張浩，唐霧婺，張寧，張衛(wèi)國(guó)

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211000）

電動(dòng)汽車移動(dòng)式換電服務(wù)研究

張浩，唐霧婺，張寧，張衛(wèi)國(guó)

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211000）

為了解決電動(dòng)汽車規(guī)?；瘧?yīng)用的問題，針對(duì)電動(dòng)汽車能源供給方式，介紹了電動(dòng)汽車的移動(dòng)式換電服務(wù)。提出了以移動(dòng)式換電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式為基礎(chǔ)的換電服務(wù)模型，考慮了實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)移動(dòng)式換電服務(wù)產(chǎn)生影響的因素。在電動(dòng)汽車的主流能源供給設(shè)施投入建設(shè)之前，移動(dòng)式換電服務(wù)可以作為一種過渡性的能源供給方式；當(dāng)主流能源供給設(shè)施建設(shè)完備時(shí)，移動(dòng)式換電服務(wù)也可以作為一種補(bǔ)充方式，進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋范圍的同時(shí)，提供靈活便利的能源供給服務(wù)。

電動(dòng)汽車；移動(dòng)換電；能源供給；服務(wù)策略

隨著全球能源以及環(huán)境危機(jī)的加劇，化石燃料的日益枯竭，全球氣溫的不斷上升，環(huán)境不斷惡化，人們對(duì)清潔、可再生能源的關(guān)注、研究和利用越來越多，逐漸認(rèn)識(shí)到發(fā)展電動(dòng)汽車是未來交通發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-4]。由于車用動(dòng)力電池的容量，充電便捷性等問題一直是電動(dòng)汽車的發(fā)展瓶頸[5]，所以能源供給方式是電動(dòng)汽車規(guī)?；l(fā)展過程中必須要考慮的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。電動(dòng)汽車能源供給方式目前有常規(guī)交流充電、快速直流充電和電池更換3種[6-7]。無論是快充還是慢充都有一定的缺陷，而且大規(guī)模電動(dòng)汽車隨機(jī)接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響[8]。換電憑借著服務(wù)高效便捷，電池維護(hù)可靠等特點(diǎn)，并且響應(yīng)了國(guó)家電網(wǎng)公司提出“換電為主，充電為輔”的服務(wù)模式，已發(fā)展成為新的研究趨勢(shì)。

文獻(xiàn)[9]利用MATLAB仿真軟件建立了充電服務(wù)系統(tǒng)的排隊(duì)模型，找尋用戶與充電服務(wù)站間的平衡點(diǎn)，優(yōu)化充電站的資源配置。文獻(xiàn)[10]在配送站位置和需求容量已知的情況下，計(jì)算配送站的重心，利用離散粒子群算法計(jì)算得出充電站位置和配送范圍。文獻(xiàn)[11]以用戶更換電池的總加權(quán)距離最短以及充換電設(shè)施的成本最低為目標(biāo)，通過區(qū)域內(nèi)交通流量，使用交叉中值法、貪婪算法和粒子群算法優(yōu)化確定配送站的位置。文獻(xiàn)[12]介紹以色列和丹麥的換電的發(fā)展與應(yīng)用，以服務(wù)質(zhì)量和費(fèi)用為目標(biāo)，對(duì)電動(dòng)汽車換電站的建設(shè)進(jìn)行了規(guī)劃。這些固定地點(diǎn)的充換電站在運(yùn)營(yíng)模式及覆蓋面上還存在相應(yīng)的不足。

本文介紹一種移動(dòng)式的電動(dòng)汽車換電服務(wù)。提出了移動(dòng)式換電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式為基礎(chǔ)的換電服務(wù)模型，比較分析了2種服務(wù)策略各自的特點(diǎn)。同時(shí)考慮了實(shí)際應(yīng)用時(shí)，影響移動(dòng)式換電服務(wù)質(zhì)量的因素。結(jié)果表明：在電動(dòng)汽車的主流能源供給設(shè)施投入建設(shè)之前，移動(dòng)式換電服務(wù)可以作為一種過渡性的能源供給方式；而當(dāng)主流能源供給設(shè)施建設(shè)完備時(shí)，移動(dòng)式換電服務(wù)也可以作為一種補(bǔ)充方式，在進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋范圍的同時(shí)，提供靈活便利的能源供給服務(wù)。

1 移動(dòng)式換電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)模式

根據(jù)服務(wù)覆蓋范圍內(nèi)主流能源供給設(shè)施建設(shè)的實(shí)際情況，為在大型充換電站等主流設(shè)施建設(shè)完成之前，移動(dòng)式換電服務(wù)可作為一種過渡性的能源供給方式。換電網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)包含小規(guī)模的集中型電池充電站，移動(dòng)式換電服務(wù)平臺(tái)，調(diào)度管理系統(tǒng)。圖1為這種過渡性移動(dòng)式換電網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。其中，能源耗盡的電動(dòng)汽車通過無線通信方式向調(diào)度管理系統(tǒng)發(fā)出換電服務(wù)申請(qǐng)，調(diào)度管理系統(tǒng)收到申請(qǐng)后隨即向電動(dòng)汽車發(fā)出響應(yīng)。根據(jù)一定的服務(wù)策略，調(diào)度管理系統(tǒng)同時(shí)向移動(dòng)式換電平臺(tái)發(fā)出服務(wù)指令[13]。移動(dòng)式換電平臺(tái)收到服務(wù)指令后立刻趕往申請(qǐng)者所在地點(diǎn)為其提供換電服務(wù)。當(dāng)換電平臺(tái)上所有充滿的電池用完之后，立刻回到集中型充電站更換下一批充滿的電池，繼續(xù)進(jìn)行換電服務(wù)。集中型充電站負(fù)責(zé)電池的充電、管理、維護(hù)、保養(yǎng)，并且在調(diào)度管理系統(tǒng)的支配下利用夜間進(jìn)行有序的集中充電，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的優(yōu)勢(shì)，一般設(shè)置在換電服務(wù)覆蓋范圍的中心位置。

圖1 過渡性移動(dòng)式換電網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic structure of the transitional mobile battery-swapping network

當(dāng)主流能源供給設(shè)施建設(shè)完善之后，移動(dòng)式換電服務(wù)也可以作為一種補(bǔ)充方式，在進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋范圍的同時(shí)，提供靈活便利的能源供給服務(wù)。此時(shí)，電池的集中充電可以依托大型充換電站及其下屬的電池配送站來完成。補(bǔ)充性移動(dòng)式換電網(wǎng)絡(luò)的其他功能部分類似于過渡性移動(dòng)式換電網(wǎng)絡(luò)。

2 移動(dòng)式換電服務(wù)的建模

在現(xiàn)實(shí)世界里，與移動(dòng)式換電類似的服務(wù)場(chǎng)景比比皆是，比如救護(hù)車服務(wù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)等?；镜姆?wù)過程如圖2所示，可以描述為：客戶（client）提出服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)平臺(tái)（server）接到請(qǐng)求后根據(jù)一定的服務(wù)策略或服務(wù)原則作出決策，根據(jù)決策結(jié)果為相應(yīng)客戶提供服務(wù)，服務(wù)完當(dāng)前客戶后接著服務(wù)下一個(gè)客戶，直到所有的服務(wù)都完成，服務(wù)平臺(tái)進(jìn)入等待模式。當(dāng)然，以上過程的執(zhí)行是基于服務(wù)平臺(tái)服務(wù)能力無限的假設(shè)，實(shí)際還涉及到服務(wù)能力的更新問題。

圖2 移動(dòng)式換電服務(wù)的模型Fig.2 Model of the mobile battery-swapping service

2.1 服務(wù)請(qǐng)求接收

該部分描述了調(diào)度管理系統(tǒng)接到電動(dòng)汽車換電服務(wù)請(qǐng)求的過程。本文假設(shè)電動(dòng)汽車換電服務(wù)請(qǐng)求的接收過程呈現(xiàn)泊松分布，即2個(gè)服務(wù)請(qǐng)求之間的時(shí)間間隔呈現(xiàn)指數(shù)分布。作出這個(gè)假設(shè)主要基于2點(diǎn)現(xiàn)實(shí)情況的考慮：第一，換電服務(wù)覆蓋范圍內(nèi)電動(dòng)汽車的總數(shù)相對(duì)較大，并且特定的一輛電動(dòng)汽車在特定的某個(gè)時(shí)刻發(fā)出換電服務(wù)請(qǐng)求的概率相對(duì)較低；第二，每輛電動(dòng)汽車向調(diào)度管理系統(tǒng)發(fā)出換電服務(wù)請(qǐng)求的事件是相對(duì)獨(dú)立的。因此，符合2個(gè)條件的服務(wù)請(qǐng)求接收過程可以通過泊松分布來進(jìn)行建模，其概率函數(shù)表示為：

其中，期望和方差均為λ。

2.2 服務(wù)策略

移動(dòng)式電動(dòng)汽車換電服務(wù)的策略主要定義了發(fā)出請(qǐng)求的電動(dòng)汽車得到換電服務(wù)的先后順序。通常的服務(wù)策略主要包括先申請(qǐng)先服務(wù)，就近服務(wù)，最緊急先服務(wù)等。其中，先申請(qǐng)先服務(wù)的概念比較直接明了，不再贅述；就近服務(wù)是指在完成當(dāng)前換電服務(wù)后，選擇離服務(wù)平臺(tái)空間最近的電動(dòng)汽車作為下一個(gè)服務(wù)對(duì)象；而最緊急先服務(wù)則是指將最需要率先完成換電的客戶作為下一個(gè)服務(wù)對(duì)象。根據(jù)之前的研究結(jié)果，就近服務(wù)的整體性能比其他2種策略有優(yōu)勢(shì)[13]。主要原因在于就近服務(wù)策略本質(zhì)上最大程度縮短了服務(wù)平臺(tái)到達(dá)下一個(gè)客戶的距離，因此減少了完成服務(wù)所需的時(shí)間。

2.3 服務(wù)完成

該分描述了被服務(wù)的電動(dòng)汽車如何開展換電服務(wù)直至服務(wù)完成。決定換電服務(wù)完成時(shí)間的因素有2個(gè)：一是每輛電動(dòng)汽車完成換電所需要的時(shí)間；二是服務(wù)平臺(tái)的數(shù)量。其中，前者又受到2個(gè)因素的影響，分別是服務(wù)平臺(tái)到達(dá)指定客戶所需要的時(shí)間以及更換電池所花費(fèi)的時(shí)間。顯然，服務(wù)平臺(tái)到達(dá)指定客戶花費(fèi)的時(shí)間由2者之間的距離和服務(wù)平臺(tái)移動(dòng)的速度決定。2個(gè)隨機(jī)地點(diǎn)之間距離d在單位面積下的概率分布可由以下概率函數(shù)表示：

3 實(shí)際因素的考慮

在第2節(jié)的分析討論中，簡(jiǎn)單的假設(shè)移動(dòng)式換電平臺(tái)的服務(wù)能力是無限的，能夠完成所有發(fā)出請(qǐng)求的電動(dòng)汽車的能源供給。這一假設(shè)在現(xiàn)實(shí)情況下顯然是不可能滿足的。換電平臺(tái)的服務(wù)能力受到平臺(tái)車輛載重和電池單體儲(chǔ)能密度的限制。因此，需要考慮當(dāng)服務(wù)平臺(tái)能源接近耗盡時(shí)返回集中型充電站更新服務(wù)能力的情況。通常的方案是當(dāng)換電平臺(tái)檢測(cè)到搭載的服務(wù)能力接近耗盡時(shí)，即刻返回集中型充電站進(jìn)行能源更新。一旦更新完畢，服務(wù)平臺(tái)根據(jù)就近服務(wù)原則重新選擇下一個(gè)客戶。

另一個(gè)需要考慮的實(shí)際因素是服務(wù)平臺(tái)的待機(jī)狀況。待機(jī)是指當(dāng)換電平臺(tái)完成了對(duì)當(dāng)前客戶的服務(wù)，但后續(xù)沒有請(qǐng)求換電服務(wù)的其他客戶。這時(shí)服務(wù)平臺(tái)可以選擇返回集中型充電站，一方面可以補(bǔ)給能源，更新服務(wù)能力；另一方面可以最小化與下一個(gè)潛在客戶的距離。

4 結(jié)語

本文介紹了一種移動(dòng)式電動(dòng)汽車換電服務(wù)。與固定換電站的服務(wù)模式相比，移動(dòng)式的換電服務(wù)具備靈活方便，覆蓋范圍廣，投資成本低等優(yōu)勢(shì)。在給出移動(dòng)式換電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式的基礎(chǔ)上，對(duì)移動(dòng)式換電服務(wù)進(jìn)行了系統(tǒng)建模。同時(shí)考慮了實(shí)際應(yīng)用時(shí)，會(huì)對(duì)移動(dòng)式換電服務(wù)產(chǎn)生影響的因素。結(jié)果表明：在電動(dòng)汽車的主流能源供給設(shè)施投入建設(shè)之前，移動(dòng)式換電服務(wù)可以作為一種過渡性的能源供給方式；而當(dāng)主流能源供給設(shè)施建設(shè)完備時(shí)，移動(dòng)式換電服務(wù)也可以作為一種補(bǔ)充方式，進(jìn)一步擴(kuò)大覆蓋范圍的同時(shí)，提供靈活便利的能源供給服務(wù)。

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（編輯 董小兵）

Mobile Battery-Swapping Service for Electric Vehicles

ZHANG Hao，TANG Wuwu，ZHANG Ning，ZHANG Weiguo
（State Grid Nari Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211000，Jiangsu，China）

In order to solve the problem of the large-scaled application of electric vehicles and in view of the energy supply mode of electric vehicles，this paper introduces the mobile battery-swapping service.The paperproposesa batteryswapping service model based on mobile battery-swapping network operation mode and takes the factors that influence the performance of the mobile battery-swapping service in the practical application into consideration.Finally，it is concluded that mobile style service can be treated as an interim approach before the mainstream energy supply infrastructure is completed，and after completion of the mainstream infrastructure，the mobile style service still plays a complementary role to further expand the coverage area and provide flexible and convenient energy supply.

electric vehicle；mobile battery-swapping；energy supply；service strategy

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（[2012]763號(hào)）；國(guó)家發(fā)改委項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電綜合管理與能效提升技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”。

Project Supported by Science and Technology Program of SGCC（[2012]763）；“Technology Research and Industrialization on Comprehensive Management and Efficiency of Intelligent Power Based on IOT”by National Development and Reform Commission（NDRC）Project.

1674-3814（2016）10-0142-04

TM922.0；U469.72

B

2016-03-02。

張 浩（1971—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充換電技術(shù)。