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[文章介绍] 2017.12|吴斌,孟焕平:住宅小区车库交流充电桩需要系数取值探讨

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发表于 2018-1-9 16:21:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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车载充电机充电曲线


为了分析交流充电桩的需要系数,首先要了解交流充电桩在充电过程中的电流、电压、功率曲线,为此笔者进行了实际测量。受测车辆型号为众泰云100EV,经查其车载充电机额定功率为2. 4 kW,开始测量时车辆的SOC值(State of Charge,指电池的荷电量值)为79%,充电完成后其SOC值为100 %。


充电过程耗时149 min。测量过程中,一人在车上监控仪表指示数据(包含充电时间、充电机温度、充电机输出电压、充电机输出电流、电池组总电压、电池组总电流、SOC值、单体电池最高电压、单体电池最低电压、电池最高温度、最低温度),另一人在后台监控软件显示数据(包含输入电量、输入电压、输入电流、输入功率)。任何一个数据有变化时,两人分别记录所有监控数据的实时值。在整个监测过程中,基本上每一分钟需要记录一次数据。


充电过程中交流充电桩的输入电压、输入电流、输入功率、SOC、电池组总电压曲线分别如图1 ~ 图4所示。
a.jpg

从测试数据可以得出以下结论:
a. SOC值达到98 % 之前,交流充电桩输出功率基本都是最大值;
b. SOC值达到98 % 以后,输出功率及充电电流缓慢下降(下降时长约30 min);
c. 只要车辆充电时SOC值小于98%,车载充电机基本处于可允许的最大功率工作状态。

车主充电习惯

车主的充电习惯将会对住宅小区停车场交流充电桩的配电容量计算造成较大的影响。

住宅小区停车场与社会公共停车场有一个根本区别,就是车位归属权基本可做到固定化。社会公共停车场的停车位任何车辆都可以停,停车时电动汽车的SOC值是随机的,车辆的停车时长也是随机的。而住宅小区停车场的车位大部分采用租赁或出售的形式分配到具体住户,当住户车辆没有停在其车位上时,其他车辆也不能使用这个空车位。相对于单个车位来说,住户车辆每天停车的时间段、停车时长有一定的规律可循。

在目前阶段,大部分纯电动私家车辆的用途是作为市内代步工具,平均每天行驶里程不会太长,根据城市大小会有一定的区别,以长沙市为例,可以按日均50 km考虑。表1为2016年全年纯电动汽车销量排行及综合里程、行驶天数的数据(数据来源于汽车之家网站)。
表1  2016年国内纯电动车排行及综合里程、行驶天数数据
b.jpg

根据表1数据,按日均50 km计算,从目前市场占有量分析,大部分纯电动汽车续航时间在3 ~ 6天左右,平均可以按4. 5天计。而大部分车主不会将电池电量用尽才去充电,假设按用完70 % 电量去充电考虑,也有3. 15天的连续行驶天数。

但要指出的是,车主的充电习惯很可能不会与续航天数相符,有的车主可能两天或三天充一次,充电的时间会较长;而有的车主则会每天充电,这样每次充电的时间则会较短。根据参考资料[7],住宅小区电动汽车接入电网充电的时间与人们生活工作规律基本一致,如图5所示:78. 5 % 的充电开始于下午17:00以后,其中21:00 ~ 22:00间接入充电的样本最多,约占总样本的15 %,但在18:00仍然存在一个接入高峰;凌晨4:00 ~ 7:00的负荷低谷时段没有充电记录。

从图6看出,所有样本的平均充电时间为182 min(约3 h),38. 3 % 的样本充电时间在3 h左右,1 ~ 2 h的占 13. 6 %,超过4 h的占16. 9 %。单次充电的持续时间与车辆的行驶里程、充电频率都有关系。参考资料[7] 引用资料为2012年数据(试验样本单台车电池容量为35 kWh),由于技术进步,目前主流电动汽车的电池容量持续加大,故相同SOC值下单次充电时间会加长,同时电动汽车的续航里程也会增加。
c.jpg

对于不同车主,充电习惯可分为3类:一类是习惯于在负荷高峰时段集中充电(17:00 ~ 21:00);第二类是习惯于在负荷低谷时段集中充电(21:00以后);第三类是习惯于多次离散充电,随时充电。如果由车主根据自身习惯自由选择充电时间,会有自然错峰运行的效果,不会出现所有交流充电桩都在全功率运行的情况。

根据本文第1章的实测数据及参考文献[7] 的数据,得到如图7所示的不同时间段交流充电桩同时使用系数Kd:假设所有车主均在SOC值为30 % 时开始充电,目前主流电动汽车的单次充电时长约为 300 min(按7 h全充时间的70 % 计算),前270 min充电机基本为全功率运行,后30 min时会逐渐下降;每个时间段开始接入电网的车辆数量百分比根据图5的时段分布确定。

由图7可以看出,22:00总体负荷达到峰值,此时约有61 % 的车载充电机都在全功率运行,故可以考虑取同时使用系数Kd = 0. 6。
d.jpg

图7为按照所有电动车辆都充电5 h考虑的,但实际上考虑到续航里程因素和车主充电习惯因素,当车辆SOC值较高时,充电时长将相应缩短,故可考虑将Kd进一步取小。

假设70 % 的车主每天充电(意味着每天车辆的SOC值不会太低,充电时长相应缩短,按约150 min假设);假设另外30 % 的车主每2 ~ 3天充一次电(意味着充电时车辆的SOC值偏低,充电时间较长,按300 ~ 400 min假设)。图8是按上述假设得到的同时使用系数Kd取值。

根据图8可以看到,还是在22:00总体负荷达到峰值,此时约有45 %  的车载充电机在全功率运行,考虑到一定的余量,建议取同时使用系数Kd = 0. 4 ~ 0. 6。这个取值基于30 % 车主(每2 ~ 3天充一次电)在同一天充电的假设前提下,实际上此部分车主也并不会在同一天充电,存在一个错峰因素,系数可以进一步减小。
e.jpg

由于上述充电习惯模型建立的前提是住宅小区电动车辆数量较多,故上述Kd取值仅在计入负荷计算的住宅小区交流充电桩数量较大时建议采用;如果计入负荷计算的住宅小区交流充电桩数量较少时,Kd系数取值建议适当增大。根据参考资料 [9] 《交流充电桩需要系数研究》,笔者对系数进行了一些调整,最终建议取值如下:

n ≤ 10(n为计入负荷计算的住宅小区交流充电桩数量)时,Kd = 0. 8 ~ 1. 0;
10 < n ≤ 30时,Kd = 0. 7 ~ 0. 8;
30 < n ≤ 50时,Kd = 0. 6 ~ 0. 7;
n > 50时,Kd = 0. 4 ~ 0. 6。


需要系数

需要系数Kx的取值最终与两个因素相关:第一是同时充电的车辆数;第二是车辆充电系统在接入电网充电时所能承受的最大充电功率。考虑到目前主流车载充电机的功率值现状以及电缆更换的难度,建议在计算变压器、供电干线时采用不同的Kx系数取值。

变压器低压侧(如表4所示)

表4 住宅小区停车场变压器侧建议需要系数近期取值
g.jpg

表4中Kz系数的取值仅针对目前主流车载充电机功率,随着技术的发展,车载充电机的功率会越来越大,最终达到国标允许范围的最高值7 kW,这将导致Kz系数不断增大直至最终达到Kz = 1。但同时随着电动汽车技术的进步,其续航里程也会越来越大,导致Kd系数不断减小,笔者认为这两个系数此消彼长,对最终Kx系数会带来一定的影响,但影响不会太大,至于实际会是怎样的变化,有待在实际操作中进一步验证。

配电干线侧(如表5所示)

表5 住宅小区停车场配电干线侧建议需要系数近期取值
h.jpg

随着电动汽车技术的进步,其续航里程会越来越大,导致Kd系数不断减小;另外在实际设计工作中,一条供电干线负责给50台以上交流充电桩提供电源的情况较少出现。


本文有删减,全文载于《建筑电气》2017年第12期,详文请见杂志。

版权归《建筑电气》所有。

作者信息:吴   斌 ,男,湖南省建筑设计院有限公司,高级工程师,机电院副总工程师。
孟焕平,男,湖南省建筑设计院有限公司,教授级高级工程师,总院副总工程师。


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谢谢楼主分享
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