邱 陽

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

隨新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，充電設(shè)施成為了新能源汽車推廣的關(guān)鍵因素。為此，國家先后出臺了多項針對充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相關(guān)政策，各地大規(guī)模建設(shè)充電樁，但如天氣、取電、位置等因素嚴重制約著充電樁的檢測和充電效率。因此，本文設(shè)計了一種可適應(yīng)不同環(huán)境、可儲能的智能化移動充電系統(tǒng)。

1 智能化移動充電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 整體設(shè)計

智能化移動充電系統(tǒng)主要包括電源模塊、控制器模塊、通信模塊、儲能模塊、接口模塊、語音模塊、計費模塊和自動監(jiān)測模塊。本系統(tǒng)的核心控制器選用Arduino 控制器，基于磁耦合諧振、大數(shù)據(jù)監(jiān)測等技術(shù)，具備無線充電、節(jié)約資源、傳輸效率高、適配復(fù)雜場景等特點。技術(shù)路線如圖1 所示。

1.2 充電功率提升系統(tǒng)

因配電網(wǎng)容量有限量，充電系統(tǒng)需要充分利用有限的電網(wǎng)容量，以實現(xiàn)儲能調(diào)度和快速補電，進而提高充電功率。充電功率提升系統(tǒng)包括電量緩存器、能量儲蓄器、電流轉(zhuǎn)換器和充電接口4 個部分。電量緩存器與能量儲蓄器連接，能量儲蓄器由多個無線儲能裝置并聯(lián)而成。電流轉(zhuǎn)換器含1 個交—直流轉(zhuǎn)換器和2 個直—直流轉(zhuǎn)換器。

為滿足不同用戶的充電需求，系統(tǒng)設(shè)置慢充和快充2 種充電模式。其中，充電接口包括電源和測試2 個接入部分。電源接口部分包含輸入、輸出接口，其中輸入電源設(shè)有航插和交流充電樁接口。測試接口部分包含交流、直流充電樁測試接口、交直流負載接口和通信接口等（圖2）。

圖2 系統(tǒng)外部接口

在快速補電方面，系統(tǒng)特別設(shè)置了交—直流轉(zhuǎn)換器、電量緩存器和直—直流轉(zhuǎn)換器?？梢苿有钅芷鲗⒛芰客ㄟ^電量緩存器和直—直流轉(zhuǎn)換器傳輸至直流母線。電網(wǎng)側(cè)基于電量緩存器和直—直流轉(zhuǎn)換器，將電能傳輸至直流母線，直流母線在保證電網(wǎng)不受沖擊的情況下匯聚電能送至電源快充接口，進而實現(xiàn)充電功率的提升。設(shè)備參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 充電設(shè)備參數(shù)

表2 雙向變流裝置參數(shù)

1.2.1 高倍率充放電系統(tǒng)

目前，全國各地大規(guī)模建設(shè)快速充電樁，由于配電網(wǎng)的容量不能滿足用戶需求，大部分地區(qū)選用儲能設(shè)備+充電樁的模式。單獨選擇儲能設(shè)備需要解決單塊電池差異放電的問題，原因在于傳統(tǒng)儲能設(shè)備的電池是以串并聯(lián)方式組合的，如果單塊電池電量和內(nèi)阻低于其他電池，就會影響儲能設(shè)備的整體性能。高倍率充放電系統(tǒng)融合了能量離散化采集和電池網(wǎng)絡(luò)拓撲重構(gòu)技術(shù)，以實現(xiàn)儲能設(shè)備效率最大化、成本最低化。

（1）儲能設(shè)備采用碎片化能量重新信息整合的方式獲取電荷動態(tài)數(shù)據(jù)，對儲能設(shè)備中的能量進行離散化處理，將單塊電池的電荷量、電壓、溫度、待電狀態(tài)等信息進行重新采集，并實施數(shù)據(jù)監(jiān)測和狀態(tài)估算，達到電量網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)成組。

（2）數(shù)據(jù)采集后，運用電池網(wǎng)絡(luò)拓撲重構(gòu)技術(shù)規(guī)避單塊電池差異化放電問題。電池網(wǎng)絡(luò)拓撲重構(gòu)技術(shù)利用開關(guān)設(shè)備對單塊電池進行重組，利用電池的充放電非線性特征隔離單塊電池，實現(xiàn)儲能設(shè)備的快速充放電，提升新能源電池整體性能。

能量暫存裝置采用能量離散化采集和電池網(wǎng)絡(luò)拓撲重構(gòu)技術(shù)，將多個電量、電壓、放電特性不同的分布式儲能設(shè)備整合在一起，采集電池實時的信息，讓儲能設(shè)備在充電功率提升系統(tǒng)中達到電池網(wǎng)絡(luò)連接最優(yōu)化，實現(xiàn)儲能設(shè)備管理有效化。

經(jīng)過分析，要求儲能設(shè)備總電能要大于等于新能源汽車電池電能消耗總量的N 倍，儲能設(shè)備總電壓值要大于等于電網(wǎng)母線直流電壓的α 倍，儲能設(shè)備放電總功率最大值要大于等于新能源汽車電池消耗功率的β 倍。根據(jù)儲能設(shè)備總電能、總電壓值和放電總功率最大值，可以解算MOS 管的開關(guān)狀態(tài)，得到動態(tài)化管理儲能設(shè)備的效果。

1.2.2 能量調(diào)度管理單元

建立新能源汽車用戶、儲能設(shè)備、充電設(shè)備、電網(wǎng)之間耦合關(guān)系的關(guān)鍵是信息互通，用戶與儲能設(shè)備供需關(guān)系要匹配，用戶用電量對電網(wǎng)的沖擊也需要儲能設(shè)備來中轉(zhuǎn)協(xié)調(diào)，充電設(shè)備則是結(jié)合三者的重要節(jié)點，可有效能量調(diào)度。

儲能設(shè)備調(diào)度類似于新能源汽車入網(wǎng)存在的電池、電網(wǎng)約束，新能源汽車基于電網(wǎng)實施調(diào)度，并考慮電網(wǎng)波動、波峰波谷等問題，儲能設(shè)備則會基于用戶用電需求調(diào)度，考慮電網(wǎng)總?cè)萘恳欢ǖ那闆r下如何滿足消費者需求的問題。

分布式儲能設(shè)備雖然存儲能量很大，但使用率很低，因此需要引入“物流”的理念，打破儲能固定的方式，將能量信息碎片化，再根據(jù)新能源汽車用戶的用電需求以物流的形式調(diào)度電量，進而規(guī)避新能源車流動性大、瞬時功率大、充電隨機性等劣勢。分布式儲能設(shè)備具有自主優(yōu)化、自定義配置、靈活性高的特點，提高了新能源汽車電量高效交易的可操作性。

1.2.3 充電樁多元能量運營單元

基于新能源汽車使用者對充電時間、地點、特性的需求不同，充電樁安裝的接口是多種類型的，顯示狀態(tài)多元化，所以要求能量運營機制也是多元的。

（1）慢充：普通充電狀態(tài)，充電電流和功率都較小，主要針對不要求充電時間和速度的用戶，其價格較低。

（2）快充：充電電流是慢充的幾倍甚至幾十倍，充電時間大大縮短，價格較高。當新能源汽車用戶需要在較短的時間內(nèi)充滿電時，該模式是合適的選擇。

（3）閑置：無充電用戶的狀態(tài)。

云儲能用電流程為：新能源汽車用戶先將用電需求上傳云端，完成下單；云平臺根據(jù)儲能設(shè)備實際狀態(tài)進行調(diào)度，下達指令給能滿足用戶需求的儲能設(shè)備，并反饋信息給用戶引導(dǎo)其到指定位置，完成充電。

云平臺的任務(wù)是收集用戶需求數(shù)據(jù)，統(tǒng)計儲能設(shè)備實際狀態(tài)，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一調(diào)度，下達決策指令到儲能設(shè)備，并反饋用戶位置信息，實現(xiàn)了靈活運維、能量隨行。

儲能設(shè)備設(shè)有電量顯示器和傳感器，可向用戶展示充電時的電量，也可以通過傳感器將儲能設(shè)備自身的電荷狀態(tài)反饋給云平臺，保證云平臺可以實時監(jiān)測充電設(shè)備的使用狀態(tài)及歷史數(shù)據(jù)，以便進行功率計算和電量預(yù)測，達到統(tǒng)一調(diào)度的效果。

（1）當儲能設(shè)備檢測的電量低于放電最低值時，立即停止放電，同時反饋給云平臺電量低的信息，并連接慢充給予后續(xù)的供電。

（2）當儲能設(shè)備檢測的電量高于最低值但未充滿電時，連接慢充給予后續(xù)的供電。如果用戶發(fā)出用電需求，儲能設(shè)備匹配用戶需求電量，可直接給用戶提供充電提示。

（3）當儲能設(shè)備正在給用戶充電時，檢測到電池電量，若滿足放電要求可繼續(xù)充電，否則立即停止充電，同時提示不能放電，并反饋至云平臺。

（4）當儲能設(shè)備達到放電要求時，通過快充裝置放電給用戶。每次完成充電后，儲能裝置檢測電量，如果大于放電最低值，則可繼續(xù)給其他新能源汽車充電，直至充電指令結(jié)束或電量低于放電最低值，停止放電。

1.3 充電功率建模

1.3.1 分時充電概率分布

根據(jù)統(tǒng)計，一天中最后一次出行后新能源汽車剩余電量最少，這個時間段是新能源汽車使用者選擇快充最多的時間。因此，將一組電動汽車使用者出行后得到的出行目的、時間、工具、頻率等數(shù)據(jù)進行歸一、比較，應(yīng)用極大似然法，得出一天最后一次出行的規(guī)律：

選擇快充概率表達式為：

其中，ff為快充概率密度；φ 為快充概率修正系數(shù)，取0.432。

新能源汽車用戶分時充電概率密度函數(shù)表達式為：

1.3.2 快充時間概率分布

快充模式下的充電功率為60 kW，一輛新能源汽車充電包的功率為：

式中，P 為充電包功率，Pf為快充模式下充電功率，Tm為快充時間長度。

經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，得到快充時間正態(tài)分布：

1.3.3 快充概率模型

一輛新能源汽車在一天中某一時刻快充的負荷=充電概率×充電功率，由此可得到該車一天負荷分布的狀態(tài)。對一天的每個時段進行細分，可劃分為1440 個間隔1 min 的時段，則t0時刻的充電概率是：

式中，F(xiàn)nTm是新能源汽車最后充電時刻tn與Tm的聯(lián)合概率分布函數(shù)。

由式（7）推出t0時刻快充用戶充電負荷Pt0：

1.4 分布式實時調(diào)度設(shè)計

新能源汽車儲能裝置可為汽車提供所需電量，也可以將電反饋至電網(wǎng)以平抑配電波動。目前，儲能裝置易出現(xiàn)實際調(diào)度值偏離問題，即實際調(diào)度值總與計劃值存在一定的誤差。為減小實際值與計劃值間的偏離值，基于模型預(yù)測引入反饋校正+滾動優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方法。

分布式儲能調(diào)度分為日前調(diào)度（日前預(yù)測功率）和日內(nèi)調(diào)度（日內(nèi)預(yù)測功率）兩個階段。日前預(yù)測功率階段，以儲能設(shè)備F 最小為目標，兼顧儲能電量、燃氣機計劃數(shù)的考慮，優(yōu)化儲能設(shè)備充電功率和放電功率、汽輪機做功的整體調(diào)度，制訂第二天每時儲能調(diào)度計劃，并下達計劃。

日內(nèi)預(yù)測功率階段，嚴格執(zhí)行日前調(diào)度計劃，結(jié)合風機出力和儲能電量，校正日前汽輪機做功計劃值，使其符合日前調(diào)度計劃。實際操作過程中，基于預(yù)測模型，以5 min 為基準實施滾動優(yōu)化，得到日內(nèi)窗內(nèi)儲能校正計劃。重復(fù)實施上述過程，采樣儲能計劃，引入反饋校正。兩種結(jié)構(gòu)方法的作用下，保證儲能日前計劃的實施，確保汽輪F 達到功率平衡和極限約束。

其中，Pl（t）是新能源汽車電量，Pb（t）是汽輪機功率，Pp（t）是光伏功率，Pw（t）是風機功率。

根據(jù)式（9）～式（11），分別設(shè)定輸出、狀態(tài)、控制變量和擾動輸入，得到分布式空間模型：

2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

智能化移動充電系統(tǒng)驗證：選取新能源汽車使用電荷量較大的時間段15：00—20：00，比較新能源汽車充電功率與電網(wǎng)輸出功率（表3）。

表3 數(shù)據(jù)對比 kW

由表3 可知，電網(wǎng)輸出功率比新能源汽車的充電功率高得多，可見移動充電系統(tǒng)在快補模式下的充電設(shè)計既可以滿足用戶需求，也無需電網(wǎng)擴容，滿足預(yù)期設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

智能化移動充電系統(tǒng)提升了充電設(shè)備功率，提高了電網(wǎng)容量利用率，實現(xiàn)了移動儲能的最優(yōu)調(diào)度，在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上達到較高的性價比，具有一定的推廣價值。