李炳華 / 賈 佳 / 岳云濤 / 覃劍戈

(1. 悉地國際建筑設計顧問有限公司，北京 100013； 2. 北京建筑大學，北京 100044)

交流充電樁需要系數(shù)研究

李炳華1/ 賈 佳2/ 岳云濤2/ 覃劍戈2

(1. 悉地國際建筑設計顧問有限公司，北京 100013； 2. 北京建筑大學，北京 100044)

交流充電樁是一種采用傳導方式為具備車載充電機的電動汽車提供交流電能的專用裝置，也是最常用的電動汽車充電方式。但現(xiàn)今卻沒有交流充電樁需要系數(shù)的相關資料，從而影響了交流充電樁供配電系統(tǒng)的設計。通過調(diào)研、實測不同場所不同臺數(shù)的單相和三相交流充電樁實際運行數(shù)據(jù)，采用頻數(shù)估計法分析數(shù)據(jù)給出交流充電樁需要系數(shù)的建議值。

交流充電樁 需要系數(shù) 充電功率 額定功率 正態(tài)分布 頻數(shù)分布

0 概述

1)背景意義

2017年1月13日，中國乘聯(lián)會發(fā)布了2016年全年新能源汽車銷量統(tǒng)計。數(shù)據(jù)顯示，新能源乘用車總體銷量32萬臺，同比增長84%。其中純電動汽車銷售24萬臺，增長116%；插電混動汽車銷售8萬臺，增長26%。電動汽車以其節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟安全等特點受到社會各界的青睞，其普及將對排放污染和能源短缺問題的解決有著重要的意義。

目前，電動汽車的常見充電設備主要包括對車載充電機充電的交流充電樁、俗稱直流充電樁的非車載充電機以及充電主機系統(tǒng)。如今很多大型商場或?qū)懽謽堑耐＼噲?庫)都裝有直流/交流充電樁，這使得電動汽車的充電和續(xù)航更為方便。使用直流充電設施功率較大故而較為快速，但對電網(wǎng)沖擊較大，對電池壽命不太有利。交流充電樁功率較小，完成充電的時間大約在6～8h，但其價格便宜，對電池壽命也比較有利。近些年一些電動汽車制造商推出幾款新型電動汽車，交流充電功率達42kW,僅需1～2h即可充滿電池，因此42kW三相交流充電樁得以迅速發(fā)展。

2)需要系數(shù)Kx值

需要系數(shù)即用電設備實際所需要的功率與其額定功率的比值，詳見公示(1)。

(1)

式中，Pc為計算有功功率，也稱為需要功率，此負荷的熱效應與實際負荷的最大熱效應相等，因此可以從實際運行的功率獲得，kW；Pe為額定功率；kW。

需要系數(shù)Kx是采用需要系數(shù)法計算的重要參數(shù)，對負荷計算的結(jié)果及合理選用變壓器有重要意義。

1 交流充電樁需要系數(shù)研究

1.1 充電功率的確定

交流充電樁分為單相和三相交流充電樁。單相交流充電樁常見額定功率為7kW，向下兼容，即可以給額定功率為7kW及以下(包括常見的3.3kW)的電動汽車充電，這種充電樁較為經(jīng)濟便宜，故應用比較普遍。三相交流充電樁常見功率為42kW，向下兼容，多用于公共場所及公共交通運營單位。

筆者調(diào)研某小型充電站一天內(nèi)的充電總功率，其數(shù)據(jù)變化如圖1所示。由圖1可知，一天內(nèi)充電功率在不同時段有較大差異，在夜間23∶00到凌晨1∶00電動汽車的使用率低，因此為充電高峰，此時充電樁的最大總功率可達500kW；在中午12∶00到下午2∶00為第二個充電高峰時段，最大總功率大約可達340kW；而在上午8∶00電動汽車多在使用，充電功率接近0kW，這種現(xiàn)象與人們?nèi)粘Ｉ钭飨⒂兄^大聯(lián)系。確定充電功率需要考慮到整個供配電系統(tǒng)的實際情況，因此，根據(jù)熱效應原則，充電功率取30min最大平均功率。

圖1 某充電站24h內(nèi)充電總功率變化情況

事實上，在交流充電樁充電過程中，其工作電壓基本是恒定的，如圖2所示，交流充電樁實際充電電壓基本維持在220V不變，因此需要系數(shù)也可通過分析電流數(shù)據(jù)來確定，Kx約為充電電流與額定電流之比。

圖2 充電樁充電電壓變化趨勢

1.2 研究方法

筆者調(diào)研了單相與三相交流充電樁的工作狀態(tài)，得到了實際運行需要系數(shù)的樣本組。通過一定的數(shù)據(jù)分析即可得到需要系數(shù)的選取范圍，分析過程如下。

分析數(shù)據(jù)需要樣本組具有可靠、符合實際的特點，因此首先應對樣本組進行壞點處理，使得數(shù)據(jù)更具有代表性。去除壞點后，選取適當?shù)臄?shù)理統(tǒng)計方法分析樣本。

一般情況下，可以先假設數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，這里采用SPSS軟件作柯爾莫哥洛夫-斯米爾諾夫檢驗(即K-S檢驗)驗證正態(tài)分布,當顯著性α>0.05時，假設成立。

若已驗證樣本數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布規(guī)律，可根據(jù)正態(tài)分布公式(2)和(3)得出樣本均值μ和標準差σ。

(2)

(3)

式中，n為樣本數(shù)量；xi為樣本值，i=1,2,……，n；μ為樣本均值；σ為標準差。

已知均值和標準差便可求取參考值范圍，此處采用頻數(shù)分布估計法估計任意取值范圍內(nèi)的頻數(shù)比例，制定參考值范圍。公式(4)中，X為雙側(cè)界值即范圍邊界，邊界大小以顯著性水平(即估計總體參數(shù)落在某一區(qū)間內(nèi)可能犯錯誤的概率)α值來確定，其常用值有0.01、0.05、0.10等。鑒于需要系數(shù)只是一個參考值且實際工作時情況復雜，所以不需將參考值范圍定的過小，可取α值為0.10，即參考范圍至少能滿足10%的情況。u值的選取與參考值范圍的選擇有關，常用u值見表1。

X=μ±uσ

(4)

式中，X為雙側(cè)邊界值；u為標準正態(tài)變量。

表1 常用u值統(tǒng)計表

顯著性水平α取0.10，則雙側(cè)界值為P5和P95，即X=(μ±1.645σ)。分析參考范圍合理性并綜合實際運行情況給出需要系數(shù)建議值。

1.3 公共場所單臺單相交流充電樁的需要系數(shù)

單相交流充電樁主要用于家用，過去也用于公共場所，目前還廣為使用。表2為某公共場所標稱功率為7kW的單臺單相交流充電樁的幾組運行數(shù)據(jù)，其實際功率為8kW，經(jīng)峰谷最大值與萊茵達準則判斷，數(shù)據(jù)沒有壞點且具有一定的代表性。

表2 公共場所單臺單相交流充電樁充電數(shù)據(jù)

將以上數(shù)據(jù)用直方圖形式表示會更為直觀便于分析，按數(shù)據(jù)大小排列如圖3所示。

圖3 公共場所單臺單相交流充電樁充電數(shù)據(jù)直方圖

經(jīng)SPSS檢驗顯著性α=0.478>0.05，詳見表3，故此組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布規(guī)律。因此可用正態(tài)分布法分析數(shù)據(jù)，代入正態(tài)分布公式(2)和(3)可得出樣本均值μ=0.731，標準差σ=0.194。

再根據(jù)頻數(shù)分布估計公式(4)可得參考值范圍X=(μ±1.645σ)=(0.412，1.05)。顯然需要系數(shù)1.05是不符合客觀規(guī)律的，所以取(0.412,1.0)作為需要系數(shù)參考值范圍，樣本組中的10組數(shù)據(jù)均符合。由于計算所得范圍較大，考慮到交流充電樁充電時間長(長達8h)，且公共場所充電的電動汽車車型及電池電量的不確定性，所以公共場所單臺單相7kW充電樁的需要系數(shù)建議值Kx≥0.95。

表3 公共場所單臺單相交流充電樁充電數(shù)據(jù)K-S檢驗結(jié)果

1.4 公共場所單臺三相42kW交流充電樁的需要系數(shù)

三相交流充電樁為新近發(fā)展起來的可適應多種車型的充電樁，具有充電快速(通常充電時間為1～2h)、適用面廣的特點。表4為一公共場所單臺額定功率為42kW的三相交流充電樁的幾組運行數(shù)據(jù)，其中最后一組數(shù)據(jù)(第10組數(shù)據(jù))顯然不符合實際，充電功率不應大于額定功率，按壞點處理將其去除，研究剩余9組數(shù)據(jù)。

表4 公共場所單臺三相交流充電樁充電數(shù)據(jù)

將去除壞點后的數(shù)據(jù)用直方圖表示(如圖4)。

同樣，經(jīng)SPSS檢驗顯著性α=0.699>0.05(見表5)，故此組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布規(guī)律。因此可用正態(tài)分布法分析數(shù)據(jù)，代入正態(tài)分布公式2和3得出樣本均值μ=0.748，標準差σ=0.190。

表5 公共場所單臺三相交流充電樁充電數(shù)據(jù)K-S檢驗結(jié)果、

參考值范圍X=(μ±1.645σ)=(0.435，1.061)。顯然需要系數(shù)1.061是不符合客觀規(guī)律的，因此取(0.435,1.0)為需要系數(shù)參考值范圍，樣本組中去除壞點后的9組數(shù)據(jù)均符合此參考值范圍。由于考慮到三相交流充電樁充電時間>30min，且公共場所充電的電動汽車車型和電池電量的不確定性，因此公共場所單臺三相42kW交流充電樁的需要系數(shù)Kx建議取1。

1.5 公共場所多臺單相交流7kW充電樁的需要系數(shù)

在電動汽車充電站一般有多個充電樁，而設備個數(shù)往往會影響需要系數(shù)的大小。筆者獲取了某7kW單相交流充電站在不同臺數(shù)充電樁同時使用時的充電數(shù)據(jù)，見表6中前4列區(qū)域。其中38臺及以下的充電數(shù)據(jù)為實測所得，38臺以上數(shù)據(jù)為推算所得。然后經(jīng)過其他充電站補充數(shù)據(jù)后，對其修正，如表6第5列數(shù)據(jù)。

表6 公共場所多臺單相交流7kW充電樁充電數(shù)據(jù)

將表6中數(shù)據(jù)近似用折線圖表示，詳如圖5。

經(jīng)SPSS檢驗顯著性α=0.765>0.05(見表7)，故此組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布規(guī)律。因此可用正態(tài)分布法分析數(shù)據(jù)，代入正態(tài)分布公式(2)和(3)可得出樣本均值μ=0.311，標準差σ=0.200。

圖5 公共場所多臺單相交流充電樁充電數(shù)據(jù)折線圖

VAR00001N8正態(tài)參數(shù)a,b均值0.3112標準差0.01959最極端差別絕對值0.236正0.236負-0.172Kolmogorov-SmirnovZ0.667漸近顯著性(雙側(cè))0.765

注：a.檢驗分布為正態(tài)分布；b.根據(jù)數(shù)據(jù)計算得到。

根據(jù)頻數(shù)估計法得出參考值范圍X=(μ±1.645σ)=(0，0.640)，此范圍適用于更多臺充電樁同時使用時的數(shù)據(jù)。綜合考慮到充電樁實際充電時間及運行情況，分別給出不同臺數(shù)充電樁同時使用時需要系數(shù)的建議值，見表6第5列數(shù)據(jù)。

表8 運營單位使用的三相交流充電樁數(shù)據(jù)

圖6 運營單位使用的三相交流充電樁數(shù)據(jù)直方圖

1.6 運營單位使用的三相交流充電樁的需要系數(shù)

表8是某電動出租車充電站實際運行數(shù)據(jù)，經(jīng)峰谷最大值與萊茵達準則判斷，樣本組數(shù)據(jù)沒有壞點且具有一定的代表性。

將表8中數(shù)據(jù)用直方圖形式表示會更為直觀及便于分析，如圖6。

經(jīng)SPSS軟件作K-S檢驗顯著性α=0.888>0.05，見表9，故此組數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布規(guī)律。采用正態(tài)分布法分析數(shù)據(jù)，代入正態(tài)分布公式2和3得出樣本均值μ=0.95，標準差α=0.029。

表9 運營單位使用的三相交流充電樁數(shù)據(jù)K-S檢驗結(jié)果

根據(jù)頻數(shù)估計法得出參考值范圍X=(μ±1.645σ)=(0.902 3，0.997 7)，除5臺同時使用的需要系數(shù)是0.9018外，其余10組數(shù)據(jù)均滿足此范圍。由于運營的出租車公司承擔公共交通責任，三相交流充電樁使用率較高，幾乎每天都有所有充電樁同時使用的情況。根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，運營類的三相42kW交流充電樁的需要系數(shù)Kx建議取值不低于0.90。

2 結(jié)論和展望

交流充電樁需要系數(shù)是其實際充電功率與額定功率之比，交流充電樁需要系數(shù)的研究對電動汽車充電樁的電氣設計有著重要的意義，是電氣設計的基礎。文中得出三種交流充電樁需要系數(shù)的范圍是符合工程實際要求的取值范圍，能滿足90%以上交流充電樁的電氣設計需要。綜上所述，交流充電樁需要系數(shù)概為：1)單臺交流充電樁(包括單相和三相)的需要系數(shù)取值為1；2)公共場所多臺單相交流7kW充電樁的需要系數(shù)Kx>0.32，臺數(shù)越多，Kx值越小；3)出租車公司等運營單位使用的三相交流充電樁的需要系數(shù)建議不低于0.9。

本文僅是初探，希望能夠拋磚引玉引起更多電氣界的同仁對電動汽車充電的研究。由于所采集的數(shù)據(jù)有限，對交流充電樁的研究尚有不足之處，有待完善和深入研究，也希望更多的同仁參與到電動汽車充電的研究之中，為電動汽車這一新領域的發(fā)展添磚加瓦。

[1] 中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司組編. 工業(yè)與民用供配電設計手冊(第四版)[M].北京：中國電力出版社，2016.

[2] 賈俊平, 何曉群, 金勇進. 統(tǒng)計學[M].北京: 中國人民大學出版社,2015.

[3] 楊世杰.動態(tài)測試數(shù)據(jù)中壞點處理的一種新方法——絕對值法及應用研究 [J].中國測量技術，2006，1(32).

[4] 中國建筑學會電氣分會編. 民用建筑電氣設計規(guī)范實施指南[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[5] 李炳華，覃劍戈，岳云濤，賈佳. 充電主機系統(tǒng)需要系數(shù)的研究[J].建筑電氣,2017.5.

Research on the Demand Coefficient of AC Charging Pile

Li Binghua / Jia Jia / Yue Yuntao / Qin Jiange

AC charging pile is a special device that uses conduction mode to provide AC energy for electric vehicles with on-board charger, and it is also the most commonly used charging mode for electric vehicles. However, there is no relevant information about the demand coefficient of AC charging pile, which affects the design of the power supply and distribution system of AC charging pile. Through investigating and measuring the actual operation data of single-phase and three-phase AC charging piles in different places and different numbers, the frequency estimation method is used to analyze the data and the recommended values of AC charging pile’s required coefficients are given.

AC charging pile, demand coefficient, charging power, rated power, normal distribution, frequency distribution