CN109685554A - 一种居民区电动汽车充电桩运营模式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种居民区电动汽车充电桩运营模式，所述电动汽车充电桩运营模式包括确立电动汽车充电桩供给方案、确立电动汽车充电桩用户的使用方案、确立电动汽车充电价格的计算方法和电动汽车充电峰谷分时电价优化策略。该居民区电动汽车充电桩运营模式是面向居民区的电动汽车充电运营模式及运行策略，并给出面向居民区的典型充电桩系统方案设计。

Description

一种居民区电动汽车充电桩运营模式
技术领域
本发明涉及电动汽车充电调配管理模式技术领域，具体涉及一种居民区电动汽车充电桩运营模式。
背景技术
作为新能源汽车的代表，电动汽车在节能减排、缓解燃油供求矛盾及环境污染等问题方面相比传统汽车有着天然的优势，近年来受到政府部门、汽车生产商的广泛青睐。目前电动汽车以飞快的速度在向前发展，配套的充电设备也在大范围地进行普及。2015-2020年将新建480万个私人专用充电桩和公共充电桩，建设目标满足500万辆各类电动汽车的充电需求。可以预见，随着电动汽车的大规模普及，新增的充电负荷接入台区电网，势必会对居民区电力系统的规划、运行以及电力市场的运营产生深刻影响。
针对居民区电动汽车的充电特性、台区负载分析以及电力负荷发展趋势预测等方面，目前已有较多文献进行了研究。一种接入电网的电动汽车充电负荷数学模型，通过计算电动汽车电量和台区变压器容量及相应的发展趋势，完成对居民区充电设施负荷预测与容量配置功能。交通部对某地区家用车辆最后一次出行时间调查结果，表明私家车用户一般在17:30-18:30回到居民区，在7:00-9:00离开居民区。因此有必要专门针对特点时段制定有序的充电策略。
目前根据电动汽车的充电服务特点，居民区电动汽车充电服务主要是由充电桩来进行完成。传统运营模式主要包括：政府主导模式、电网企业主导模式、汽车厂商主导模式、用户主导模式。下面依次进行对比分析。
(1)政府主导运营模式，指政府作为投资主体，组织汽车厂商和电力供应商共同建设和运营充电桩。政府通过统一规划，鼓励和扶持企业从事充电桩的建设，集约化发展引领充电桩的有序发展。但随着充电桩数量的大规模增加，政府财政投资需求将急剧增大。该模式的代表性国家主要有美国和日本。
(2)电网企业主导运营模式，是指电网企业作为电动汽车充电桩的投资主体，具有完全的商业化性质，代表性国家包括法国和德国。电网企业参与充电设施运营，能充分利用其电力传输和电力相关的技术优势，快速形成相应的设施网络体系，但其缺少终端销售网络和充电桩运营的经验。
(3)汽车厂商主导运营模式，是指由汽车厂商提供商业化充电服务，代表厂家主要有丰田和特斯拉。该模式适用于充电服务基础设施良好、商业化成熟的发展阶段。它将汽车产品与服务价值链整合，提高了产品的附加值。该模式利润受到电价波动的影响较大，另外提供的电力和技术在充电桩数目大规模增加时无法满足实际需求。
(4)用户主导运营模式，是指电动汽车用户投资建设电动汽车充电桩。该模式可以实现充电桩与用户自身电动汽车有效衔接，但难点在于充电桩的协调安装以及后续的高成本维护
当前面向居民区的电动汽车充电运营模式、运行策略及典型充电方案设计方面的研究成果较少。在对现有电动汽车的充电特性和负载配置的研究基础上，提供一种面向居民区的电动汽车充电运营模式及运行策略，并给出两种面向居民区的典型充电桩系统方案设计，这对居民区电动汽车的有序充电控制及高效运营管理，具有重要的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种面向居民区的电动汽车充电运营模式及运行策略，并给出面向居民区的典型充电桩系统方案设计的居民区电动汽车充电桩运营模式。
为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种居民区电动汽车充电桩运营模式，所述电动汽车充电桩运营模式包括确立电动汽车充电桩供给方案、确立电动汽车充电桩用户的使用方案、确立电动汽车充电价格的计算方法和电动汽车充电峰谷分时电价优化策略。
优选地，所述电动汽车充电桩供给方案采用混合运营模式，消费者购买电动汽车后，由电动汽车生产厂商承诺在消费者所在居民区安装建设充电桩，然后由充电桩生产厂商负责居民区建设充电桩，消费者向电动汽车生产厂商支付购车款后，电动汽车生产厂商再将充电桩的安装建设费用支付给充电桩生产厂。
优选地，所述电动汽车充电桩用户的使用方案采用共享使用模式，首先由电网公司建立共享平台，电网公司利用电信息采集系统对配电变压器和终端用户用电数据采集和分析，实现用电监控、错峰用电、用电负荷管理，在用电信息采集系统的基础上建立电动汽车充电桩共享运营平台，实现资源的合理配置。
优选地，所述电动汽车充电价格的计算方法包括充电设施建设投资回收期计算，其中设各充电设施的投资额为C，日充/换电量为W，日运行费用为P，每度电购电价格为Po，销售电价Ps，则充电设施的投资回收期T由式(1)计算：
所述电动汽车充电价格的计算方法还包括对可行性充电价格进行计算的式(2)：
Ps＝(C/T+P)/365/W+Po
其中，Ps,P0,C,T,W参数的含义与式(1)一致。
优选地，所述电动汽车充电峰谷分时电价优化策略为由电网公司在电动汽车日负荷统计的基础上，对居民区日负荷率、日最小负荷率、日峰谷差和日峰谷差率进行分析和预测，及时调整峰谷分时电价，以引导电动汽车在谷时充电，以实现电动汽车充电负荷的“移峰填谷”，减少电网峰谷差。
本发明的优点和有益效果在于：该居民区电动汽车充电桩运营模式是面向居民区的电动汽车充电运营模式及运行策略，并给出面向居民区的典型充电桩系统方案设计。
本发明分析了传统居民区电动汽车充电服务的运行特点，在此基础上提出了居民区充电桩混合运营模式和共享充电桩运营模式。然后对居民区电动汽车充电运行策略进行了研究，包括对充电价格的分析确定，并提出一种基于峰谷分时电价政策的引导性充电策略和综合利用电动汽车老旧电池的解决思路。最后完成居民区典型充电装置的施工方案设计，为实现居民区电动汽车的充电控制及具体实现提供具有借鉴意义的解决方式，可以弥补已有专利仅侧重某一方面具体研究内容的缺陷，具有系统性、全局性的特点。本发明研究成果有助于科学地建设电动汽车的充电装置，为电动汽车的运营管理及大规模推广储备技术积累。
本发明在对电动汽车充电特性和负载配置的研究基础上，提出一种面向居民区的充电运营模式、运行策略及典型方案设计。首先分析了传统充电服务运营模式的优缺点，在此基础上提出联合汽车厂商和充电桩厂商混合运营模式和共享充电桩运营模式，接着给出了一种面向居民区电动汽车充电运行策略，包括充电价格的确定方式、基于峰谷分时电价政策的引导性充电模式和电动汽车老旧电池储能装置综合利用，最后完成面向居民区电动汽车充电装置的典型设计。
该居民区电动汽车充电桩运营模式提出了一种构建汽车厂商和充电桩厂商联盟的充电桩运营模式。考虑到电动汽车和充电桩是互补品，进行捆绑销售后会达到“1+l>2”的效果，主要体现在两者的销量比单独销售时提升，利润都有所增加。从电动汽车行业发展的情况看，电动汽车行业的增长受到充电设施的限制，这也意味着电动汽车厂商也会积极地参与进入充电桩运营中。
而共享经济是指以获得一定的报酬为主要目的，基于陌生人且存在物品使用权暂时转移的一种新型经济和商业模式。对于居民区充电桩的运营，同样也具有共享的潜力。从共享经济的五个要素来看，充电桩作为一种闲置资源，其使用权在具体的居民或者居民区物业手中，可以通过网络将充电桩闲置时间及具体位置发布出来，这样其他居民用户可以共用这种资源，同时也为充电桩的拥有者带来相应的收益。共享充电桩的营运模式在于将所有充电桩的闲置时间整合起来，既提高了充电桩的使用效率，又为居民用户带来了便捷。
在共享的过程中，最重要的是共享平台的构建。共享平台联系着需求端和供应端，起到合理配置充电桩资源的作用。从发展趋势看，共享充电桩平台由电网公司搭建较为合适。目前，电网公司利用用电信息采集系统对配电变压器和终端用户用电数据采集和分析，实现用电监控、错峰用电、负荷管理等功能，因此可以在用电信息采集系统的基础上开发建立充电桩共享运营平台，实现资源的合理配置。这是本专利提出的另外一种充电桩运营模式。
电动汽车的充电电价制定一方面需要使得电力投资商能够获利，另一方面也需要进行差别定价以期能够缓解电网的压力。
充电电价包括两部分：基础电价和充换电服务费。其中基础电价是充电过程中消耗电能的价格，是充换电设施经营企业向电力供应企业支付的价格，这部分价格由国家统一制定。而充换电服务费则是弥补充换电设施运营成本，并且各方投资主体也是从中获利。
实行峰谷分时电价是电力产业为提高电力系统负荷率，实施需求侧管理，按照负荷曲线的高峰低谷把一天划分多个充电时段，并对应差异化的电价，是保证电力系统稳定运行而采取的一种经济调控手段。
居民区电动汽车的充电时间与居民区用电高峰时段在时间上有较大的重叠。这样会进一步增大高峰时段电网的负荷压力，拉大峰谷差，给电网企业带来较大的危害。因此在电动汽车日负荷曲线基础上，对居民区日负荷率、日最小负荷率、日峰谷差和日峰谷差率进行分析和预测，及时调整峰谷分时电价，以引导电动汽车在谷时充电，以实现电动汽车充电负荷的“移峰填谷”，减少电网峰谷差。
附图说明
图1是本发明居民区电动汽车充电桩运营模式的流程图。
图2是本发明居民区电动汽车充电桩运营模式中不同时刻的用电功率波峰差值图；
图3是本发明居民区电动汽车充电桩运营模式中某小区典型日负荷曲线图；
图4是本发明居民区电动汽车充电桩运营模式中；
图5是本发明便于检测泄漏点流体管的主视示意图延时充电7小时的电动汽车用电负荷曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明是一种居民区电动汽车充电桩运营模式，所述电动汽车充电桩运营模式包括确立电动汽车充电桩供给方案、确立电动汽车充电桩用户的使用方案、确立电动汽车充电价格的计算方法和电动汽车充电峰谷分时电价优化策略。
所述电动汽车充电桩供给方案采用混合运营模式，消费者购买电动汽车后，由电动汽车生产厂商承诺在消费者所在居民区安装建设充电桩，然后由充电桩生产厂商负责居民区建设充电桩，消费者向电动汽车生产厂商支付购车款后，电动汽车生产厂商再将充电桩的安装建设费用支付给充电桩生产厂。
所述电动汽车充电桩用户的使用方案采用共享使用模式，首先由电网公司建立共享平台，电网公司利用电信息采集系统对配电变压器和终端用户用电数据采集和分析，实现用电监控、错峰用电、用电负荷管理，在用电信息采集系统的基础上建立电动汽车充电桩共享运营平台，实现资源的合理配置。
所述电动汽车充电价格的计算方法包括充电设施建设投资回收期计算，其中设各充电设施的投资额为C，日充/换电量为W，日运行费用为P，每度电购电价格为Po，销售电价Ps，则充电设施的投资回收期T由式(1)计算：
所述电动汽车充电价格的计算方法还包括对可行性充电价格进行计算的式(2)：
Ps＝(C/T+P)/365/W+Po
其中，Ps,P0,C,T,W参数的含义与式(1)一致。
所述电动汽车充电峰谷分时电价优化策略为由电网公司在电动汽车日负荷统计的基础上，对居民区日负荷率、日最小负荷率、日峰谷差和日峰谷差率进行分析和预测，及时调整峰谷分时电价，以引导电动汽车在谷时充电，以实现电动汽车充电负荷的“移峰填谷”，减少电网峰谷差。
实施例
以福州市某居民区为例，以小区历史最大负荷日的最高负荷值为标准，对每个采集点对应的电力数据进行做差处理，图2展示了不同时刻的用电功率波峰差值图，其中阴影部分面积为电量差，容易看出对居民区用电进行合理控制的重要性。
面向居民区的电动汽车充电设施典型设计方案
如何在新建或已建居民区中设计配置适当的供电容量，以及如何设计配置相应的供电设施、计量装置等都成为关键问题。本发明在居民区电动汽车充电特点及功率需求、居民区负载分析和预测技术等研究基础上，完成面向居民区的电动汽车充电设施典型方案设计。
工程建设规模与设计分工：
(1)工程建设规模
充电桩功率的选择是依据国标GB 50966-2014《电动汽车充电站设计规范》规定中交流充电桩的充电电压和充电电流的额定值标准来确定。本发明选择6台/12台单相7KW交流充电桩作为典型设计。
(2)设计范围与分工
包括交流充电桩工艺、电气一次、电气二次及土建。
供配电系统设计：
(1)充电桩负荷计算
首先考虑6台充电桩情形。交流充电桩的有功功率为7KW，共计6台，需要系数Kx取0.95，有功功率：P0＝Kx.Pe＝0.95×(7×6)＝39.9(KW)，功率因数cosφ取0.95，计算电流：Is＝P0/Γu.cosφ＝39.9/(Γu×0.38×0.95)＝64(A)。
其次考虑12台充电桩情形。交流充电桩的有功功率为7KW，共计12台，需要系数Kx取0.9，有功功率：P0＝Kx.Pe＝0.9×(7×12)＝75.6(KW)，功率因数cosφ取0.95，计算电流：Is＝P0/Γu.cosφ＝75.6/(Γu×0.38×0.95)＝121(A)。
(2)充电负荷接入方案
根据充电桩规模、分布情况及低压网络情况选择接入电气接线方式，当集中布置充电桩数量不超过12台时，可只需设置电表箱供电；当超过12台时，适合采用总配电箱、电表箱供电。其中总配电箱由小区变压器直接供电，电表箱由总配电箱或配电室变压器供电。供电负荷容量小于250KW时，开关额定电流不宜小于400A，负荷电流大于400A时，需要额外增加开关。另外，总配电箱、电表箱安装的位置应方便后续检修和维护，且不得妨碍车辆的安全通行。
接入电缆型号选择与敷设方式：
(1)接入电缆选择
总配电箱的进线电缆截面应根据实际容量选择铜芯电缆，6表位电表箱的进线电缆截面选用铜芯4×35+1×16mm2，12表位电表箱的进线电缆截面选用铜芯4×70+1×35mm2，电缆长度不宜超过250m；电表箱箱至交流充电桩的电缆截面选用铜芯3×6mm2；电缆电压等级选用0.6/1KV；室内停车库内的电缆应选用无卤低烟阻燃电缆交联聚乙烯电缆，室外停车场可选用普通交联聚乙烯电缆。
(2)接入电缆敷设方式
交流充电桩设置在地下室车库时，电缆采用防火金属封闭式槽盒敷设，防火金属封闭式槽盒选用400mm×100mm规格。交流充电桩设置在地面室外停车场时，电缆可采用埋管敷设。
5.4计量装置确定
(1)计量装置硬件配置
交流充电桩按“一桩一表”配置交流电能表，分别选用6/12表位电表箱。电表箱进线开关装设具有短路、过负荷等动作功能的空气塑壳断路器，若电表箱设在室内时，还应配置分励脱扣用于消防切非；电表箱的每路出线装设应具有短路、过负荷、剩余电流等动作功能的空气微型断路器。
(2)计量装置安装方式
电表箱应布置在与充电车位较近的车库承重墙或剪国墙面，不宜安装在车库立柱上，户外无墙面可固定时，电表箱可采用落地安装，但需设置安装基座，基座高度不应低于800mm，且基座应预埋安装螺栓用于电表箱安装固定。
接地设计：
低压接地型式采用TN-S系统，充电设备保护接地端子应可靠接地，接地电阻值应符合国标GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》要求。
另外，户内安装的充电设施，应利用建筑物的接地装置接地；户外安装的充电设施宜与就近建筑或配电设施共用接地装置。无法利用时，应加设接地装置。
充电桩安装要求：
交流充电桩宜布置在充电车位端部，根据现场情况可采用落地式安装或壁挂式安装方式。落地式充电桩安装基础应高出场地地坪的高度，室内不应低于50mm，室外不应低于200mm；壁挂式充电桩应安装在承重墙或剪力墙上，距地不宜小于1200mm；充电桩安装后不应改变或影响区域原有的使用功能和安全。
算例分析
下面以厦门市某小区的负载特性曲线为例进行仿真分析。该小区类型为高层带商铺有地下室，地址位置以及用户规模具有一定的代表性，选取2013-2016的最大负荷日进行对比分析，如图3所示。其中，从2013年到2016年最大负荷日的平均负荷逐年增长，而且增长率是越来越高。每条曲线的波峰也就是最大负荷日的最高负荷逐年增加，增长率越来越高。同时可以看出用电高峰是在21：30到22：30之间。随着波峰的位置逐年向后推移，可以看出随着小区发展以及用户生活方式的变化，夜晚用电高峰逐渐延长。对于供电部分而言如何在从21：30到22：30确保小区用电的稳定是一个亟需考虑的问题。对于用电波谷位置而言，2013年和2014用电最少的时间段大约在9点左右，而从2015年以后用电波谷的位置大约出现在16:30到17：00之间。波谷位置的变化以及峰谷差逐年增大都能够充分说明用户用电习惯的改变及用户生活节奏的变化。因而，供电部门在制定用电规划时需要及时了解到用户生活习惯，结合对小区典型负荷曲线的分析，智能调配电力负荷，保证供电网经济安全运行。图3厦门市某小区典型日负荷曲线图。
更进一步，设该小区的电动汽车渗透率为100％，采用居民区电动汽车负载分析方法，利用蒙特卡罗仿真方法求出一天内1000台电动汽车充电功率需求的期望。仿真1000辆充电汽车分别在无序充电(返回家中即充电)、需要充电满1小时、满2小时、满3小时、满4小时条件下充电，其结果如图4所示。
接着，采用4.2节提出的方法进行延迟充电7小时后的充电负荷分析。图5展示了1000辆充电汽车在无序充电、需充电时长超过1/2/3/4小时情形下的仿真结果。与图5对比可以看出，延时后的充电负荷曲线最高点低于延时前的最高点，填补了台区原电力波谷的负荷。延时曲线较无序充电情形下的功率曲线，起到了削峰填谷的作用，使得居民区变压器负载更加均衡，进而验证了本专利充电运行策略的有效性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种居民区电动汽车充电桩运营模式，其特征在于，所述电动汽车充电桩运营模式包括确立电动汽车充电桩供给方案、确立电动汽车充电桩用户的使用方案、确立电动汽车充电价格的计算方法和电动汽车充电峰谷分时电价优化策略。
2.如权利要求1所述的居民区电动汽车充电桩运营模式，其特征在于，所述电动汽车充电桩供给方案采用混合运营模式，消费者购买电动汽车后，由电动汽车生产厂商承诺在消费者所在居民区安装建设充电桩，然后由充电桩生产厂商负责居民区建设充电桩，消费者向电动汽车生产厂商支付购车款后，电动汽车生产厂商再将充电桩的安装建设费用支付给充电桩生产厂。
3.如权利要求1所述的居民区电动汽车充电桩运营模式，其特征在于，所述电动汽车充电桩用户的使用方案采用共享使用模式，首先由电网公司建立共享平台，电网公司利用电信息采集系统对配电变压器和终端用户用电数据采集和分析，实现用电监控、错峰用电、用电负荷管理，在用电信息采集系统的基础上建立电动汽车充电桩共享运营平台，实现资源的合理配置。
4.如权利要求1所述的居民区电动汽车充电桩运营模式，其特征在于，所述电动汽车充电价格的计算方法包括充电设施建设投资回收期计算，其中设各充电设施的投资额为C，日充/换电量为W，日运行费用为P，每度电购电价格为Po，销售电价Ps，则充电设施的投资回收期T由式(1)计算：
所述电动汽车充电价格的计算方法还包括对可行性充电价格进行计算的式(2)：
Ps＝(C/T+P)/365/W+Po
其中，Ps,P0,C,T,W参数的含义与式(1)一致。
5.如权利要求3所述的居民区电动汽车充电桩运营模式，其特征在于，所述电动汽车充电峰谷分时电价优化策略为由电网公司在电动汽车日负荷统计的基础上，对居民区日负荷率、日最小负荷率、日峰谷差和日峰谷差率进行分析和预测，及时调整峰谷分时电价，以引导电动汽车在谷时充电，以实现电动汽车充电负荷的“移峰填谷”，减少电网峰谷差。
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