电动汽车充电负荷特性研究.docx
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南京理工大学
毕业设计说明书（论文）
作者:
学号：
学院（系）:
自动化学院
专业:
电气工程及其自动化
题目:
电动汽车充电负荷特性研究
副教授
张俊芳
指导者：
教授
徐志良
评阅者：
年月
毕业设计说明书（论文）中文摘要
本文基于中国电动汽车发展的相关政策与发展趋势，查阅相关调研结果，分析了不同类型的电动汽车在进行不同充电行为时对应的充电方式及充电时段。
建立了单个电动汽车日充电负荷特性模型，绘制负荷曲线。
根据电动汽车中私家车不同充电行为对应的充电功率，采用蒙特卡洛模方法，通过拟抽取起始荷电状态、起始充电时间计来计算电动汽车中私家车的充电负荷，求取负荷特性曲线，使用VC语言编程模拟。
通过负荷曲线对中国未来私家电动汽车充电负荷进行预测分析。
分析结果表明：
随着中国电动汽车的发展，充电负荷将会对电网的运行和规划产生较大的影响，充电负荷峰谷差明显，负荷调控的潜力大。
关键词：
电动汽车充电负荷负荷特性蒙特卡罗模拟
TitleStudyonElectricVehiclesChargingLoadCharacteristics
Abstract
BasedonthepolicyandthedevelopmentofelectricvehiclesinChina,referringtothefieldsurvey,thechargingmodesandchargingtimeofdifferentkindsofelectricvehicles’chargingbehaviorsinChinaareanalyzed.Thechargingmodelofthesingleelectricvehiclearebuilttogetthedailychargingloadcurve.Accordingtothechargingpowerunderdifferentchargingbehaviorofprivateelectricvehicles,TheMonteCarlosimulationmethodisappliedtosimulateandcalculatethechargingloadinordertogetthechargingcharacteristiccurebydeterminingthestartingstateofcharge（SOC）andtheinitialchargingpoint.VCprogramminglanguageisusedforthesimulation.Basedonthestudy,thefutureprivateelectricvehiclechargingloadinChinaisforecasted.Theresultsindicatethatthechargingofelectricvehicleswillhavesignificantimpactsontheplanningandoperationofthepowersystem.Thehugedifferencebetweenchargingpeakandoff-peakprovidesasubstantialpotentialtocoordinatethechargingofelectricvehicles.
KeywordselectricvehicleschargingloadloadcharacteristicsMonteCarlosimulationmethod
毕业设计说明书（论文）外文摘要
本科毕业设计说明书（论文）第I页共I页
目次
1引言……………………………………………………………………1
1.1研究背景………………………………………………………………………1
1.2研究现状和意义……………………………………………………………2
1.3本文主要工…………………………………………………………………4
2不同类型的电动汽车不同充电特性分析………………………………………5
2.1公交车……………………………………………………………………5
2.2出租车…………………………………………………………………6
2.3公务车…………………………………………………………………7
2.4私家车……………………………………………………………………8
3单个电动汽车充电负荷模型建立…………………………………………9
3.1电池特性……………………………………………………………………9
3.2私人电动汽车行驶与充电特性……………………………………………9
4大量电动汽车日充电负荷特性模拟…………………………………11
4.1电动汽车发展趋势………………………………………………………11
4.2蒙特卡罗模拟法模型建立………………………………………………12
4.3VC语言编程………………………………………………………………15
5结果分析…………………………………………………………………19
5.1充电负荷数据…………………………………………………………23
5.2充电负荷曲线……………………………………………………………25
结论……………………………………………………………………27
致谢………………………………………………………………………28
参考文献…………………………………………………………………………29
附录A程序…………………………………………………………………31
本科毕业设计说明书（论文）第42页共42页
1引言
1.1研究背景
能源与环境问题是全球问题，美国能源部预测，2020年以后全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口。
汽车能源消耗是造成大气污染和全球温室气体排放的主要原因，也是造成全球石油压力的重要原因，以节能和环保为特色的电动汽车正在引起全球性的关注。
近年来汽车消费的爆发式增长，使我国面临的能源消耗和温室气体排放的压力越来越大。
目前我国已经是世界第二大二氧化碳排放国和第二大石油消耗国，来自石油安全与环境保护的挑战越来越严峻，按传统汽车能源动力系统发展下去，我国汽车产业的可持续发展问题堪忧。
目前在世界范围内已达成共识：
新能源汽车势在必行。
在我国推动汽车能源动力系统转型也成为大势所趋。
如今全球经济在强劲增长，石油生产国产油能力不足以及国际局势动荡不安等多方面的影响下，化石能源短缺成为日益严重的问题。
随着世界能源消费量的增大，二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大，化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重。
汽车尾气造成的污染日益严重，能源使用与环境污染的矛盾不断尖锐化，已经成为我们不可忽视、亟待解决的问题。
面对燃油汽车对石油资源的过度消耗所引发的环境与能源问题及其尾气排放造成的污染，电动汽车以其良好的环保、节能特性，成为现今国际汽车发展的潮流和热点之一[1]。
电动汽车是指由电动机驱动的机动车辆，其中包括电池电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池电动汽车等。
电动汽车不是一项新的技术，但是早期电动汽车电池的容量小而且寿命短，而石油则具有高能量密度、易于储存和供应量不断增长的优势，所以在20世纪初期占主导地位的是以石油为基础的道路运输。
在过去的几年中，由于电动汽车技术的进步[2]，特别是磷酸铁锂电池技术取得突破，电动汽车电池使用寿命不断增加，使用成本也逐渐降低，使得电动汽车发展步伐明显加快。
同时，不少国家的能源政策也偏向把提高经济效率、保障能源安全和减少环境污染作为主要目标，政府和企业联合制定了各种计划，投入了巨额资金，大力发展电动汽车产业。
随着我国GDP的不断增长以及接踵而至的城市化浪潮，我国的排放模式将发生变化。
根据我国主要经济学家普遍认可的7%～8%的GDP增长率预测，到2030年，我国15亿人口中有约2/3的人将生活在城市。
随着经济和城市的发展以及家庭收入的提高，包括汽车在内的消费量也会进一步提高，进而将导致石油消耗、碳排放的上升[3]。
电动汽车具有高效、低噪、零排放等显著优点，发展电动汽车已成为国内外的共识。
中国政府出台了一系列电动汽车相关政策以扶持电动汽车的发展。
自2009年开展了“十城千辆”计划，推广的车辆主要在城市的公交、出租、公务、市政等领域，目前试点城市已达25个[4]。
通过分析中国电动汽车发展现状，结合国家以及部分省市发布的电动汽车发展规划，总结出中国电动汽车未来发展趋势大体为：
2010-2015年，电动汽车主要在公交车、公务车、出租车中示范运营；2016-2020年在公共交通系统、公务车中实现电动汽车规模化运营，私家车较少；2021-2030年电动私家车加速发展，其比例逐年上升。
可见中国电动汽车的主要类型为公交车、出租车、公务车、私家车等。
1.2研究现状和意义
1.2.1电动汽车研究现状
电动汽车（EV）将会成为21世纪高效、清洁和可持续的交通工具，是一种电力驱动的道路交通工具。
电动汽车这个概念的内涵广泛，它包括蓄纯电动汽车（BEV）或电池电动汽车、燃料电池电动汽车（FCEV）和混合动力电动汽车（HEV），涉及到很多学科，内容广泛复杂，其核心技术包括底盘和车身技术、驱动技术和能源技术。
今后50年里，全球人口将从60亿增加到100亿，汽车的数量将从7亿增加到25亿。
大量电动汽车的接入对电力系统的安全与经济运行带来了新的挑战。
电动汽车广泛采用后，会成为电力系统的一种新型且大容量的负荷，所以对于电动汽车负荷特性研究成为世界热门的研究项目。
目前电动汽车研究已经取得了很多成果，有基于扩散理论的电动汽车充电负荷模型[7]，主要探究了大量电动汽车并网充电的动态物理过程，指出该过程可以描述为以电动汽车并网速率为扰动变量的大量充电负荷由低荷电状态向高荷电状态扩散的动态扩散过程。
取两部分能量微元进行数学分析，提出电动汽车的扩散负荷模型。
文献[8]对于电动汽车快速充电站的负荷特性进行了研究，同时对不同类型电动汽车不同充电行为对应的充电方式及充电时段进行分析。
根据不同类型电动汽车不同充电行为的充电功率，提出采用蒙特卡洛模拟抽取起始荷电状态、起始充电时间的电动汽车充电负荷计算方法。
该方法将不同车辆的不同充电行为按充电需求进行分类，根据充电方式、起始荷电状态、充电需求、起始充电时间计算充电时间，获得充电负荷曲线。
对中国未来电动汽车充电负荷水平进行了计算和分析。
电动汽车接入电网研究（采用PSD-BPA）潮流及暂态稳定程序对电动汽车接入准系统进行仿真），分析电动汽车分别作为电源和负荷接入电网时对节点电压、系统损耗和系统电压稳定性的影响。
大规模电动汽车无序充电行为会对电网经济运行造成影响。
为了解决规模电动汽车无序充电行为会对电网经济运行造成影响，迫切要求实现有序充电技术。
根据电动汽车换电站特点，文献[9]提出了以换电站充电功率为控制对象的有序充电调度策略，建立不同目标函数的调度策略数学模型，并采用粒子群算法求解，得到次日优化充电计划。
文献[8]提出的换电站有序充电调度策略能够有效地减小电网峰谷差，提高负荷率，起到平稳负荷波动的作用。
从而针对如何利用电动汽车有序充电对电网实现削峰填谷效果的问题，得出了峰谷电价时段的优化模型与方法。
构建用户选择充电时间对峰谷电价时段的响应模型；通过蒙特卡洛法模拟得到电动汽车充电负荷的日负荷曲线，并与原始电网负荷曲叠加，从而形成实施效果下的电网实际负荷情况。
在此基础上，建立了以峰谷差率最小为目标的最优化型，并通过遗传算法对峰谷电价时段优化问题进行了求解。
最后通过算例的计算结果证明了模型和方法的合理性。
研究方法也可以使用案例研究如小区电动汽车充电负荷实测分析[10]，通过在电动汽车用户住宅配置充电设施和数据采集装置，对参与测试的电动汽车用户的充电行为跟踪记录，获得了私人电动汽车在住宅充电的数据，为电动汽车充电设施规划建设和电动汽车充电负荷特性研究提供了一定依据，并对私人电动汽车在住宅区的充电特性进行了分析。
电动汽车作为一种分布式储能元件，若能对其充电加以引导，不仅可以起到“削峰填谷”的作用，还可以提高消纳分布式能源的能力。
因此研究电动汽车的充电负荷模型，对电动汽车充电行为进行有序控制，引导用户采用适当的充电策略，充分利用电动汽车充电与分布式能源协调互补特性，对于扩大电力终端用电市场，降低需求侧峰谷差，提高电力供需平衡和电力设备负荷效率，改善电网的负荷特性，减少为维持电网低负荷运转而引起的调峰费用等，具有重要的意义[11]。
1.2.2电动汽车研究的意义
环境方面考虑，城市交通中使用电动汽车可实现极低排放甚至零排放。
即使考虑到给这些电动汽车提供能量的发电厂的排放，仍能显著降低全球的空气污染。
能源方面考虑，电动汽车使用的是可靠的、来源广泛和均衡、环境友好型的能源，例如多种可再生能源。
具体电动汽车有以下的优点：
①噪声小污染低
电动汽车不使用内燃机，不会产生一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物、铅的化合物及颗粒物等废气，也不会产生排气污染，有利于空气洁净和环境保护，几乎是“零污染”。
同时电动汽车的电动机噪声较内燃机小。
②能源多样化效率高
研究表明，电动汽车的能源效率已超过普通汽车。
在城市行驶中，汽车行驶速度不快，走走停停。
电动汽车在停止时不消耗电量，在制动的过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用；此外，电动汽车的应用可有效减少对石油资源的消耗，其蓄电池充电的电力可由天然气、煤碳、核能、水力、风能、太能等能源转化。
当在夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。
③结构简单，使用和维修方便
电动汽车较内燃机汽车结构简单，传动、运转部件较少，从而维修保养工作量小。
当采用交流感应电动机时，其电机无需保养维护。
1.3本文主要工作
影响电动汽车充电负荷的主要因素包括起始荷电状态（stateofcharge,SOC）、电动汽车规模、充电时间、动力电池容量、充电功率等因素。
本文主要对中国电动汽车的发展现状及趋势进行了分析，结合实地调研讨论了未来主要类型电动汽车对应的充电方式和充电时间，提出了电动汽车充电负荷计算模型以及基于蒙特卡洛模拟的电动汽车充电负荷计算方法，并对中国未来电动汽车中私家车的充电负荷进行了计算分析。
本文共分为六章，除第一章“绪论”和第六章“总结与展望”，正文可以分为四个部分：
第二章：
不同类型的电动汽车不同充电特性分析
第三章：
单个电动汽车充电负荷模型建立。
第四章：
大量电动汽车日充电负荷特性模拟
第五章：
根据曲线分析大量私家电动汽车无序接入电网对电网影响
2不同类型电动汽车不同充电特性分析
本文所指的电动汽车的类型主要是不同用途的汽车，如私家车、公用车等。
不同类型电动汽车的电池特性、充电时间和频率都不同。
充电类型如表1。
表2.1不同类型电动汽车的充电方式
充电额定额定适用图示
模式电压/V电流/A场所
L1单相22016家用
单相22032
L2三相38032商场、停车场等
三相38063
高速公路服务区、
L3600300充电站等
2.1 公交车充电模式
根据对南京地区公交车运营的调研情况，公交车日均行驶里程约150-200km。
首班发车时间5:
30-6:
30，末班发车时间22:
00-23:
00。
每天上、下班时（6:
30-9:
00，16:
30-18:
30）为公交车运行高峰时段。
高峰时段发车间隔较短，一般为3～5min，所有车辆均需参与运行，其余时段发车间隔较长，为7～8min。
目前示范运营的电动公交车额定行驶里程约为200km，考虑到安全等因素，一次充电难以满足一天的运营需求。
电动公交车在白天运营过程中需要至少充电1次，且在高峰时段，电动公交车不能充电。
由于公交车运营时间、地点相对集中，可以在现有停车场建设充电设施进行集中充电。
在白天运营时段内，公交车难以长时间停留，进行快速充电；在夜间停运时段进行常规充电。
依据上述分析作出一种合理的假设：
电动公交车白天充电的时间为10:
00-16:
30，夜间充电的时间为23:
00-5:
30。
充电方式与对应时间段见图2.1
0:
006:
0012:
0018：
0024：
00
图2.1公交车充电方式与对应时间段
假设电动公交车每天需要充电2次，每次充电的起始SOC服从正态分布Ｎ（0.5，0.12），即起始SOC的期望值为0.5，其分布在［0.2，0.8］范围内的概
率超过99.5%。
见图2.2
图2.2起始SOC概率密度分布
2.2出租车充电模式
根据对南京地区出租车运营的调研情况，出租车日均行驶里程为350～500km。
每辆出租车由2名司机轮流驾驶，分大班和小班2种模式。
大班出租车司机每24h倒一次班，小班出租车司机每12h倒一次班。
目前大班与小班比例约为5:
1。
大班司机每天晚上在2:
00—5:
00休息约2h，在这段时间内可进行常规充电。
午餐时间在11:
30—14:
30，有1h左右停止运营，在这段时间内可进行快速充电。
小班司机由于需要倒班，运营过程中休息时间较短，只能进行快速充电，能进行快速充电的时间为11:
30—14:
00和2:
00—4:
00。
以目前在深圳进行电动出租车示范运营的BYDE6为参考，该车额定行驶里程为300km（实际市区行驶里程要小于额定行驶里程），一次充电难以满足一天的行驶需要，假设电动出租车在一天的运营过程中进行2次充电。
充电类型与对应时间段。
见图2.3
出租车大
0:
006:
0012:
0018：
0024：
00
出租车小
0:
006:
0012:
0018：
0024：
00
图2.3出租车充电类型与对应时间段
起始SOC满足正态分布N（0.3，0.122）。
如图2.4
图2.4起始SOC概率密度分布
2.3 公务车充电模式
公务车未执行公务时，即可进行充电，因此在大多数情况下有充足的充电时间，其充电模式多采用慢速或常规充电。
目前大部分公务车实行夜间停在指定停车地点的制度，假设充电起始时间大致在机关单位下班后至第2天上班之前，也即18:
00—7:
00。
为了满足第2天工作需要，假设公务车需每天充电，起始ＳＯＣ满足正态分布Ｎ（0.4，0.122）。
充电类型与对应时间段如图2.5
公务车
0:
006:
0012:
0018：
0024：
00
图2.5公务车充电类型与对应时间段
2.4 私家车充电模式
私家车主要被用于车主上、下班以及休闲娱乐等，相应的充电地点主要包括单位办公停车场、居民停车场、商场超市停车场等。
仍以南京地区私家车出行为例，上班出发高峰时段为7:
00—9:
00，占私家车总量的66.95%。
车辆到达高峰时段为7:
30—9:
30，占私家车总量的71.95%[11]。
私家车在办公以及居民停车场停放时间较长，能够对其进行常规或者慢速充电，充电时间为到达上班地点之后至下班时间以及下班回家后至次日早晨上班之前，即7:
30—17:
00和19:
00—7:
00。
在
城市商业区，私家车可能的充电地点为商场、超市等专用或公共的停车场。
根据南京某大型商场和某超市实际调研了近万辆私家车辆的停车行为，其停车时间分布见图2.6，平均停车时间为79.78min。
百分比%
图2.6 私家车商场、超市停车时间分布
结合中国充电标准，在这类地点将进行常规充电，基于调研数据假设能够进行充电的时长大致为80min，在工作日和节假日其可能的充电时间分别为19:
00—22:
00和12:
00—22:
00[12]。
则充电类型和对应时间段如图2.7.
私家车
平日0:
006:
0012:
0018：
0024：
00
私家车
周末0:
006:
0012:
0018：
0024：
00
图2.7私家车充电类型与对应时间段
综上，出租车、公交车日均行驶里程较长，需充电2次以满足其一天的运营需要，公交车、大班出租车夜间停放时间较长，可采用常规充电，而白天采用快速充电。
小班出租车停车时间较短，采用快速充电。
公务车可在单位停车场进行慢速或者常规充电。
当私家车充电地点为办公、居民停车场时，可采用慢速或者常规充电；在商场、超市停车场等休闲娱乐场所时，充电方式为常规充电。
3单辆电动汽车充电负荷模型的建立
电动汽车作为一种交通工具，使用者倾向于在自己方便的时候充电，而不是在电网希望的时候充电，因此，不加以管理或引导的自由充电可能对电网负荷造成消极影响。
为了研究电动汽车充电对电网的影响，首先需要对其负荷特性进行建模研究。
由于出租车、公交车、与公务车可以较方便的对其充电行为进行约束，而私家电动汽车的充电行为有多种不确定性，大量私家电动汽车同时接入电网时，其负荷对电网运行的影响不可忽略。
3.1电池特性
电池的特性也是影响电动汽车充电的一个重要因素。
一般电动汽车电池容量C为1～30kWh。
电池具有快速响应能力，通常只需要毫秒级即可达到其最大输出功率，同时一般完全充满电需要少于等于5个小时。
因此，普通容量电动汽车每小时充电功率为0.2～6kW。
当电动汽车接入电网充电时，电动汽车电池充电SOC不断增大，电池充满时SOC为100%。
反之当汽车处于行驶状态时，SOC不断减小。
正常充电模式下，电动汽车每小时充电功率为0.2C，充电时间为5h，快速充电模式下，电动汽车每小时充电功率为1.25C，充电时间为0.8h。
3.2私人电动汽车行驶与充电特性
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