ABSTRACT

With the large-scale application of electric vehicles, the contradiction between the electric vehicle and charging pile has become increasingly prominent. In this paper, a charging method of electric vehicle based on mobile charger is adopted. In the region which is not suitable for the new centralized fixed charging facilities, we can use existing parking lot to build charging service station, and then configure mobile charger to charge for electric vehicles, which does not need to increase the capacity of distribution network and the new parking spaces. Based on the charging demand parameters of electric vehicles and the working state parameters of mobile charger, we calculate the feasible charging scheme for the user, and provide the corresponding operational parameters for the charging service station to effectively manage the mobile charger, which effectively makes up for the disadvantages of the fixed charging facilities construction by many restrictions and solves the problem of low utilization ratio of charging resources caused by the unreasonable occupancy of the charging bits.

Keywords:Electric Vehicles, Distribution Network Capacity, Number of Parking Spaces, Fixed Charging Pile Mode, Mobile Charger Mode

一种基于移动充电器模式的电动汽车充电方法

韩平平¹，张海天¹，张祥民¹，张晓安²，李宾宾³

¹安徽新能源利用与节能省级实验室(合肥工业大学)，安徽 合肥

²合肥工业大学智能制造研究院，安徽 合肥

³国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽 合肥

收稿日期：2017年4月15日；录用日期：2017年4月27日；发布日期：2017年4月30日

摘 要

随着电动汽车的规模化应用，电动汽车与充电桩之间的矛盾日益突出。本文提出了一种基于移动充电器模式的电动汽车充电方法，在不适合新建集中规模固定式充电设施的区域，利用已有停车场建设充电服务站，配置移动充电器为电动汽车进行充电，无需对配电网进行增容和新建停车位。基于电动汽车充电需求参数和移动充电器工作状态参数，为用户计算可行的充电方案，并为充电服务站提供对应的运营参数以有效管理各移动充电器，弥补了固定式充电设施建设受多方限制的弊端，并解决了充电位被不合理占用而导致的充电资源利用率低等问题。

关键词 :电动汽车，配电网容量，停车位数量，固定充电桩模式，移动充电器模式

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1. 引言

随着电动汽车的规模化应用，电动汽车与充电桩之间的矛盾日益突出。在固定充电桩模式下，充电桩和充电位是一一对应的，充电桩的建设受到所在区域电力基础设施、土地面积和停车位数量等限制。同时，现有固定式充电设施又存在充电资源利用率低等问题：在停车位十分紧张的区域，许多充电位被当作普通停车位而占用，严重限制了已有充电资源的使用率。在电动汽车发展较快的一二线城市的老城区，电动汽车与充电桩之间的矛盾更加突出 [1] 。需要针对一二线城市老城区电动汽车充电难问题寻求一种有效的解决方案。

文献 [2] 指出“用电”和“用地”是建设充电站点的两道槛，一方面物业公司对充电设施建设的积极性不高，另一方面建设充电站点普遍需要电力增容，尤其是在老旧小区和用电量较大的商业区，而运营商申请电力增容十分困难，导致充电设施建设远远滞后于新能源汽车的推广。文献 [3] 指出电动汽车的大规模使用将会对配电网产生直接影响。文献 [4] 说明了电动汽车能源供给设施建设是电动汽车大规模推广应用的前提和基础，分析了国内交流充电桩、充电站及电池更换站等主要能源供给设施的类型及特点。文献 [5] 涉及一种电动汽车移动充电控制方法和一种电动汽车移动充电控制系统，提高了充电过程的方便性。文献 [6] 提出了一款专属电动汽车的“移动充电宝”，可根据停车位置进行移动，不需要固定车位，打破了固定充电桩的局限。

本文提出了一种基于移动充电器模式的电动汽车充电方法。在不适合建设大规模固定式充电设施的区域，规划已有中大型停车场建设充电服务站，配置移动充电器为电动汽车提供充电服务 [7] 。充电服务站基于用户的充电需求参数和移动充电器的工作状态参数，以最大限度满足用户充电需求为原则，为用户计算具体的充电方案，并为充电服务站提供对应的运营参数以有效管理各移动充电器 [8] 。具体充电操作由充电服务站按照充电方案参数完成，增强了用户的充电体验感。由于采用移动充电器为电动汽车充电，无需对充电服务站所在区域的电力基础设施进行改造，电动汽车充电功率将不叠加至配电网，不会对电网峰时段产生影响。同时，移动充电器利用率将达到100%，有效克服了固定充电桩模式下充电位被不合理占用而导致的充电资源利用率低等问题。

2. 移动充电器模式

2.1. 移动充电器说明

移动充电器利用二手电池作为储能单元，在电网谷时段进行电能储备，在电网峰时段通过自身放电给电动汽车补充电能，一定程度上起到了削峰填谷的作用 [9] 。同时，移动充电器提供交流和直流等多种充电方式，能够满足用户交流慢充和直流快充等不同的充电需求。

2.2. 固定充电桩模式与移动充电器模式对比

固定充电桩模式下，充电设施的建设受电力基础设施、土地面积和停车位数量等限制，存在一定的局限性。同时，已有充电设施又存在充电资源利用率低等问题。

移动充电器模式与固定充电桩模式不同。利用已有中大型停车场建设充电服务站，充电站内任一停车位均为充电位 [10] 。用户将车停至停车位后，充电服务站将基于用户所提充电需求参数和当前时刻各移动充电器的工作状态参数为用户计算充电方案。与固定充电桩模式下用户需等待上一辆电动汽车驶离充电位才可进行充电不同，在移动充电器模式下，用户确认充电服务站提供的充电方案后即可离开，后续充电操作由工作人员按照充电方案完成。因每位用户的充电方案均基于该用户所提充电需求参数和当前时刻各移动充电器的工作状态参数给出，若用户对充电方案不满意，可参照已给出的充电方案对自身的充电需求参数进行适当修改，并由充电服务站为其计算新的充电方案。

在移动充电器模式下，充电服务站建设不受所在区域电力基础设施、土地面积和停车位数量等限制，不存在已有充电位被不合理占用而导致的充电资源利用率低等问题，克服了固定式充电设施的局限性 [11] 。移动充电器模式与固定充电桩模式对比如表1所示。

3. 基于移动充电器模式的电动汽车充电方法

3.1. 充电方法说明

基于移动充电器模式的电动汽车充电方法，其特征是应用于由N台移动充电器构成的充电服务站，并为M辆电动汽车提供充电服务的工作任务中；将所述充电服务站的充电过程准备时间记为prepare。

充电服务站基于电动汽车充电需求参数和移动充电器工作状态参数，计算用户充电需求是否满足。若充电需求满足，按用户需求充电量为其充电；否则，按用户预期离开充电服务站时刻前所能提供的最大充电量为其充电。在给出电动汽车充电方案和充电服务站运营参数的同时，更新各移动充电器的工作状态参数并完成相应地排序，等待为下一辆电动汽车计算充电方案。

表1. 移动充电器模式与固定充电桩模式对比

3.2. 电动汽车充电需求数据和移动充电器工作状态参数说明

(1) 电动汽车充电需求数据

电动汽车充电需求数据由如下参数构成：

电动汽车EV的编号m；EV_m的提出充电需求时刻TA(min)、预期离开充电服务站时刻TB(min)、动力电池起始荷电状态SOCA、动力电池目标荷电状态SOCB、动力电池容量V(kwh)和充电功率P(kw)。

(2) 移动充电器工作状态参数

移动充电器工作状态参数由如下参数表征：

移动充电器的编号NUM、空闲时刻T(min)和空闲容量C(kwh)。

3.3. 移动充电器工作状态参数排序说明

将所述N台移动充电器记为，MC_n表示第n级移动充电器，。MC_n的编号为NUM_n，空闲时刻为T_n，空闲容量为C_n。MC是按照各自空闲时刻的升序进行排序的；当空闲时刻T相同时，按照各自编号的升序进行排序。

在所设计的算法中，移动充电器的工作状态参数以数组的形式表征。算法在提取电动汽车的充电需求参数后，将提取当前时刻移动充电器的工作状态参数至数组MC。此时以数组形式呈现的移动充电器的工作状态参数将按上述原则进行排序，算法将从级数最低的移动充电器，即从空闲时刻最靠前的移动充电器开始读取，为用户计算充电方案。

若在完成EV_m的充电方案计算后，第j级移动充电器MC_j的空闲容量C_j = 0 kwh，置该移动充电器的空闲时刻T_j=1441 min，以便在执行移动充电器数组排序时，赋予空闲容量为0的移动充电器最高的级数。

3.4. 电动汽车充电方案和充电服务站运营参数说明

(1) 电动汽车充电方案

算法输出的电动汽车充电方案由如下参数表征：电动汽车EV的编号m；EV_m的充电需求满足程度satisfaction_m，需求充电量SV_m，实际充电量AV_m，实际开始充电时刻TE_m，实际完成充电时刻TF_m，充电过程等待时间WAIT_m。

(2) 充电服务站运营参数

算法输出的充电服务站运营参数为：1) EV_m的充电方案对应的移动充电器工作状态参数，包括：移动充电器编号，原空闲时刻，新空闲时刻，使用时间段，原空闲容量，新空闲容量，使用容量；2) N台移动充电器MC在第m次排序后的编号NUM，空闲时刻T和空闲容量C。

3.5. 充电方法实施方式说明

基于移动充电器模式的电动汽车充电方法实施方式如图1所示。具体实施步骤如下 [12] [13] [14] ：

步骤1：初始化M辆电动汽车的充电需求数据；初始化N台移动充电器的工作状态参数；

步骤2：初始化m=1，n=1；

步骤3：判断是否成立；若成立，则执行步骤4；否则，表示M辆电动汽车各自的充电方案计算完成；

步骤4：获取EV_m的充电需求参数，包括：TA_m，TB_m，SOCA_m，SOCB_m，V_m和P_m；

步骤5：利用式(1)计算需求充电量SV_m；

图1. 基于移动充电器模式的电动汽车充电方法流程图

(1)

步骤6：利用式(2)计算SV_m对应的连续充电时长TIME_m：

(2)

步骤7：获取第n级移动充电器MC_n的编号NUM_n，空闲时刻T_n和空闲容量C_n；

步骤8：利用式(3)计算EV_m的第n级时间间隔；若为负数或T_n = 1441 min，置；否则，不变；

(3)

步骤9：判断是否成立；若成立，则执行步骤10；否则，执行步骤33；

步骤10：利用式(4)计算预期开始充电时刻TC_m：

(4)

利用式(5)计算预期完成充电时刻TD_m：

(5)

步骤11：判断是否成立；若成立，则表示SV_m能被前n级移动充电器满足，且在TB_m前能完成SV_m的充电量，令satisfaction = 1，并执行步骤12；否则，表示SV_m能被前n级移动充电器满足，但在TB_m前只能完成SV_m的部分充电量，令satisfaction = 0，并执行步骤20；

步骤12：将预期开始充电时刻TC_m作为实际开始充电时刻TE_m，即；

将预期完成充电时刻TD_m作为实际完成充电时刻TF_m，即；

步骤13：令实际充电量AV_m为需求充电量SV_m，即；

利用式(6)计算充电过程等待时间WAIT_m：

(6)

步骤14：利用式(7)更新第j级移动充电器MC_j的工作状态参数，包括空闲时刻T_j和空闲容量C_j；从而更新前n级移动充电器的工作状态参数：

(7)

步骤15：若移动充电器MC中第j级移动充电器MC_j的空闲容量；设置其空闲时刻T_j为异常状态值“1441”，即T_j = 1441 min，表示该移动充电器空闲容量为0，不再提供充电服务；

步骤16：对N台移动充电器MC按各自空闲时刻T的升序进行第m次排序；当空闲时刻T相同时，按各自编号NUM的升序进行排序；排序后的N台移动充电器MC仍记为：，即更新后的第1级、第2级、…、第n级、…、第N级移动充电器；

步骤17：输出电动汽车充电方案；

步骤18：输出充电服务站运营参数；

步骤19：将m + 1赋值给m，令n = 1；并执行步骤3；

步骤20：将预期开始充电时刻TC_m作为实际开始充电时刻TE_m，即；

将预期离开充电服务站时刻TB_m作为实际完成充电时刻TF_m，即；

步骤21：判断是否成立；若成立，则表示在TB_m前，充电服务站无法为EV_m提供充电服务，并执行步骤22；否则，执行步骤23；

步骤22：利用式(8)计算实际充电量AV_m和充电过程等待时间WAIT_m，并执行步骤15：

(8)

步骤23：初始化k = 0；

步骤24：将k + 1赋值给k；

步骤25：判断是否成立；若成立，则表示实际完成充电时刻TF_m满足式(9)，并执行步骤26；否则，执行步骤28；

(9)

步骤26：利用式(10)计算获得实际充电量：

(10)

利用式(11)计算充电过程等待时间WAIT_m：

(11)

步骤27：利用式(12)更新第j级移动充电器MC_j的工作状态参数，包括空闲时刻T_j和空闲容量C_j；从而更新前n台移动充电器的工作状态参数；并执行步骤15；

(12)

步骤28：判断k%2 = 1是否成立；若成立，则执行步骤29；否则，执行步骤30；

步骤29：判断式(13)是否成立；若成立，则执行步骤26；否则，执行步骤24；

(13)

步骤30：判断式(14)是否成立；若成立，则执行步骤31；否则，执行步骤24；

(14)

步骤31：利用式(15)计算实际充电量AV_m：

(15)

利用式(16)计算充电过程等待时间WAIT_m：

(16)

利用式(17)更新实际完成充电时刻TF_m：

(17)

步骤32：利用式(18)更新第j级移动充电器MC_j的工作状态参数，包括空闲时刻T_j和空闲容量C_j；从而更新前n级移动充电器的工作状态参数；并执行步骤15；

(18)

步骤33：判断n = N是否成立；若成立，令satisfaction = 0，执行步骤34；否则，执行步骤40；

步骤34：利用式(19)计算预期开始充电时刻TC_m：

(19)

利用式(20)计算预期完成充电时刻TD_m：

(20)

步骤35：判断是否成立；若成立，则表示SV_m不能被N台移动充电器MC满足，充电服务站内所有移动充电器MC的空闲容量均为“0”，并执行步骤36；否则，执行步骤37；

步骤36：将异常状态值“0”作为实际开始充电时刻TE_m和实际完成充电时刻TF_m；并执行步骤22；

步骤37：判断是否成立；若成立，则表示SV_m不能被N台移动充电器MC满足，充电服务站在TB_m前为EV_m提供充电服务站内移动充电器总空闲容量的充电量，并执行步骤38；否则，表示SV_m不能被N台移动充电器MC满足，充电服务站在TB_m前为EV_m提供充电服务站内移动充电器总空闲容量的部分充电量，并执行步骤20；

步骤38：将预期开始充电时刻TC_m作为实际开始充电时刻TE_m，即；

将预期完成充电时刻TD_m作为实际完成充电时刻TF_m，即；

步骤39：利用式(21)计算实际充电量AV_m：

(21)

利用式(22)计算充电过程等待时间WAIT_m，并执行步骤14：

(22)

步骤40：将n + 1赋值给n；并执行步骤7。

4. 算例分析

4.1. 移动充电器初始工作状态参数和电动汽车充电需求参数

算例设置充电服务站包含7台移动充电器，记为。7台移动充电器的初始工作状态参数如表2所示。

设置由7台移动充电器构成的充电服务站为7辆电动汽车提供充电服务；7辆电动汽车记为，其充电需求参数如表3所示。

设置充电服务站的可选充电功率为5 kw、10 kw和15 kw。7辆电动汽车的充电需求参数是按各自提出充电需求时刻的升序进行排序的。

4.2. 电动汽车充电方案和充电服务站运营参数计算

表4基于电动汽车充电需求参数和表5移动充电器工作状态参数，经设计的算法计算得出7辆电动汽车各自的充电方案及其对应的充电服务站运营参数。

算例的目的为对7种充电需求情形进行模拟，设置用户均接受充电服务站提供的充电方案。

4.3. 结果分析

(1) 算法合理性与全面性分析：算例选取了具有代表性的电动汽车充电需求参数和移动充电器工作状态参数，模拟了实际充电过程中可能出现的7种不同的充电情形，所设计的算法是合理的，对电动汽车充电情形的定义是全面的。算法为用户计算充电方案的同时，输出对应的移动充电器工作状态参数，以

表2. 7台移动充电器初始工作状态参数

表3. 7辆电动汽车充电需求参数

表4. 电动汽车充电方案

表5. 电动汽车充电方案对应使用的移动充电器工作状态参数

方便充电服务站有效管理各移动充电器，算法可应用于实际充电环境。

(2) 移动充电器模式与配电网：由于采用了移动充电器模式，各时段电动汽车的充电功率将不会叠加至配电网，电动汽车充电不会对电网峰时段造成影响。表6为算例中各时段的电动汽车充电功率。当待充电的电动汽车不断增多，各时段充电功率将增大，此时若基于固定充电桩模式，电动汽车充电将对配电网产生较大影响；而在移动充电器模式下，电动汽车充电对配电网无影响。

(3) 移动充电器模式与用户：在移动充电器模式下，用户只需确认自身的充电需求参数，由充电服务站提供充电方案，充电操作也由充电服务站基于充电方案参数完成。用户对具体的充电过程和充电状态将有清楚的了解，充电体验感增强。

(4) 充电设施利用率：在移动充电器模式下，充电设施利用率达到100%，不存在固定充电桩模式下充电位被不合理占用而导致的充电资源利用率低的问题。

5. 结论

针对一二线城市老城区限于配电网容量和停车位数量，不适合新建大规模固定式充电设施而导致的

表6. 各时段电动汽车充电功率

电动汽车充电难问题，本文提出了一种基于移动充电器模式的电动汽车充电方法，在克服了固定式充电设施局限性的同时，有效解决了固定充电桩模式下充电位被不合理占用而导致的充电资源利用率低等问题。结合流程图，对算法的具体实施步骤进行了详细说明。通过选取具有代表性的移动充电器工作状态参数和电动汽车充电需求参数，模拟了实际充电过程中可能出现的7种不同情形。基于移动充电器模式的电动汽车充电方法将成为弥补固定式充电设施局限性的一种有效手段。

基金项目

广东省引进创新科研团队计划(2011N015)。

文章引用

韩平平,张海天,张祥民,张晓安,李宾宾. 一种基于移动充电器模式的电动汽车充电方法
A Charging Method of Electric Vehicles Based on Mobile Charger Mode[J]. 智能电网, 2017, 07(02): 105-115. http://dx.doi.org/10.12677/SG.2017.72012

参考文献 (References)