鐘成偉 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司

近些年來(lái)我國(guó)的電動(dòng)汽車普及率不斷提高，但是配套設(shè)施與電動(dòng)汽車的發(fā)展不匹配，這些問(wèn)題將導(dǎo)致我國(guó)電動(dòng)汽車難以徹底普及。在充電樁的建設(shè)和管理運(yùn)行過(guò)程中，政府部門、充電樁承建部門、電力企業(yè)等各方單位都會(huì)碰到各式各樣的問(wèn)題，特別是安全問(wèn)題。本文從技術(shù)機(jī)構(gòu)的角度出發(fā)分析電動(dòng)汽車充電樁以及充電現(xiàn)場(chǎng)存在的安全問(wèn)題，以幫助相關(guān)部門了解電動(dòng)汽車充電現(xiàn)場(chǎng)和充電樁的安全隱患。同時(shí)本文還提出電動(dòng)車充電現(xiàn)場(chǎng)安全隱患的處理措施，以提高城市和電動(dòng)汽車的安全性。

一、我國(guó)電動(dòng)汽車充電現(xiàn)狀

根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，用戶在選擇充電樁時(shí)將充電價(jià)格、充電速度和停車費(fèi)用作為主要的考慮因素，體現(xiàn)出用戶對(duì)效率和費(fèi)用的敏感程度。我國(guó)目前的充電樁建設(shè)還相對(duì)不足，大規(guī)模使用的充電樁占地面積大，導(dǎo)致本就稀缺的土地資源利用效率低下。充電樁（特別是直流充電樁）在充電前需要人力拖拽粗壯的線束進(jìn)行操作，操作自動(dòng)化程度低，耗費(fèi)用戶體力。然而，充電樁模式因其可推廣性和政策支持性等因素，仍是目前充電體系建設(shè)中最重要的模式。由于充電樁模式有一些問(wèn)題等待優(yōu)化與補(bǔ)充，許多新的充電模式應(yīng)運(yùn)而生，其中最引人關(guān)注的有移動(dòng)補(bǔ)電車模式、換電模式等、自動(dòng)充電機(jī)器人模式等。多樣化的充電模式既能解決用戶痛點(diǎn)，又能讓潛在用戶被各種高科技成分吸引，有利于電動(dòng)汽車的推廣。

二、新能源電動(dòng)汽車充電模式

（一）交流充電技術(shù)

新能源汽車的動(dòng)力電池自身只能接受直流充電，當(dāng)外部接入電動(dòng)汽車的是交流電時(shí)，需要先通過(guò)車載充電機(jī)進(jìn)行交流轉(zhuǎn)直流過(guò)程，再給動(dòng)力電池進(jìn)行充電。交流充電設(shè)施占用體積小，操作簡(jiǎn)便，安裝容易，但其充電速度較慢，電動(dòng)車需要6-8 個(gè)小時(shí)左右的時(shí)間才能充滿電量。電動(dòng)車連接充電設(shè)施后，交流電經(jīng)充電設(shè)施及充電連接裝置傳輸至車載充電機(jī)，經(jīng)車載充電機(jī)整流、濾波等處理后轉(zhuǎn)換為直流電為動(dòng)力電池充電，電動(dòng)車在充電完成后發(fā)出中斷信號(hào)，結(jié)束充電過(guò)程。

（二）無(wú)線充電技術(shù)

汽車無(wú)線充電技術(shù)主要通過(guò)電磁感應(yīng)、磁場(chǎng)共振、無(wú)線電波等原理實(shí)現(xiàn)電力的非接觸式傳輸。電磁感應(yīng)式無(wú)線充電目前在電動(dòng)汽車應(yīng)用最為廣泛，基于電磁感應(yīng)原理，在無(wú)線充電裝置端和電動(dòng)汽車端各裝有一個(gè)線圈，在初級(jí)線圈上通入一定頻率的交流電，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，附近的次級(jí)線圈在變化的磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，令無(wú)線充電裝置端的電能轉(zhuǎn)移到電動(dòng)汽車，其轉(zhuǎn)化效率較高，但只能單點(diǎn)進(jìn)行充電，而且電能傳遞的距離較短。磁場(chǎng)共振式無(wú)線充電設(shè)備由能量發(fā)送/接受裝置構(gòu)成，當(dāng)充電設(shè)備和電動(dòng)車有相同的共振頻率時(shí)，即可完成充電動(dòng)作；其電能傳遞距離較遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多方式充電，并且無(wú)須精準(zhǔn)對(duì)位，但其傳輸中能量損耗較大。

（三）換電模式

換電模式是指采用更換電池的方式為電動(dòng)汽車提供能源，具有降低用戶購(gòu)車成本、提高用戶便捷性、減少電動(dòng)車補(bǔ)電時(shí)間、延長(zhǎng)電池全壽命周期、提高電力系統(tǒng)整體運(yùn)行效益、提高土地使用效率等優(yōu)點(diǎn)。換電站可在用電低谷時(shí)期給倉(cāng)內(nèi)電池充電，并使用符合電池充電特性的柔和電流。該充電方法可以延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)降低電費(fèi)支出。換電模式帶來(lái)了一種全新的電動(dòng)車購(gòu)買方式，消費(fèi)者可以在購(gòu)車時(shí)不購(gòu)買動(dòng)力電池，而是通過(guò)租賃的方式使用各續(xù)航擋位電池，以降低一次購(gòu)車成本。這種電動(dòng)車購(gòu)買方式的出現(xiàn)與應(yīng)用將大大刺激電動(dòng)汽車市場(chǎng)、促進(jìn)銷量的穩(wěn)定提升。盡管由于換電模式涉及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)、電池制造技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化體系、能源供給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、城市規(guī)劃等一系列問(wèn)題仍難以爆發(fā)，然而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，換電模式作為電動(dòng)汽車的一種重要能源供給模式，憑借其優(yōu)良的屬性，一定會(huì)成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的重要參與者。

三、充電現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患

充電現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在這個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程中，充電現(xiàn)場(chǎng)會(huì)遇到各方面的危險(xiǎn)因素。其中最容易遇到的就是來(lái)自于車輛的危險(xiǎn)因素。相比傳統(tǒng)的燃油類汽車，電動(dòng)汽車具有加速度快、油門響應(yīng)靈敏的特點(diǎn)，因此在車輛起步階段可能會(huì)由于駕駛員一時(shí)疏忽，撞擊其他車輛或者充電樁。特別是公共汽車的充電現(xiàn)場(chǎng)，由于公共汽車駕駛員駕駛時(shí)間長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)精神恍惚，再加上公交車盲區(qū)較大，很容易在充電現(xiàn)場(chǎng)造成事故。充電現(xiàn)場(chǎng)的安全性與管理單位的工作認(rèn)真程度有密切的關(guān)系，如果充電現(xiàn)場(chǎng)管理不善，地面積水持續(xù)無(wú)人清除、充電槍無(wú)人歸位、充電樁周圍無(wú)防撞設(shè)施、充電現(xiàn)場(chǎng)消防設(shè)施不完備等情況持續(xù)存在，充電樁無(wú)人維護(hù)，那么充電現(xiàn)場(chǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)就更高了。同時(shí)，充電現(xiàn)場(chǎng)的電動(dòng)車輛也是危險(xiǎn)因素，由于充電動(dòng)汽車的維護(hù)水平參差不齊，如某電動(dòng)汽車的溫控系統(tǒng)和電池過(guò)充保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，在充電過(guò)程中就有可能出現(xiàn)電池溫度過(guò)高甚至汽車自燃的情況。同時(shí)，電動(dòng)汽車使用的電池型號(hào)參差不齊，大部分電池在受到撞擊后會(huì)自燃，因此充電現(xiàn)場(chǎng)的車禍還可能會(huì)造成連鎖火災(zāi)。

四、電動(dòng)車用戶與充電樁的匹配

電動(dòng)車最大的優(yōu)點(diǎn)就是每公里的用電成本比用油成本低得多，所以與傳統(tǒng)燃油車的油耗成本作對(duì)比，建立一個(gè)指標(biāo)參數(shù)b1,i：

根據(jù)式（2），標(biāo)準(zhǔn)化后得

經(jīng)過(guò)以上函數(shù)計(jì)算以后，中間運(yùn)營(yíng)商就會(huì)對(duì)電動(dòng)車用戶上報(bào)信息及待選充電樁編號(hào)進(jìn)行匹配，有以下3 種匹配結(jié)果：（1）電動(dòng)車用戶上報(bào)編號(hào)和運(yùn)營(yíng)商編號(hào)僅有一項(xiàng)重合，表示預(yù)約有效，此時(shí)用戶會(huì)收到短通知。（2）電動(dòng)車用戶上報(bào)編號(hào)和運(yùn)營(yíng)商編號(hào)不止一項(xiàng)重合，表示預(yù)約有效，但運(yùn)營(yíng)商會(huì)再重新分配后發(fā)信息到用戶手機(jī)上，等用戶確認(rèn)。（3）電動(dòng)車用戶上報(bào)編號(hào)和運(yùn)營(yíng)商編號(hào)無(wú)重合，表示該用戶預(yù)約無(wú)效，但是可以進(jìn)入下一輪預(yù)約（見(jiàn)表1）。

五、智能合約驅(qū)動(dòng)的充電樁共享

傳統(tǒng)的線上交易對(duì)用戶數(shù)據(jù)的保存具有較大安全隱患，采用基于能源區(qū)塊鏈的共享充電樁管理系統(tǒng)，能夠保證用戶共享充電樁間交易數(shù)據(jù)的安全可信性。基于哈希算法的不可逆性，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)用戶的交易行為產(chǎn)生密鑰R。由哈希函數(shù)變化可以通過(guò)R 計(jì)算出哈希值H（R），但任何第三者無(wú)法通過(guò)H（R）反推出R。為了保證共享充電用戶交易信息的安全性和可靠性，構(gòu)建了基于哈希算法的共享充電智能合約。共享充電智能合約可以分為4 個(gè)步驟：（1）在基于能源區(qū)塊鏈的共享充電樁管理系統(tǒng)中，充電樁主A 根據(jù)共享充電樁所能提供的電量，生成相關(guān)的密鑰R，并將H（R）發(fā)送給用戶D，將R 保存在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。（2）通過(guò)運(yùn)營(yíng)商D 的中轉(zhuǎn)，在用戶D 和運(yùn)營(yíng)商A之間建立了間接的支付網(wǎng)絡(luò)途徑。（3）用戶D 使用共享充電樁A 的行為有多方的參與，各方根據(jù)相應(yīng)的條件與期限產(chǎn)生密鑰。通過(guò)在系統(tǒng)中采用密鑰代替數(shù)據(jù)傳遞交易信息，保證數(shù)據(jù)的安全性。（4）用戶D 利用接收到的H（R）后來(lái)驗(yàn)證R，如驗(yàn)證通過(guò)，進(jìn)行充電操作。共享充電用戶每次充電完畢后，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都會(huì)保存交易記錄并計(jì)算剩余的充電次數(shù)。一旦用戶使用完規(guī)定的充電次數(shù)后，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)就會(huì)自動(dòng)計(jì)算費(fèi)用并將賬單提交給用戶。用戶需要按照賬單完成轉(zhuǎn)賬支付后，才可以繼續(xù)使用該系統(tǒng)。電動(dòng)車主D 使用運(yùn)營(yíng)商D所經(jīng)營(yíng)的充電樁，資金鏈節(jié)點(diǎn)費(fèi)用依次為49.15 元、48.56 元、41.20 元，節(jié)點(diǎn)費(fèi)用之間的金額差為各節(jié)點(diǎn)收取的服務(wù)費(fèi)。同時(shí)，該系統(tǒng)中的各參與方（除電動(dòng)車主）的資金到賬具有時(shí)間期限，各節(jié)點(diǎn)期限分別為48 h、24 h、3h。通過(guò)設(shè)置時(shí)間差期限，促使各參與方對(duì)交易信息的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，保證系統(tǒng)智能化執(zhí)行?；诠Ｋ惴ǖ墓蚕沓潆娭悄芎霞s如圖1 所示。

圖1 基于哈希算法的共享充電智能合約

六、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文以分時(shí)電價(jià)為前提條件，以中間運(yùn)營(yíng)商和電動(dòng)車用戶的利益最大化為目標(biāo)建立函數(shù)，采用補(bǔ)貼費(fèi)用更新策略后，并通過(guò)計(jì)算實(shí)例仿真得出了以下結(jié)論：“分配+擇優(yōu)”的充電策略匹配成功率達(dá)到85%，比“自由匹配”高20%，運(yùn)營(yíng)商的收入也增加萬(wàn)元左右，中心城區(qū)和郊區(qū)的充電樁使用頻率趨于平衡。與此同時(shí)，常規(guī)檢修以充電站一年的故障信息為依據(jù)，對(duì)充電樁一年中存在的高發(fā)故障和低電量交易故障進(jìn)行檢修，根據(jù)發(fā)生頻率，降低或者取消對(duì)其他設(shè)備模塊的檢修，減少常規(guī)檢修時(shí)間，提高常規(guī)檢修的效率和作用。由于常規(guī)檢修可能導(dǎo)致的偶發(fā)故障得不到及時(shí)解決，在常規(guī)檢修的基礎(chǔ)上，增加精準(zhǔn)檢修。精準(zhǔn)檢修以每個(gè)充電樁當(dāng)月故障信息為依據(jù)，對(duì)充電站當(dāng)月存在的高發(fā)故障進(jìn)行及時(shí)檢修，避免一些故障連續(xù)數(shù)月都處于很高的發(fā)生率。優(yōu)化常規(guī)檢修，增加精準(zhǔn)檢修，可以幫助運(yùn)維人員減少不必要的檢修工作，降低檢修時(shí)間，提高檢修效率和檢修的作用，為降低充電樁故障的發(fā)生率提供了理論依據(jù)，進(jìn)而可以降低充電站的運(yùn)維成本，改善用戶充電體驗(yàn)，培養(yǎng)長(zhǎng)期的穩(wěn)定的用戶，提高充電站的經(jīng)濟(jì)效益。