯电动公交的同时, 也应适当推广混合动力公交以满足长距离线路的运行需求

4 电工技术学报 2014 年 8 月 (3) 出租车出租车日均行驶里程受城市规模运营时间和服务半径的影响较大, 不同城市出租车运行规律不尽相同出租车行驶时间一般远大于停泊时间, 其日均行驶里程远大于相同城市私家车, 其适宜的充电模式受动力电池技术水平的影响较大因此, 对于出租车, 其模式选择应从城市规模运营模式的角度, 结合动力电池技术水平的不同发展阶段进行具体分析 (4)

4 4 电工技术学报 2014 年 8 月 (3) 出租车出租车日均行驶里程受城市规模运营时间和服务半径的影响较大, 不同城市出租车运行规律不尽相同出租车行驶时间一般远大于停泊时间, 其日均行驶里程远大于相同城市私家车, 其适宜的充电模式受动力电池技术水平的影响较大因此, 对于出租车, 其模式选择应从城市规模运营模式的角度, 结合动力电池技术水平的不同发展阶段进行具体分析 (4) 公共事业车辆公共事业车辆的行驶及泊车规律较为固定, 除执行任务外的其余时间, 均停泊于固定停车场所, 泊车时间较长, 因此, 对于公共事业车辆, 可采用空闲时间慢充紧急需求时换电或快充的充电模式值得注意的是, 由于各城市经济水平不同, 发展不均衡, 区域配电网的特点和对电动汽车的需求不尽相同, 因此, 在充电模式的选择方面, 需因地制宜, 现阶段不宜对充电模式进行统一 3.3 充电设施类型与配置分析不同的充电模式通过不同类型的充电设施实现现阶段充电设施主要包括分散充电设施集中型充电站集中型换电站三类分散充电设施以交流慢速充电桩为主, 适当配备一定量的直流快速非车载充电机作为应急 ; 集中型充电站一般同时具备慢充和快充两种充电模式, 但以直流快充为主 ; 集中型换电站配备有专门的电池更换设备及一定量的充电机和备用电池, 是换电模式的主要实现形式依据前文所述充电模式选择原则以及各类型车辆所匹配的充电模式可知, 未来充电设施的建设将以分散充电设施为主, 对于分散充电设施, 由于其依托城市各功能区停车场而建, 选址问题相对淡化, 重点是合理确定其建设数量和规模在分散充电设施的规划过程中, 可对以下两个问题进行分析研究分散慢充桩与电动汽车的配比度分散慢充桩是满足电动汽车日常充电需求的主要设施类型, 因此, 应根据各区域停车数量按一定比例进行配置电动汽车日常充电需求则由多方面因素决定, 其中用户对电动汽车的使用心理及行为习惯是不可忽略的重要因素由于现阶段纯电动汽车续驶里程普遍不太高, 达不到燃油车水平, 使得用户在使用纯电动车时, 对车辆的剩余续驶里程存在一定的心里担忧 [20], 不同的担忧程度将直接导致用户充电行为的不同因此, 可综合考虑用户对剩余电量的心理接受能力以及用户行驶里程, 分析不同心理接受能力下用户的充电需求, 来配置相应的慢速充电设施可按如下流程进行 : 等级 (1) 将用户可接受的最低剩余 SOC 划分为不同 (2) 对应每一等级, 结合用户实际行驶里程统计数据以及电动汽车续驶能力, 分析不同功能区 ( 如住宅区工作区商业区等 ) 的充电需求概率 (3) 根据电池技术发展水平及各区域实际情况, 选择合适的可接受的最低 SOC 等级或基于充电初始 SOC 的概率分布加权, 计算各功能区充电需求比例, 确定分散慢充桩与电动汽车的配比度图 1 给出其中一种方法的私家车工作区车桩配比度分析示意图, 考虑锂电池充电效率高的起始 SOC 要求用户对剩余 SOC 的心理承受力, 以及工作区充电的便利性, 推荐选择 80% 心理接受等级下的桩车配比度 0.6 Fig.1 图 1 私家车工作区桩车配比度分析示意图 Schematic diagram of analysis of the ratio between private EVs and slow chargers in working area 结合美国 National household travel survey (NHTS) 中单次行驶里程数据, 表 3 给出了在电动汽车续航里程分别为 100km 和 150km 的条件下通过剩余 SOC 接受等级法 ( 例 80% SOC) 和充电起始 SOC 概率加权法计算得到的配比度虽然数据量不完全相同, 但是两种方法的两两数据对应相近 Tab.3 表 3 方法及分类不同剩余 SOC 接受等级法充电起始 SOC 概率加权法桩车配比度不同分析方法结果 Results of different methods of configuration ratio of charging piles and EVs 续驶里程 /km 住宅区工作区休闲区商业区

5 第 29 卷第 8 期肖湘宁等电动汽车充电基础设施规划中若干关键问题的研究与建议快慢充充电设施配比度 2011 年国家正式发布了电动汽车传导充电用连接装置系列标准, 对整车充电交直流接口进行了标准化规定, 现阶段新生产的电动汽车基本均同时配备了标准的交流和直流两个接口, 因此, 需合理规划交流慢充桩和直流快充机两类充电设施, 满足用户不同类型的充电需求根据快充慢充的不同定位, 可将用户采用慢充的方式单次充电可补充的能量能否满足用户下一次行驶需求作为判断是否需要快充的条件, 从而确定快慢充的需求比例, 以此为基础合理分配两类充电设施的比例可表述为 pt sc dl ks (1) 60 式中, 以大写字母表示各随机变量, 以小写字母表示各常量 :T 为停车持续时间随机变量 (min); C 为初始 SOC 随机变量 ;L 为单次行驶里程随机变量 (km); p 为慢充的充电功率 (kw); s 为电池的容量 (kwh); d 为电动汽车行驶每公里耗电度数 (kwh);k 为考虑用户心理以及电池安全因素所设置的电池允许剩余容量比例系数式中,sC 为用户充电之前电池的剩余电能状态,pT 为用户采用慢充方式单次可补充的电能, 当用户采用慢充方式充电结束后电池所能达到的状态 (pt+sc) 不满足下一次的行驶需求 dl 时, 用户应通过快速充电设施进行电能补给求式 (1) 所发生的概率, 即为快充需求概率 P f, 假设 T C L 三者相互独立, 则有 pt Pf P sc dl ks 60 ( pt / 60 scdl ks) f ( t) f ( c) f ( l)dtdcdl (2) T C L 式中,f T (t) 为停车持续时间概率密度函数 ;f C (c) 为充电起始 SOC 概率密度函数 ;f L (l) 为单次行驶里程概率密度函数三者可根据区域内电动汽车运行规律统计数据确定根据快慢充需求的大小, 可确定区域内快充和慢充设施的配比度 R f/s R f/s Pf (3) 1 P 因此, 对应城市不同功能区, 可根据区域内电动汽车运行规律统计数据以及电动汽车具体参数, f 通过式 (2) 和式 (3) 计算得到该功能区内分散快速慢速充电设施的配比度其流程如图 2 所示 Fig.2 图 2 快慢速充电设施配置比例计算流程 Calculating flow of ratio of fast and slow charger 对于集中型的充换电站的规划, 现阶段的研究则主要集中在站址的选择和容量的确定 [21-25], 以及站内充电装置的优化配置上 [26] 4 充电基础设施与电网间的相互作用与影响随着未来电动汽车的普及, 大规模电动汽车通过充电设施接入电网进行充电, 势必对电力系统的正常运行产生影响充电基础设施作为电动汽车与电网之间的连接点, 其规划建设应与电网相互协调相互配合 4.1 充电负荷对电网的影响电动汽车充电对电网的影响主要集中在充电负荷对配电网影响以及发输电容量对电动汽车充电需求的承载能力两个方面由于电动汽车充电行为与用户的行驶泊车规律关系密切, 使充电负荷在时间和空间上均具有较强的随机性, 给配电网运行带来了更多的不确定性充电负荷对配电网的影响, 主要体现在静态电压稳定性 [27] 线路及变压器负荷率及损耗 [28,29] 电能质 [30,31] 量等方面大规模电动汽车接入电网无序充电势必引起电网负荷的增长, 需分析现有或规划年下的电网能否承载电动汽车充电负荷的增长充电负荷与电动汽车保有量类型运行规律和充电模式紧密相关, 因此, 在形成充电负荷时需综合考虑以上各因素, 进而从最大最小负荷以及峰谷差变化等角度, 对计及充电负荷后的电网总负荷变化进行分析, 流程如图 3 所示经过对某省的电网承载能力进行分析,

6 6 电工技术学报 2014 年 8 月结果显示当电动汽车渗透率达到 20% 时, 无序充电将使该省电网冬季最大负荷及峰谷差分别增加 20% 和 50% 以上, 这将严重电力系统的正常运行, 需通过优化充电过程或新增发电容量来提高未来电网承载充电负荷的能力为 24h 内同一时刻电动汽车充电车辆数量的最大值 ;N 为该区域内电动汽车总保有量根据式 (4) 可以看出, 在假设所有车辆充电功率相同的条件下, 电动汽车充电同时率可以通过计算区域内 24h 内同时正在充电的电动汽车最大数量与该区域内电动汽车总保有量的比值得到根据电动汽车的充电起始时间以及平均充电时间, 并假设每天的规律相同, 则可以得到同时充电的电动汽车最大数量图 3 电网对充电负荷承载能力分析流程 Fig.3 Analysis process of power grid s carrying capacity of charging loads 4.2 充电设施与电网的互动针对充电负荷对电网的潜在影响, 在充电基础设施规划建设的同时, 采取一定措施, 使充电设施与电网之间可以友好互动协调发展充电设施按电网基本要求接入充电设施作为一种特殊的负荷, 也应保证电网安全可靠优质经济的运行 (1) 为保证电缆线路安全工作, 在选择其导体截面时应考虑载流量约束选择的充电机应满足相应设备谐波电流发射值标准的要求 (2) 站内配电线路接入的充电设施容量受电缆安全载流量电网公共连接点电压偏差线路损耗等约束, 因此, 应综合考虑以上因素合理确定单条线路的接入容量 (3) 变压器台数的选择应满足负荷对可靠性的要求, 根据充电设施的负荷等级选择一台或两台变压器进行供电 [32] 为避免变压器容量冗余, 保证经济性, 在确定变压器容量时, 需考虑电动汽车最大充电同时率电动汽车最大充电同时率定义为 : 区域内一天 24h 内同一时刻正在充电的电动汽车负荷最大值 P charge.max 与该区域内电动汽车总容量 P max 的比值, 在计算过程中, 假设所有车辆以同样大小的功率进行充电, 则最大充电同时率可表示为 K max P n P n P NP N charge,max charge,max avg charge,max max avg (4) 式中,P avg 为电动汽车的平均充电功率 ;n charge.max n charge,max t 24 start start 1 tt25 max n n t 1, 2,, T-1 t max nstart t T 1, T,, 24 t T1 (5) 式中,n start 为 t 时刻开始接入充电设施进行充电的电动汽车数量 ;T 为电动汽车的平均充电时间因此, 对于为充电设施供电的专用变压器, 其容量可由下式确定 Kmax SEVSE S (6) 式中,S EVSE 为接入变压器的充电设施总容量 ;β 为变压器负载率电网增容及升级改造一方面, 电网需新增一定装机容量来适应电动汽车大规模接入所引起的负荷增长 ; 另一方面, 应对现有配电网部分变压器线路进行升级改造, 以免充电负荷过大, 造成原有电力设备过负荷充电设施与新能源利用及微电网发展相结合充电设施与新能源及微电网相结合有许多优点 : 一方面可以在提高电网对充电负荷承载能力的同时, 降低电动汽车对化石燃料的依赖 ; 另一方面, 还可以通过电动汽车协助解决可再生能源的间歇性问题, 降低储能系统成本 [33] 因此, 在充电设施规划建设过程中, 应充分考虑就地利用新能源以及微电网对电动汽车进行充电, 同时可考虑对充电过程进行有序控制 [34,35] 5 对充电设施规划布局的若干建议基于以上对充电设施规划中的若干关键问题的分析研究, 本文针对充电基础设施的发展和规划布局提出以下若干原则和建议

7 第 29 卷第 8 期肖湘宁等电动汽车充电基础设施规划中若干关键问题的研究与建议规划布局的指导性原则 (1) 电动汽车充电基础设施规划与建设应遵循科学有序发展充电设施的规划建设是一项系统工程, 应建立在科学分析和优良资源配置的基础上, 结合我国国情, 综合考虑电动汽车的运行规律城市用地规划电网的承载能力和电动汽车及其充电技术的成熟度, 采用科学的方法和手段, 制定合理经济适用的电动汽车充电基础设施规划方案同时, 充电基础设施的规划既要充分考虑导入期的不定因素, 又要适应电动汽车技术的发展趋势在进行充电设施规划时, 要分阶段加以修正, 充电设施的数量与规模不能过于超前, 以免造成资源的闲置和浪费, 应充分考虑电动汽车的推广与充电设施建设的相互影响作用电动汽车充电基础设施的规划和建设要总结示范城市的试点经验, 要做到科学有序发展 (2) 充电基础设施的分布应与电动汽车泊车的时空分布尽可能保持一致电动汽车一般须在停泊的时间和地点完成能量补给, 充电行为发生的时空分布规律与电动汽车的泊车规律相互关联城市中不同功能区域的交通规律和泊车特点各不相同, 为保证充电的便利性和充电设施的使用率, 充电基础设施的分布应与该地区电动汽车泊车的时空分布规律尽可能保持一致 (3) 充电基础设施的布局应兼顾用户便利性建设经济性和技术合理性要求充电基础设施的选址应满足该地区的任意地点都处在某一充电站或充电桩的服务半径内, 以保证用户充电的便利性 ; 充电基础设施及车桩比依据规划合理布局, 应兼顾建设的经济性 ; 充电模式的选择应综合考虑用户的便利性和动力电池的安全使用与耐受能力 (4) 充电基础设施的规划应与该区域总体规划和路网规划相互协调城区总体规划是城市发展的总原则, 充电基础设施是未来城市整体规划的组成部分充电基础设施的选址和布局直接关系到充电车流的状态, 影响到整个地区交通系统的总体经济运行充电基础设施的布局应与路网规划相统一, 在中小城市和大型城市周边地区开展电动出租车试点, 尽量避免以充电为目的车流对城市交通产生影响, 保障城市交通的畅通 (5) 充电基础设施的建设应与该地区电网规划发展相协调充电基础设施容量增长应与地区负荷和电网总容量相协调, 以保证电网为电动汽车提供充足的电力供应 ; 充电基础设施的布局应与配电网的规划相协调, 避免出现电压越限配电线路或配电设备过载等问题 ; 充电基础设施应满足接入电网的电能质量要求, 并适当配置补偿和治理装置, 避免对电网电能质量造成不良影响 (6) 逐步实现有序充电和采用绿色可再生能源供电利用分时电价等市场机制, 引导部分电动汽车在电力低谷时段慢速充电充分利用智能配电网及其信息系统, 逐步实现充电站分时段有序充电和智能充电在充电基础设施建设中, 应充分考虑就地的风电光伏等分布式新能源的集成利用条件, 最大限度地发挥新能源的作用来替代传统的化石能源, 促进电动汽车的能源结构由传统的化石能源向无污染的可再生能源和新能源转变, 真正实现全社会零排放清洁无污染的绿色交通 (7) 充电基础设施的建设应符合环境与安全的相关规定充电设施的规划符合环境保护和防火安全的要求, 充电设施不应靠近有爆炸或火灾危险等潜在危险的地方, 也要避开地势低洼和可能积水的场所, 并充分利用就近的供电, 交通消防给排水及防洪等公用设施 5.2 充电模式选择与充电设施配置的相关建议根据前文对各车辆运行规律及充电模式的匹配分析, 对不同类型车辆充电模式及设施的选择建议见表 4 表 4 各类型车辆充电模式及充电设施配置建议 Tab.4 Recommendations for the choice of charging mode and charging facilities 车辆类型适宜选择的充电模式适宜建设的充电设施私家车分散慢充为主, 快充应急在城市各功能区建设分散交流慢充设施桩, 按一定比例适当配备快充设施应急支援日间运营期间换在公交停靠站建设集中公交车电和快充相结合, 夜充 ( 换 ) 电站间慢充出租车现阶段根据运营模式及运营半径的不同, 选择适宜的充电模式在出租车停车场或司机住宅小区布置分散式充电桩 ; 在出租车集中运行的地区建设集中充 ( 换 ) 电站公共事业空闲时间慢充为依托其现有停车场, 建设车辆主, 紧急需求时快充交流充电桩或集中充 ( 换 ) 或换电电站其中, 私家车分散充电设施在各功能区配置比例应有所区别, 本文结合美国 NHTS 中相关数据以及文献 [36] 中充电初始 SOC 的统计结果, 根据前述

8 8 电工技术学报 2014 年 8 月充电设施配比度计算方法对分散慢充桩与电动汽车的配比度 ( 见表 3) 以及快慢速分散充电设施配比度进行分析, 给出表 5 所示的推荐值表 5 私家车分散充电设施配置建议 Tab.5 Recommendations for the allocation of distributed charging facilities of private EVs 慢速充电桩快速充电城市功能区布置地点电动汽车设施配置居民住宅区停车场或停车位 1 慢充桩数的 6% 办公区 / 工业区公共停车场 0.6 慢充桩数的 6% 商业购物区公共停车场 0.3 慢充桩数的 8% 休闲娱乐区公共停车场 0.3 慢充桩数的 8% 全社会桩车比 2.2 随着动力电池技术的发展, 电动汽车续航里程增加, 各类型车辆的充电模式将逐步过渡到慢充模式, 分散充电设施中慢充桩与电动汽车的配比度快充设施与慢充设施的配比度均将逐渐减小 6 结论充电基础设施是电动汽车推广应用的重要环节, 其规划布局是关乎未来电动汽车产业发展和城市建设的重要而复杂的问题随着国家新一轮电动汽车推广工作的开展, 充电基础设施的建设将迎来新的高潮从目前动力电池技术发展水平整车及电池标准化发展程度以及电网影响等角度考虑, 电动私家车应以分散式慢充为主, 适当配备分散快充设施作为补充, 并合理确定两类设施的配比度, 以满足用户不同类型的充电需求, 同时保证投资建设的经济性对于其他类型的车辆, 应优先选择慢充模式, 在慢充不满足运行要求的条件下, 根据车辆的行驶及泊车的时空特点, 在合适的地点建设集中型快充站或者换电站在充电基础设施的规划建设过程中, 应紧密结合电网特点, 充分研究充电设施与电网的相互影响及作用, 采取相应措施, 使两者可以友好互动协调发展现阶段仍处于电动汽车发展初期, 随着电动汽车的普及, 其运行规律和充电行为的基础数据将更加准确丰富, 充电设施的投资运营模式也将趋于清晰, 因此, 在电动汽车行为规律充电设施与电网的互动等方面, 仍存在较大的研究空间, 通过深入研究, 可以更加合理的对充电设施进行规划布局, 为电动汽车的推广普及提供强有力的支持参考文献 [1] 吴憩棠. 我国十城千辆计划的进展 [J]. 新能源汽车, 2009, 1(24): Wu Qitang. Progresses in Ten Cities & Thousand Units plan[j]. New Energy Vehicles, 2009, 1(24); [2] 中华人民共和国工业和信息化部. 关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知 [EB/OL].[ ] /n / html [3] 财政部新闻办公室. 四部委确定第一批新能源汽车推广应用城市或区域名单 [EB/OL].[ ] /t _ html [4] 中华人民共和国财政部. 关于支持沈阳长春等城市或区域开展新能源汽车推广应用工作的通知 [EB/OL]. [ ]. 08/content_ htm [5] 陈良亮, 张浩, 倪峰, 等. 电动汽车能源供给设施建设现状与发展探讨 [J]. 电力系统自动化, 2011, 35(14): Chen Liangliang, Zhang Hao, Ni Feng, et al. Present situation and development trend for construction of electric vehicle energy supply infrastructure[j]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(14): [6] 鲁莽, 周小兵, 张维. 国内外电动汽车充电设施发展状况研究 [J]. 华中电力, 2010(5): 16-20, 30. Lu Mang, Zhou Xiaobing, Zhang Wei. Research on development of charging facilities for electric vehicles at home and abroad[j]. Central China Electric Power, 2010(5): 16-20, 30. [7] 胡泽春, 宋永华, 徐智威, 等. 电动汽车接入电网的影响与利用 [J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(4): Hu Zechun, Song Yonghua, Xu Zhiwei, et al. Impacts and utilization of electric vehicles integration into power systems[j]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(4): [8] IEA. EV Global Outlook[EB/OL]. [2013-4]. iea.org/topics/transport/electricvehiclesinitiative/evi _GEO_2013_FullReport.PDF [9] 中华人民共和国国务院. 国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划 ( 年 ) 的通知

9 第 29 卷第 8 期肖湘宁等电动汽车充电基础设施规划中若干关键问题的研究与建议 9 [EB/OL]. [ ]. [10] Haghbin S, Khan K, Lundmark S, et al. Integrated chargers for EV s and PHEV s: Examples and new solutions[c]. International Conference on Electrical Machines(ICEM), Rome, 2010: 1-8. [11] Grenier M, Aghdam M H, Thiringer T. Design of on-board charger for plug-in hybrid electric vehicle [C]. 5th IET International Conference on Machines and Drives. Brighton, 2012: 1-6. [12] 陈实, 郑秋, 王芳, 等. 快充对高功率镍氢电池充电效率的影响研究 [J]. 北京工商大学学报 ( 自然科学版 ), 2006, 24(6): 5-8. Chen Shi, Zheng Qiu, Wang Fang, et al. Effects of fast charging on efficiency of Ni-MH batteries[j]. Journal of Beijing Technology and Business University (Natural Science Edition), 2006, 24(6): 5-8. [13] 高赐威, 吴茜. 电动汽车换电模式研究综述 [J]. 电网技术, 2013, 37(4):1-14 Gao Ciwei, Wu Xi. A survey on battery-swapping mode of electric vehicles[j]. Power System Technology, 2013, 37(4): [14] 范永根, 钱维忠. 电动汽车充电设施规划和建设的探讨 [J]. 华东电力, 2010, 38(11): Fan Yonggen, Qian Weizhong. Discussion on the planning and construction of charging facilities for electric vehicles[j]. East China Electric Power, 2010, 38(11): [15] 申善毅. 上海电动汽车及其充电基础设施运营模式的研究 [D]. 上海 : 上海交通大学, [16] 姚建歆, 王媚, 罗伟明. 电动汽车充电系统建设应用分析研究 [J]. 华东电力, 2008, 36(8): Yao Jianxin, Wang Mei, Luo Weiming. Construction and application of charging systems for electric mobiles[j]. East China Electric Power, 2008, 36(8): [17] Veneri O, Ferraro L, Capasso C, Iannuzzi D. Charging infrastructures for EV: overview of technologies and issues[c]. Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion(ESARS), Bologna, 2012: 1-6. [18] Machiels N, Leemput N, Geth F. Design criteria for electric vehicle fast charge infrastructure based on flemish mobility behavior[j]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(1): [19] 罗卓伟, 胡泽春, 宋永华, 等. 电动汽车充电负荷计算方法 [J]. 电力系统自动化, 2011, 35(14): Luo Zhuowei, Hu Zechun, Song Yonghua, et al. Study on plug-in electric vehicles charging load calculating [J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(14); [20] Luyten S Leemput N, Geth F, Van Roy J, et al. Standardization of conductive AC charging infrastructure for electric vehicles[c]. 22nd International Conference and Exhibition on Electricity Distribution, Stockholm, 2013: 1-4. [21] Dharmakeerthi C H, Mithulananthan N, Saha TK. Planning of electric vehicle charging infrastructure[c]. Power and Energy Society General Meeting(PES), Vancouver, 2013: 1-5. [22] 唐现刚, 刘俊勇, 刘友波, 等. 基于计算几何方法的电动汽车充电站规划 [J]. 电力系统自动化, 2012, 36(8): Tang Xiangang, Liu Junyong, Liu Youbo, et al. Electric vehicle charging station planning based on computational geometry method[j]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8): [23] 李国, 张智晟, 温令云. 换电模式下电动汽车充换电网络的规划 [J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(20): Li Guo, Zhang Zhisheng, Wen Lingyun. Planning of battery-switching and vehicle-charging network based on battery switching mode[j]. Power System Protection and Control, 2013, 41(20): [24] 郭春林, 肖湘宁. 电动汽车充电基础设施规划方法与模型 [J]. 电力系统自动化, 2013, 37(13): Guo Chunlin, Xiao Xiangning. Planning method and model of electric vehicle charging infrastructure[j]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(13): [25] 高赐威, 张亮, 薛飞, 等. 集中型充电站容量规划模型研究 [J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(31): Gao Ciwei, Zhang Liang, Xue Fei, et al. Study on capacity and site planning of large-scale centralized charging stations[j].proceedings of the CSEE, 2012, 32(31): [26] 李如琦, 苏浩益. 基于排队论的电动汽车充电设施优化配置 [J]. 电力系统自动化, 2011, 35(14): Li Ruqi, Su Haoyi. Optimal allocation of charging

10 10 电工技术学报 2014 年 8 月 facilities for electric vehicles based on queuing theory[j]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(14): [27] 李惠玲, 白晓民. 电动汽车充电对配电网的影响及对策 [J]. 电力系统自动化, 2011, 35(17): Li Huiling, Bai Xiaomin. Impacts of electric vehicles charging on distribution grid[j]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(17): [28] 孙凤杰, 尹国龙. 电动汽车对配电网负荷率影响的探讨 [J]. 科技创新导报, 2011(13): Sun Fengjie, Yin Guolong. Discussion on the impact of electric vehicles on the distributed network s load rate[j]. Science and Technology Innovation Herald. 2011(13): [29] Roe C, Evangelos F, Meisel J, et al. Power system level impacts of PHEVs[C]. 42nd Hawaii International Conference on System Sciences, Hawaii, USA, 2009: [30] Kutt L, Saarijarvi E, Lehtonen M, et al. A review of the harmonic and unbalance effects in electrical distribution networks due to EV charging[c]. 12th International Conference on Environment and Electrical Engineering(EEEIC), Wroclaw, 2013: [31] 张谦, 韩维健, 俞集辉, 等. 电动汽车充电站仿真模型及其对电网谐波影响 [J]. 电工技术学报, 2012, 27(2): Zhang Qian, Han Weijian, Yu Jihui, et al. Simulation model of electric vehicle charging station and the harmonic analysis on power grid[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(2): [32] 康继光, 卫振林, 程丹明, 等. 电动汽车充电模式与充电站建设研究 [J]. 电力需求侧管理, 2009, 11(5): Kang Jiguang, Wei Zhenlin, Cheng Danming, et al. Research on electric vehicle charging mode and charging stations construction[j]. Demand Side Management, 2009, 11(5): [33] 肖湘宁, 陈征, 刘念. 可再生能源与电动汽车充放电设施在微电网中的集成模式与关键问题 [J]. 电工技术学报, 2013, 28(2):1-14. Xiao Xiangning, Chen Zheng, Liu Nian. Integrated mode and key issues of renewable energy sources and electric vehicles charging and discharging facilities in microgrid[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(2): [34] 李秋硕, 肖湘宁, 郭静, 等. 电动汽车有序充电方法研究 [J]. 电网技术, 2012, 36(12): Li Qiushuo, Xiao Xiangning, Guo Jing, et al. Research on scheme for ordered charging of electric vehicles[j]. Power SystemTechnology, 2012, 36(12); [35] Pedro Sanchez-Martin, Guillermo Sanchez, German Morales Espana. Direct load control decision model for aggregated EV Charging points[j]. IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 27(3): [36] John Smart, Stephen Schey. Battery electric vehicle driving and charging behavior observed early in the EV project[j]. SAE International Journal of Alternative Powertrains, 2012, 1(1): 作者简介肖湘宁男,1953 年生, 教授, 博士生导师, 研究方向为新能源电网电力系统电能质量等温剑锋男,1989 年生, 硕士研究生, 研究方向为电动汽车电能质量

Vol. 22 No. 4 JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Aug GPS,,, : km, 2. 51, , ; ; ; ; DOI: 10.

22 4 2017 8 Vol. 22 No. 4 JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Aug. 2017 150080 GPS,,, : 27. 36 km, 2. 51, 110. 43, ; ; ; ; DOI: 10. 15938 /j. jhust. 2017. 04. 015 U469. 13 A 1007-2683