趙高飛，孫云蓮，張笑迪，段 慶

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072)

電動(dòng)汽車(chē)充電站智能化調(diào)度研究

趙高飛，孫云蓮，張笑迪，段 慶

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072)

通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)充電站智能化調(diào)度控制，服務(wù)器將充電站信息發(fā)送給已請(qǐng)求充電的電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)，用戶(hù)根據(jù)其提供的信息，選擇最近且有空余充電位的充電站進(jìn)行充電。該智能化調(diào)度可以幫助電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)快速就近找到充電站，有效減少充電等待時(shí)間。

電動(dòng)汽車(chē)；充電站；智能化調(diào)度

電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展改變了以往的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，從使用一次能源變?yōu)槭褂枚文茉?，這種結(jié)構(gòu)的改變使得電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加分散，電動(dòng)汽車(chē)和配電網(wǎng)之間的連接關(guān)系通過(guò)在電動(dòng)汽車(chē)活動(dòng)范圍內(nèi)建立充電站來(lái)完成。因此，研究充電站建設(shè)和布局成為推廣電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的重點(diǎn)[1]。

充電站建設(shè)對(duì)供電部門(mén)和電力運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，首要考慮的是配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，其次是協(xié)調(diào)好供電部門(mén)和電力運(yùn)營(yíng)商之間的關(guān)系。不考慮電動(dòng)汽車(chē)家用充電樁，電動(dòng)汽車(chē)公共充電站需要為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，許多文獻(xiàn)研究了電動(dòng)汽車(chē)公共充電站的優(yōu)化布局，并進(jìn)一步研究了智能電網(wǎng)條件下公共充電站在電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)之間電能的相互轉(zhuǎn)化。本文研究了電動(dòng)汽車(chē)在市區(qū)或高速公路需要進(jìn)行充電時(shí)，如何快速便捷地找到充電站及時(shí)進(jìn)行充電，提高用戶(hù)工作的時(shí)效性。主要方法是針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的各種情況，通過(guò)服務(wù)器信息系統(tǒng)自動(dòng)完成充電站信息收集并發(fā)送給用戶(hù)，完成充電站的智能化調(diào)度，此方法可有效降低用戶(hù)充電等待時(shí)間，同時(shí)也可分散電網(wǎng)負(fù)荷，使電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電網(wǎng)的影響降到最小。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電站基本框架

電動(dòng)汽車(chē)充電站是由一個(gè)或幾個(gè)充電接口組成，與配電網(wǎng)相連接，完成電動(dòng)汽車(chē)充電的基礎(chǔ)設(shè)施。與電網(wǎng)連接部分可以是變壓器、發(fā)電機(jī)或其他電能儲(chǔ)存設(shè)備，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)提供可靠的充電服務(wù)，電動(dòng)汽車(chē)充電站的選址、投資、經(jīng)營(yíng)管理和維護(hù)由運(yùn)營(yíng)商完成，電網(wǎng)提供電力供應(yīng)[2]。

電動(dòng)汽車(chē)充電站可以通過(guò)配電網(wǎng)獲取電能，在高速公路和偏遠(yuǎn)地區(qū)也可通過(guò)風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電獲取電能，運(yùn)營(yíng)商通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)充電站進(jìn)行經(jīng)營(yíng)和管理，充電站的所有信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸至服務(wù)器信息系統(tǒng)，由服務(wù)器自動(dòng)對(duì)充電站進(jìn)行調(diào)度，并將信息發(fā)送至請(qǐng)求充電的電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)。圖1為電動(dòng)汽車(chē)充電站基本框架，圖2為電動(dòng)汽車(chē)、充電站、服務(wù)器主從關(guān)系。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)充電站基本框架

圖2 電動(dòng)汽車(chē)、充電站、服務(wù)器主從關(guān)系

2 電動(dòng)汽車(chē)充電站智能化調(diào)度

2.1 電動(dòng)汽車(chē)發(fā)送請(qǐng)求

電動(dòng)汽車(chē)在行駛途中，隨著電量消耗，需要實(shí)時(shí)掌握充電站的相關(guān)信息，用戶(hù)可以通過(guò)內(nèi)置于移動(dòng)設(shè)備的程序連接到互聯(lián)網(wǎng)或者GPS服務(wù)器，從而獲取可用充電站的相關(guān)信息，充電站服務(wù)器接到用戶(hù)的充電請(qǐng)求后，進(jìn)行判斷和分析，將信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，流程如圖3所示，主要包括：充電站服務(wù)器讀取電動(dòng)汽車(chē)充電請(qǐng)求；充電站服務(wù)器獲取電動(dòng)汽車(chē)坐標(biāo)和充電站位置布局；充電站服務(wù)器讀取電動(dòng)汽車(chē)電池容量、剩余電量、剩余行駛距離和路況信息，同時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中充電站位置信息和工作負(fù)荷信息；充電站服務(wù)器計(jì)算各充電站到電動(dòng)汽車(chē)最短距離，并將其排序；充電站服務(wù)器查詢(xún)最近充電站是否滿載；若最近充電站已滿載，服務(wù)器尋找下一個(gè)最近充電站，此過(guò)程循環(huán)往復(fù)直到服務(wù)器找到未滿載的充電站；服務(wù)器找到未滿載的充電站，將信息保存。

圖3 電動(dòng)汽車(chē)發(fā)送充電請(qǐng)求流程

2.2 電動(dòng)汽車(chē)接收充電站服務(wù)器信息

圖4 電動(dòng)汽車(chē)接收服務(wù)器信息流程

充電站服務(wù)器接到電動(dòng)汽車(chē)充電請(qǐng)求信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算將距離電動(dòng)汽車(chē)最近的充電站信息和電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)信息發(fā)送至電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)。具體流程如圖4所示，主要包括：服務(wù)器讀取電動(dòng)汽車(chē)充電請(qǐng)求(電動(dòng)汽車(chē)坐標(biāo)、電池容量、剩余電量、剩余行駛里程)；服務(wù)器讀取充電站信息(充電站位置、與電動(dòng)汽車(chē)距離、行駛路徑、是否滿載、在充電動(dòng)汽車(chē)剩余充電時(shí)間)；服務(wù)器讀取電網(wǎng)信息(實(shí)時(shí)電價(jià))；服務(wù)器將讀取的電動(dòng)汽車(chē)、充電站和電網(wǎng)信息進(jìn)行處理[3]；服務(wù)器將已處理的信息發(fā)送至請(qǐng)求充電電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)。

2.3 電動(dòng)汽車(chē)登記/注冊(cè)

電動(dòng)汽車(chē)根據(jù)充電站服務(wù)器發(fā)來(lái)的信息，通過(guò)推薦路徑到達(dá)最近充電站后，在充電前進(jìn)行登記/注冊(cè)，當(dāng)太多電動(dòng)汽車(chē)同時(shí)到達(dá)同一充電站時(shí)，而充電站沒(méi)有足夠的充電位，電動(dòng)汽車(chē)需要等待充電直到有空余充電位，若有空余充電位，登記/注冊(cè)后直接進(jìn)行充電，具體流程如圖5所示，主要包括：電動(dòng)汽車(chē)到達(dá)最近充電站，登記/注冊(cè)到達(dá)信息；充電站服務(wù)器核查該充電站充電位工作數(shù)量和閑置數(shù)量；服務(wù)器判定該充電站是否滿載；若充電站未滿載，充電站負(fù)荷設(shè)置為當(dāng)前充電負(fù)荷+1；電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入充電模式；若充電站滿載，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入等待充電模式；服務(wù)器不間斷接收充電站信息，判斷是否有空余充電位，若有，發(fā)送信息到待充電汽車(chē)，進(jìn)入充電模式；若沒(méi)有，待充電電動(dòng)汽車(chē)?yán)^續(xù)等待，直到有空余充電位。

圖5 電動(dòng)汽車(chē)登記/注冊(cè)流程

2.4 電動(dòng)汽車(chē)充電開(kāi)始

電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入空余充電位，將充電接頭連接至電動(dòng)汽車(chē)，開(kāi)始充電，服務(wù)器讀取電動(dòng)汽車(chē)信息(電池容量、剩余電量)、充電接頭信息(充電功率)、電網(wǎng)信息(實(shí)時(shí)電價(jià))，經(jīng)計(jì)算處理后得出充電所需時(shí)間和充電費(fèi)用，并將信息發(fā)送至充電位顯示屏和用戶(hù)終端[4]，由用戶(hù)判定是否需要等待電動(dòng)汽車(chē)滿充，流程如圖6所示，主要包括：電動(dòng)汽車(chē)連接充電接頭，開(kāi)始充電；服務(wù)器讀取電動(dòng)汽車(chē)信息、充電接頭信息和電網(wǎng)信息；服務(wù)器計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)長(zhǎng)和充電費(fèi)用，并將信息發(fā)送至電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)終端和充電位顯示屏；用戶(hù)根據(jù)信息和工作任務(wù)判定是否進(jìn)行滿充；選擇滿充，則原地等待直到充滿，也可選擇就近辦事，服務(wù)器實(shí)時(shí)將充電信息發(fā)送至客戶(hù)終端，充滿時(shí)提車(chē)；不選擇滿充，則選擇充電時(shí)間和充電量以滿足工作需要，達(dá)到要求時(shí)斷電取車(chē)離開(kāi)。

圖6 電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始充電流程

2.5 電動(dòng)汽車(chē)充電請(qǐng)求取消

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)在前往服務(wù)器建議的充電站的途中，發(fā)現(xiàn)有距離更近的充電站剛好有空余充電位，則用戶(hù)向服務(wù)器發(fā)送取消充電請(qǐng)求，流程如圖7所示，主要包括：電動(dòng)汽車(chē)發(fā)送取消充電請(qǐng)求，同時(shí)發(fā)送登記/注冊(cè)信息[5]；服務(wù)器讀取用戶(hù)取消充電請(qǐng)求、充電站信息和電網(wǎng)信息；服務(wù)器將該充電站信息發(fā)送至用戶(hù)終端和充電位顯示屏；電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)接收信息；電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始充電；當(dāng)前充電站接收信息；充電站工作負(fù)荷加1。

圖7 電動(dòng)汽車(chē)取消充電請(qǐng)求流程

2.6 充電完成

電動(dòng)汽車(chē)充電站智能化調(diào)度的最后一步是充電過(guò)程完成，通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)向服務(wù)器發(fā)送充電完成信息或者通過(guò)該充電位向服務(wù)器發(fā)送空置信息來(lái)完成，目的是更新服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中可用充電站信息，流程如圖8所示，主要包括：電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)向服務(wù)器發(fā)送充電完成信息；充電站當(dāng)前充電位發(fā)送空置信息；電網(wǎng)發(fā)送實(shí)時(shí)電價(jià)信息；充電站服務(wù)器接收電動(dòng)汽車(chē)、充電站和電網(wǎng)信息；服務(wù)器判定電動(dòng)汽車(chē)充電完成；服務(wù)器更新數(shù)據(jù)庫(kù)，將可用充電站充電位數(shù)加1；將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖8 電動(dòng)汽車(chē)充電完成流程

3 結(jié)果與分析

3.1 電動(dòng)汽車(chē)充電站優(yōu)化調(diào)度

通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)充電站智能化調(diào)度，不僅可以使電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)享受方便快捷的充電服務(wù)，運(yùn)營(yíng)商還可以節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，加大充電站利用率，提高電網(wǎng)效能。運(yùn)營(yíng)商也可通過(guò)查看每個(gè)充電站服務(wù)覆蓋范圍和該充電站利用率，做出是否擴(kuò)建該充電站或在服務(wù)覆蓋范圍之外另新建充電站的決策。

在電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)、充電站運(yùn)營(yíng)商、交通管理部門(mén)和電網(wǎng)之間進(jìn)行信息交互必須在互聯(lián)網(wǎng)連接的基礎(chǔ)上完成，通過(guò)充電站服務(wù)器在已有充電站覆蓋區(qū)域進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)最短等待時(shí)間的計(jì)算，充電站服務(wù)器在此過(guò)程中充當(dāng)重要的指揮中樞作用。首要的信息來(lái)自于電動(dòng)汽車(chē)，其當(dāng)前所在坐標(biāo)位置、電池容量、剩余電量和剩余行駛里程等信息可以通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)或電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)置設(shè)備發(fā)送，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)可以使用智能手機(jī)或安裝應(yīng)用程序發(fā)送請(qǐng)求信息。開(kāi)發(fā)基于安卓操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序和用戶(hù)界面有助于電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)和充電站服務(wù)器進(jìn)行通信。安裝在電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)置設(shè)備上的應(yīng)用程序可以嵌入到電動(dòng)汽車(chē)能量管理系統(tǒng)(EMS)中，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，安裝在電動(dòng)汽車(chē)上或用戶(hù)智能手機(jī)上的應(yīng)用程序必須得到注冊(cè)許可才能使用，且用戶(hù)要熟知應(yīng)用程序使用方法。對(duì)充電站運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，必須要與交通管理部門(mén)和電網(wǎng)達(dá)成信息共享協(xié)議，在此基礎(chǔ)上，可以在充電站控制設(shè)備上安裝相應(yīng)的終端應(yīng)用程序，在充電站服務(wù)器上安裝集信息接收、處理、發(fā)送于一體的智能化調(diào)度管理系統(tǒng)。

3.2 信息支持與智能電網(wǎng)通信

對(duì)長(zhǎng)途行駛的電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，增加充電站覆蓋范圍可以提高用戶(hù)滿意度，消除用戶(hù)充電恐慌。在城市范圍內(nèi)，基于此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)和充電站網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，城市間也可實(shí)現(xiàn)信息共享，這可以通過(guò)現(xiàn)有的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)很容易地就能建立此信息網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)需要與區(qū)域通信運(yùn)營(yíng)商達(dá)成通信協(xié)議，以加大充電站服務(wù)覆蓋范圍，有條件的偏遠(yuǎn)地區(qū)還可以使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息接收和發(fā)送。但是由于衛(wèi)星通信準(zhǔn)入條件所限，并不是所有電動(dòng)汽車(chē)都能使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，未來(lái)可以考慮通過(guò)智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題，智能電網(wǎng)可以在其所覆蓋的每個(gè)節(jié)點(diǎn)很容易實(shí)現(xiàn)信息共享。無(wú)需在充電站安裝應(yīng)用程序，智能電網(wǎng)也能通過(guò)充電站各項(xiàng)指標(biāo)判定該充電站是否過(guò)載，從而判定是否有空余充電位供電動(dòng)汽車(chē)充電。雖然許多國(guó)家投入大量資金發(fā)展智能電網(wǎng)，但總體來(lái)說(shuō)智能電網(wǎng)的發(fā)展仍處于初級(jí)階段[6]。智能化調(diào)度信息支持網(wǎng)絡(luò)如圖9所示。

圖9 智能化調(diào)度信息支持網(wǎng)絡(luò)

3.3 在V2G系統(tǒng)中的作用

汽車(chē)到電網(wǎng)(V2G)系統(tǒng)在電動(dòng)車(chē)不運(yùn)行時(shí)，通過(guò)連接到電網(wǎng)的電動(dòng)馬達(dá)將能量輸給電網(wǎng)，反過(guò)來(lái)，當(dāng)電動(dòng)車(chē)電池需要充滿時(shí)，電流可以從電網(wǎng)中提取出來(lái)給到電池[7]。當(dāng)夜間處于用電低谷時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電，白天處于用電高峰時(shí)電動(dòng)汽車(chē)將電能反向輸送給電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)起到“削峰填谷”的作用。電動(dòng)汽車(chē)售電給電網(wǎng)的過(guò)程需要電網(wǎng)、電力運(yùn)營(yíng)商通力合作，將分散的電動(dòng)汽車(chē)電能進(jìn)行回收和出售，電網(wǎng)、電力運(yùn)營(yíng)商可以和充電站運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行合作，將信息資源整合到電動(dòng)汽車(chē)充電站服務(wù)器中，使電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)在就近充電的情況下實(shí)現(xiàn)就近售電給電網(wǎng)。這種智能化調(diào)度可以實(shí)時(shí)接收電網(wǎng)用電信息，通過(guò)服務(wù)器向電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)發(fā)布用電需求，由用戶(hù)通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)終端設(shè)備判定是否要售電給電網(wǎng)，并實(shí)時(shí)接收就近售賣(mài)點(diǎn)信息，在最短時(shí)間內(nèi)完成向電網(wǎng)售電。

4 結(jié)論

本文提出的電動(dòng)汽車(chē)充電站智能化調(diào)度是在已有充電站的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，整個(gè)過(guò)程是由安裝在充電站運(yùn)營(yíng)商處的服務(wù)器來(lái)完成的，服務(wù)器將電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)、電力運(yùn)營(yíng)商、充電站運(yùn)營(yíng)商的信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)集成在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)計(jì)算將信息實(shí)時(shí)發(fā)送至各用戶(hù)終端，這種智能化調(diào)度可以大大減少電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)充電等待時(shí)間，有效提高充電站使用效率，對(duì)降低區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的峰值負(fù)荷也有一定效用。在智能電網(wǎng)條件下還可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)之間的電能相互轉(zhuǎn)化，對(duì)智能城市的建設(shè)具有非常重要的意義。

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Study on electric vehicle charging station intelligent scheduling

ZHAO Gao-fei,SUN Yun-lian,ZHANG Xiao-di,DUAN Qing
(School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072,China)

By the help of intelligent scheduling and controlling system,the information was sent to the users who had requested to charge electric vehicle by charging station server. According to the provided information, the users selected the nearest charging station where had spare charging pole to charge electric vehicle. The intelligent scheduling helped the users quickly find the nearest electric vehicle charging stations, and the waiting time was reduced efficiently.

electric vehicle;charging station;intelligent scheduling

TM 91

A

1002-087 X(2017)10-1467-04

2017-03-13

趙高飛(1983—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)規(guī)劃和電動(dòng)汽車(chē)。