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交流充电桩需要系数的研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-03  来源:中国建筑电气网
 交流充电桩需要系数的研究

李炳华1 贾佳2 岳云涛2 覃剑戈2

(1——悉地国际建筑设计顾问有限公司;2——北京建筑大学)

 

摘要 近些年电动汽车逐步走入百姓的生活,同时也在社会引起了广泛的重视和关注。交流充电桩是一种采用传导方式为具备车载充电机的电动汽车提供交流电能的专用装置也是最常用的电动汽车充电方式。但是现今却没有交流充电桩需要系数的相关资料,从而影响了交流充电桩供配电系统的设计。笔者通过调研、实测不同场所不同台数的单相和三相交流充电桩实际运行数据,采用频数估计法分析数据给出交流充电桩需要系数的建议值。

关键词 交流充电桩 需要系数 充电功率 额定功率 正态分布 频数分布

 

Research on the Demand Coefficient of AC Charging Pile

LI Binghua1,JIA Jia2  YUE Yuntao2  QIN Jiange2

(1——CCDI Group.,Beijing 100013,China

2——Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044,China)

Abstract: In recent years, electric vehicles have gradually entered people’s life, and it has aroused extensive attention in society.AC charging pile is a special device that uses conduction mode to provide AC energy for electric vehicles with on-board charger, and it is also the most commonly used charging mode for electric vehicles. However, there is no relevant information about the demand coefficient of AC charging pile, which affects the design of the power supply and distribution system of AC charging pile. Through investigating and measuring the actual operation data of single-phase and three-phase AC charging piles in different places and different numbers, the frequency estimation method is used to analyze the data and the recommended values of AC charging pile's required coefficients are given.

Key word: AC charging pile; demand coefficient; charging power; rated power; normal distribution; frequency distribution

 

1 概况

1.1需要系数Kx值

即用电设备实际所需要的功率与其额定功率的比值,用公式可表示为

式中,Pc——计算有功功率,也称为需要功率,此负荷的热效应与实际负荷的最大热效应相等,因此可以从实际运行的功率获得。单位kW;

Pe—额定功率,单位kW。

需要系数Kx是采用需要系数法计算的重要参数,其 确定对于负荷计算的结果及合理的选用变压器有重要的作用。

 

1.2 背景意义

2017年1月13日,中国乘联会发布了2016年全年新能源汽车销量统计。数据显示,新能源乘用车总体销量32万台,同比增长84%。其中纯电动汽车销售24万台,增长116%;插电混动汽车销售8万台,增长26%。电动汽车以其节能环保、经济安全等特点不断受到社会各界的青睐,其普及将对排放污染和能源短缺问题的解决有着重要的意义。

目前,电动汽车的常见充电设备主要包括对车载充电机充电的交流充电桩和俗称直流充电桩的非车载充电机,以及充电主机系统。如今很多大型商场或写字楼的停车场(库)都可以看见直流和交流充电桩,这使得电动汽车的充电和续航更为方便。使用直流充电设施功率较大故而较为快速,然而对电网冲击较大,对电池寿命不太有利。交流充电桩功率较小,完成充电的时间大约在6~8小时,但其价格便宜,对电池寿命也比较有利。近些年一些电动汽车制造商推出几款新型电动汽车,交流充电功率达42kW,仅需1~2小时即可充满电池,因此42kW三相交流充电桩得以迅速发展。

 

2 交流充电桩需要系数的研究

2.1 充电功率的确定

交流充电桩分为单相和三相交流充电桩。单相交流充电桩常见额定功率为7kW,向下兼容,即可以给额定功率为7kW及以下(包括常见的3.3kW)的电动汽车充电,这种充电桩较为经济便宜,故应用比较普遍。三相交流充电桩常见功率为42kW,也是向下兼容,多用于公共场所及公共交通运营单位。

笔者调研某小型充电站一天内的充电总功率,其数据变化如图1所示。由图中可知,一天内充电功率在不同时段有较大差异,在夜间23点到凌晨1点电动汽车的使用率低因此为充电高峰,此时充电桩的最大总功率可达500kW;在中午12点到下午2点为第二个充电高峰时段,大约340kW;而在上午8时电动汽车多在使用,充电功率接近0kW,这种现象与人们日常生活作息有着较大联系。确定充电功率需要考虑到整个供配电系统的实际情况,因此,根据热效应原则,充电功率取30min最大平均功率。

图1  某充电站24小时内充电总功率变化情况

事实上,在交流充电桩充电过程中其工作电压基本上是一个恒定值,如图2所示,交流充电桩实际充电电压基本维持在220V不变,因此需要系数也可通过分析电流数据来确定,Kx约为充电电流与额定电流之比。

图2 充电桩充电电压变化趋势

 

2.2研究方法

笔者调研了单相与三相交流充电桩的工作状态,得到了实际运行需要系数的样本组。通过一定的数据分析即可得到需要系数的选取范围,分析过程如下。

分析数据需要样本组具有可靠、符合实际的特点,因此首先应对样本组进行坏点处理,使得数据更具有代表性。去除坏点后,选取适当的数理统计方法分析样本。

一般情况下,可以先假设数据呈正态分布的规律,这里采用SPSS软件作柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫检验(即 K - S检验)验证正态分布。当显著性α值大于0.05时,则假设成立。

若已验证样本数据符合正态分布规律,可根据正态分布公式2和3得出样本均值µ和标准差ơ。

式中,n——样本数量;

    xi——样本值,i=1,2,……,n;

    µ——样本均值;

    ơ——标准差。

已知均值和标准差便可求取参考值范围,此处采用频数分布估计法估计任意取值范围内的频数比例,制定参考值范围。公式4中,X为双侧界值即范围边界,边界大小以显著性水平(即估计总体参数落在某一区间内可能犯错误的概率)α值来确定,其常用值有0.01、0.05、0.10等。鉴于需要系数只是一个参考值实际工作时情况多复杂,所以不需将参考值范围定的过小,我们取α值为0.10,即参考范围至少能满足10%的情况。u值的选取与参考值范围的选择有关,常用u值见表1。

                             X=µ±uơ                              (式4)

式中,X——双侧边界值;

      u——标准正态变量。

显著性水平α取0.10,则双侧界值为P5和P95,即X=(µ±1.645ơ)。分析参考范围合理性并综合实际运行情况给出需要系数建议值。

 

2.3公共场所单台单相交流充电桩的需要系数 

单相交流充电桩主要用于家用,过去也用于公共场所,目前还广为使用。表2为某公共场所标称功率为7kW的单台单相交流充电桩的几组运行数据,其实际功率为8kW,经峰谷最大值与莱茵达准则判断,数据没有坏点且具有一定的代表性。

表2  公共场所单台单相交流充电桩充电数据

将以上数据用直方图形式表示会更为直观便于分析,按数据大小排列如图3

图3  公共场所单台单相交流充电桩充电数据直方图

经SPSS检验显著性α=0.478>0.05,见表3,故此组数据符合正态分布规律。因此可用正态分布法分析数据,代入正态分布公式2和3可得出样本均值µ=0.731,标准差ơ=0.194。

再根据频数分布估计公式4可得参考值范围X=(µ±1.645ơ)=(0.412,1.05)。显然需要系数1.05是不符合客观规律的,所以取(0.412,1.0)作为需要系数参考值范围,样本组中的10组数据均符合。由于计算所得范围较大,考虑到交流充电桩充电时间长(长达8h),且公共场所充电的电动汽车车型及电池电量的不确定性,所以公共场所单台单相7kW充电桩的需要系数建议值Kx≥0.95。

表3  公共场所单台单相交流充电桩充电数据K-S检验结果

 2.4 公共场所单台三相42kW交流充电桩的需要系数

三相交流充电桩为新近发展起来的可适应多种车型的充电桩,具有充电快速(通常充电时间为1~2h)、适用面广的特点。表4为一公共场所单台额定功率为42kW的三相交流充电桩的几组运行数据,其中最后一组数据(黄色部分)显然不符合实际,充电功率不应大于额定功率,按坏点处理将其去除,研究剩余9组数据。

表4  公共场所单台三相交流充电桩充电数据

 

将去除坏点后的数据用直方图表示如图4

图4  公共场所单台三相交流充电桩充电数据直方图

同样,经SPSS检验显著性α=0.699>0.05,见表5,故此组数据符合正态分布规律。因此可用正态分布法分析数据,代入正态分布公式2和3得出样本均值µ=0.748,标准差ơ=0.190。

表5  公共场所单台三相交流充电桩充电数据K-S检验结果

参考值范围X=(µ±1.645ơ)=(0.435,1.061)。显然需要系数1.061是不符合客观规律的,因此我们取(0.435,1.0)为需要系数参考值范围,样本组中去除坏点后的9组数据均符合此参考值范围。由于考虑到三相交流充电桩充电时间>30min,且公共场所充电的电动汽车车型和电池电量的不确定性,因此公共场所单台三相42kW交流充电桩的需要系数Kx建议取1。

 

2.5 公共场所多台单相交流7kW充电桩的需要系数

在电动汽车充电站一般有多个充电桩,而设备个数往往会影响需要系数的大小。笔者获取了某7kW单相交流充电站在不同台数充电桩同时使用时的充电数据,见表6粉色背景区域。其中38台及以下的充电数据为实测所得,38台以上数据为推算所得。然后经过其他充电站补充数据后,对其修正,如表6右列。

表6 公共场所多台单相交流7kW充电桩充电数据

将数据近似用折线图表示如图5

图5  公共场所多台单相交流充电桩充电数据折线图

经SPSS检验显著性α=0.765>0.05,见表7,故此组数据符合正态分布规律。因此可用正态分布法分析数据,代入正态分布公式2和3可得出样本均值µ=0.311,标准差ơ=0.200。

表7 公共场所多台单相交流充电桩充电数据K-S检验结果

根据频数估计法得出参考值范围X=(µ±1.645ơ)=(0,0.640),此范围适用于更多台充电桩同时使用时的数据。综合考虑到充电桩实际充电时间及运行情况,分别给出不同台数充电桩同时使用时需要系数的建议值,见表6右列。

 

2.6 运营单位使用的三相交流充电桩的需要系数

表8是某电动出租车充电站实际运行数据,经峰谷最大值与莱茵达准则判断,样本组数据没有坏点且具有一定的代表性。

表8  运营单位使用的三相交流充电桩数据

将表中数据用直方图形式表示会更为直观及便于分析,如图6

图6 运营单位使用的三相交流充电桩数据直方图

经SPSS软件作K-S检验显著性α=0.888>0.05,见表9,故此组数据符合正态分布规律。采用正态分布法分析数据,代入正态分布公式2和3得出样本均值µ=0.95,标准差ơ=0.029。

表9  运营单位使用的三相交流充电桩数据K-S检验结果

根据频数估计法得出参考值范围X=(µ±1.645ơ)=(0.9023,0.9977),除5台同时使用的需要系数是0.9018外,其余10组数据均满足此范围。由于运营的出租车公司承担公共交通责任,三相交流充电桩使用率较高,几乎每天都有所有充电桩同时使用的情况。根据实际运行数据,运营类的三相42kW交流充电桩的需要系数Kx建议取值不低于0.90。

 

3 结论和展望

交流充电桩需要系数是其实际充电功率与额定功率之比,交流充电桩需要系数的研究对电动汽车充电桩的电气设计有着重要的意义,是电气设计的基础。文中得出三种交流充电桩的需要系数的范围是符合工程实际要求的取值范围,能满足90%以上交流充电桩的电气设计需要。综上所述,交流充电桩需要系数概况如下:

1) 单台交流充电桩(包括单相和三相)的需要系数取值为1;

2) 公共场所多台单相交流7kW充电桩的需要系数Kx>0.32,台数越多,Kx值越小;

3) 出租车公司等运营单位使用的三相交流充电桩的需要系数建议不低于0.9。

本文仅是初探,希望能够抛砖引玉引起更多电气界的同仁对电动汽车充电的研究。由于所采集的数据有限,对交流充电桩的研究尚有不足之处,有待完善和深入研究,也希望更多的同仁参与到电动汽车充电的研究之中,为电动汽车这一新领域的发展添砖加瓦。

 

参考文献

1中国航空规划设计研究总院有限公司组编. 工业与民用供配电设计手册(第四版)[M].北京:中国电力出版社,2016年12月第四版;

2 贾俊平, 何晓群, 金勇进. 统计学[M]. 北京: 中国人民大学出版社, 2015;

3杨世杰.动态测试数据中坏点处理的一种新方法——绝对值法及应用研究 [J].中国测量技术,第32卷第1期.2006年1月;

4中国建筑学会电气分会 编. 民用建筑电气设计规范实施指南[M]. 北京:中国电力出版社,2008年5月1日,第1版;

5 李炳华,覃剑戈,岳云涛,贾佳. 充电主机系统需要系数的研究[J].建筑电气. 2017年5月。

 

 
 
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