国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于換電運營模式的電動車電池充電策略研究

2019-04-23 03:29:52,,
微型電腦應(yīng)用 2019年2期
關(guān)鍵詞:換電電價儲備

, , ,

(同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 201804)

0 引言

隨著能源短缺日益嚴重,環(huán)保呼聲高漲,電動汽車(electric vehicle, EV)作為一種低碳、情節(jié)的交通工具,受到世界各國政府的高度關(guān)注[1],成為我國新時期重點發(fā)展的7個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[2]。電池是電動汽車運行的能量來源。規(guī)模化電動汽車運行以后,必將帶來蓄電池的充電問題[3]。本文通過蒙特卡洛方法模擬出電動汽車的出行分布特征和換電需求分布特征,并由此使用線性規(guī)劃算法求解運營成本最低的充電方案。

換電模式是一種基于換電站(Battery Swap Station, BSS)的充電模式,換電技術(shù)最初是由Renault和Better Place公司提出的,目前成為電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新模式。在這種模式下,用戶只需要在一個距離最近的換電站或配送站,用他們需要充電的電池換取已充滿的電池即可。由于換電式電動汽車在出行距離和能源交換方式方面的優(yōu)勢,基于換電模式的充電策略已經(jīng)提出,并且在近幾年受到了越來越多的關(guān)注[4]。

本文利用真實的私家車出行數(shù)據(jù),通過蒙特卡洛方法模擬出大規(guī)模電動汽車在一天內(nèi)的出行分布和換電需求分布,再基于這些模型建立了換電站的運營成本模型,包括了電池充電成本、儲備電池成本和充換電設(shè)備成本。在此基礎(chǔ)上,利用線性規(guī)劃算法求出最優(yōu)的電池充電調(diào)度策略。

1 基于蒙特卡洛方法的電動汽車換電需求分析

蒙特卡洛方法[5]的基本思想是當所求解的問題是某種隨機時間出現(xiàn)的概率,或者是某個隨機變量的期望值時,通過某種“隨機試驗”的方法,以這種事件出現(xiàn)的頻率估計這一隨機事件的概率,或者得到這個變量的某些數(shù)字特征,并將其作為問題的解。由于電動汽車的換電服務(wù)仍是一個正在規(guī)劃的行業(yè),目前沒有確切的換電服務(wù)需求模型,因此,本文查閱了小汽車出行分布模型,通過蒙特卡洛方法模擬每輛電動汽車在一個統(tǒng)計周期內(nèi)的出行分布和剩余電量分布,從而得到電動汽車換電服務(wù)需求模型。

文獻[6]統(tǒng)計了北京市居民小汽車的出行時間分布,通過統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn),小汽車的日均出行次數(shù)為3.16次/日??紤]到每天的差異性,對于N輛電動汽車,可以假設(shè)每天出行的總數(shù)量服從U[3N,3.32N]的均勻分布。本文依據(jù)北京市居民小汽車的出行時間分布和出行比例作為電動汽車的出行比例,在一小時內(nèi)按照均勻分布,如圖1所示。

圖1 私家車出行比例

文獻[7]按照不同的城市規(guī)模和城市布局建立了私家車出行距離分布模型,發(fā)現(xiàn)城市私家車每次出行的距離服從瑞利(Rayleigh)分布,并且由于城市規(guī)模與布局的不同,瑞利分布的參數(shù)λ也不同,對于上海這種大型城市而言,可選λ=11.17。

假設(shè)電池容量為19.2 kWh,從滿電到空電行駛100 km。電動汽車的行駛行為是其主要的耗電原因,因此若要建立電動汽車換電的日需求模型,必須描述車輛在一天內(nèi)的行駛狀況。考慮到車速不斷變化會對行駛距離造成影響,進而影響到電池電量消耗的過程,可假設(shè)電動汽車在行駛過程中每個時刻的時速S滿足正態(tài)分布,本章的每個時刻表示1分鐘的時長,可認為車輛速度在1分鐘內(nèi)是恒定的。S服從N[21,32]的正態(tài)分布。

本文以換電閾值作為判斷電動汽車是否前往換電站進行換電服務(wù)的依據(jù),換電閾值分為兩類:一類是車輛在剩余電量過低時,為了維持車輛良好的使用狀態(tài)所產(chǎn)生的換電需求,以QL表示其換電閾值,稱為低電量閾值,該類型需求為低電量換電需求;另一類時電動汽車在一天最后一次出行結(jié)束后,為次日進行電能儲備而產(chǎn)生換電需求,以QS表示其換電閾值,稱為儲備閾值,該類型需求為儲備換電需求。依據(jù)QS的定義,可以認為QL小于等于QS,并且認為電動汽車在計算初始時刻的電量與儲備閾值有關(guān)。假設(shè)QS=[0.35,0.55],QL=[0.10,0.20]],電動汽車在日常行駛中,會在電量位于QS范圍內(nèi)時隨機前往換電站進行換電,當電動汽車在進行一天內(nèi)的最后一次行駛活動時,若結(jié)束時的電量位于QL范圍內(nèi),則電動汽車有可能在最后一次行駛的全過程內(nèi)接受一次換電服務(wù),進行換電服務(wù)的時間滿足均勻分布。

上海市目前常住人口為2 415萬,其中嘉定區(qū)常住人口為143萬人,至2017年上海市私家車保有量為213萬輛,取電動汽車滲透率為5%,可算出嘉定區(qū)電動汽車數(shù)量為6 330輛,本文將這6 330輛電動汽車作為換電服務(wù)的研究對象。

考慮到車輛的運行規(guī)律,部分車輛的運行可能會持續(xù)到24:00之后,且車輛每天第一次出行時的電池電量不一定滿足均勻分布。為了減小對分析結(jié)果的影響,所有計算均以2:00作為開始的時刻,連續(xù)進行兩天的計算,并將第二天的結(jié)果作為最終的模擬結(jié)果。通過蒙特卡洛方法得到的電動汽車換電的時間分布模型,如圖2所示。

圖2 電動汽車的日換電需求分布

經(jīng)過一天的運行,6 330輛電動汽車會產(chǎn)生2 353次換電需求,如何對這些換電需求進行優(yōu)化,從而減少換電站的運營成本是本文研究的核心。

2 電動汽車換電站的運營成本分析

電動汽車換電的成本模型可以分為3部分,電池充電成本,儲備電池成本和充換電設(shè)備成本。

(1) 電池充電成本

在此使用兩部制電價進行充電成本模型的建立,充電成本分為電量電價成本和基本電價成本,分別與實際充電電量與最大充電功率相關(guān),電價使用上海市商業(yè)分時電價,具體參數(shù)如表1所示。

表1 分時電價與最大需求參數(shù)

充電成本的公式為式(1)。

(1)

式中:

Ccharge表示充電成本;

∑t∈T(C(t)×E(t)×P)表示電量電價;

C(t)表示在t時刻充電的電池數(shù)量;

E(t)表示t時刻的電價,P表示電池充電功率;

kmax_demand表示最大需量參數(shù)。

(2) 儲備電池成本

采用換電模式進行能量更換,電動汽車更換下的電池由集中式充電站安排充電,待充滿后電池會在下一個時刻運至電池配送站等待電動汽車取用,并在為電動汽車更換電池時獲得其他待充電電池。電池循環(huán)示意圖如圖3所示。

圖3 電池循環(huán)示意圖

將模型中充電站所保有的電池都視作站內(nèi)儲備庫電池,根據(jù)電池循環(huán)流程圖可知,儲備庫電池分為滿電待用電池、正在充電電池和待充電電池,分別用兩個集合BF,BC和BN分別表示,可知換電站的儲備電池總數(shù)為|BT|=|BF|+|BC|+|BN|。

對于時刻t而言,對于BN,BC和BF而言分別存在約束條件,如式(2)。

(2)

式中:

BF(t),BC(t),BN(t)分別表示t時刻滿電待用電池、正在充電電池和待充電電池的數(shù)量;

SW(t)表示t時刻更換下的待充電池數(shù)量;

CS(t)表示t時刻開始充電的電池數(shù)量,只要滿足上述約束條件即為儲備電池的可行解,儲備電池成本正比于最少儲備電池的數(shù)量;

CE(t)表示t時刻結(jié)束充電的電池數(shù)量。

儲備電池成本的計算式為式(3)。

Cbattery=|BT|×kbattery

(3)

式中,kbattery為折算后每塊電池每日的折舊成本。

(3) 充電設(shè)備成本

充電設(shè)備成本為換電站為充電準備的電池充電機的成本,該成本正比與充電策略中的最大同時充電電池數(shù)。其計算式為式(4)。

(4)

式中,kche為折算后的單臺充電設(shè)備每日運營成本。

3 換電站內(nèi)電池充電策略的優(yōu)化方法分析

換電站對電池充電策略相關(guān)的運營成本主要包括了電池充電成本,儲備電池成本和充電設(shè)備成本。

假設(shè)充電機的功率為5 kW,電池功率為19.2 kWh,充電策略將一天劃分為每段4小時的6個時段,分別2:00-6:00, 6:00-10:00,10:00-14:00,14:00-18:00,18:00-22:00,22:00-次日2:00。在每個時段開始時將電池統(tǒng)一接入充電裝置,在每個時段結(jié)束時將已充滿的電池統(tǒng)一從充電裝置中移除,故每個時段的充電電池數(shù)量即為該時段開始時進行充電的電池數(shù)量,每個時段獲得的新充滿待用電池數(shù)量為上一時段開始充電的電池數(shù)量,如式(5)。

(5)

6個時間段的電價向量e=[0.291 0,0.291 0,1.005 5,1.005 5,0.892 3,1.118 8]kWh。通過換電模型可知一天內(nèi)更換的電池總量為2 353塊,平均每塊電池需要充電12.33 kWh。假設(shè)充電策略為c=[c1,c2,c3,c4,c5,c6],則電量電價成本為e×c,基本電價為40.5/30×5×max(c),充電設(shè)備運營成本為0.72×max(c)。

可以看出,構(gòu)建的運營成本模型主要存在兩個非線性因素:充電設(shè)備成本計算過程中的電池最大充電數(shù)量max(c)和儲備電池成本的迭代計算過程。在使用算法對系統(tǒng)進行優(yōu)化前,需要首先消除這兩項非線性因素。

對于非線性變量max(c),通過對充電成本的定性研究可以發(fā)現(xiàn),充電最多的時刻一定位于電價最低的時刻,即max(c)=max(c1,c2),由于c1和c2為換電服務(wù)的低谷時間段,在這段時間內(nèi)充滿電池的數(shù)量高于換電服務(wù)需求的電池數(shù)量,故c1和c2的選擇只影響充電設(shè)備成本,而不會影響充電成本和儲備電池成本。因此,最優(yōu)的充電策略會讓c1和c2的值相等,且為向量c=[c1,c2,c3,c4,c5,c6]的最大元素,故可令c1=c2,max(c)=c1。

對于儲備電池成本而言,消除非線性因素的方法是假設(shè)[bf,bc,bn]為一天開始時換電供應(yīng)商擁有的滿電待用電池、正在充電電池和待充電電池數(shù)量。將[bf,bc,bn]作為待求變量放入充電規(guī)劃模型中,即將規(guī)劃的解由c=[c1,c2,c3,c4,c5,c6]擴充為c=[c1,c2,c3,c4,c5,c6,bf,bc,bn]。

此時還需對式(2)的約束做線性化操作。

對BC和BT的線性化操作類似于BF,在此不做過多描述。

因此,充電策略的規(guī)劃模型為式(6)。

式中,

(6)

4 算例分析

配送站和換電站中的儲備電池,充電設(shè)備和換電設(shè)備具有不同的使用成本和使用壽命。對各類資源的單價及維護費用按表2進行設(shè)置。

表2 設(shè)備單價及維護費參數(shù)

4.1 未進行充電策略優(yōu)化的成本分析

通過蒙特卡洛方法模擬出的換電分布模型(圖2)作為研究對象,在沒有任何優(yōu)化策略的條件下,可計算電動汽車換電服務(wù)商每天的運營成本。

a) 充電成本

由于電池總電量為19.2 kWh,假設(shè)充電功率為5 kW,則認為單塊電池的充電周期為4小時,因此可將一天分成6個充電周期,每個周期內(nèi)充電站將上個充電周期內(nèi)更換下的待充電池充滿,并將已充滿的電池配送至配送站。充電站在6個充電周期內(nèi)充的電池數(shù)量,如圖4所示。

在這樣的充電分布下,充電站每日的電量電價成本為27 682元/天,折算的基礎(chǔ)電價為7 924元。

b) 儲備電池成本

儲備電池的數(shù)量與充電分布和換電分布均相關(guān),在沒有任何優(yōu)化措施的條件下,每個充電周期會將上個周期更換的待充電池充滿,并將這些電池在下個充電周期開始時配送至各配送站。通過24小時的迭代計算可求出儲備電池數(shù)量為1 859塊,各個充電周期內(nèi)的已充滿電池和未充滿電池如圖5所示。由表2得kbattery=2.19,可計算出儲備電池成本為4 071元。

圖4 即換即充策略下的充電電池分布

c) 充電設(shè)備成本

綜上所述,在沒有任何優(yōu)化策略時,換電站每日運營總成本為40 522元。如圖5所示。

圖5 充電站已充滿電池與未充滿電池分布

4.2 進行充電策略優(yōu)化的成本分析

對以上模型進行線性規(guī)劃,可求得最優(yōu)解為c=[1 177,0,0,0,0,1 176],可以看出此時充電策略(如圖6)會偏向電價較低的時間段進行充電。此時的儲備電池數(shù)量為2 348塊,換電站內(nèi)3種類型的電池分布如圖6所示。

圖6 優(yōu)化充電策略后充電站充電策略

使用優(yōu)化充電策略后,可得換電商各部分成本為:

電量電價成本:8 448元;

基本電價成本:7 938元;

充電設(shè)備成本:847元;

儲備電池成本:5 142元。

綜上,使用充電策略優(yōu)化后,換電商和充電相關(guān)的運營總成本為24 175元。使用充電策略優(yōu)化后的各項運營成本與未進行充電策略優(yōu)化前的各項運營成本對比如表3所示。

由表3可得,在建立的換電服務(wù)商的運營成本模型中,相比即換即充的充電策略,使用優(yōu)化后的充電策略能通過減少充電成本和儲備電池的成本,減少約40%的運營成本。如圖7所示。

表3 充電策略優(yōu)化前后的換電站運營成本分析

圖7 優(yōu)化充電策略后充電站各類電池分布情況

5 總結(jié)

本文主要通過蒙特卡洛方法模擬出換電式電動汽車在一天內(nèi)的出行分布特征和換電需求分布特征,并建立了換電運營商的運營成本模型。同時,本文建立了換電運營成本與電池充電策略之間的關(guān)系模型,并將其規(guī)約為一個線性規(guī)劃求解最優(yōu)值的問題。最后,本文使用了整數(shù)線性規(guī)劃算法對充電策略進行求解,并與未進行優(yōu)化前的成本進行比較和分析??梢钥闯?,在使用的算例中,用充電策略優(yōu)化后,換電運營商的成本相比未使用充電策略優(yōu)化前減少了約40%。

猜你喜歡
換電電價儲備
純電動輕型商用車換電技術(shù)方案
釋放鉀肥儲備正當時
電動車換電模式迎利好
汽車觀察(2021年6期)2021-11-20 23:40:03
國內(nèi)首個換電標準過審
7月10日蔚來開始執(zhí)行全新?lián)Q電收費模式
國家儲備林:為未來儲備綠色寶藏
綠色中國(2019年19期)2019-11-26 07:13:20
德國:電價上漲的背后邏輯
能源(2018年10期)2018-12-08 08:02:40
探索電價改革
商周刊(2018年16期)2018-08-14 01:51:52
外匯儲備去哪兒了
支點(2017年3期)2017-03-29 08:31:38
可再生能源電價附加的收支平衡分析
达孜县| 榆中县| 阜宁县| 河曲县| 延安市| 新兴县| 竹山县| 定州市| 重庆市| 雅江县| 安庆市| 山阳县| 长岭县| 宜昌市| 平遥县| 博爱县| 独山县| 黎平县| 龙里县| 平安县| 宁海县| 应城市| 桃江县| 桐庐县| 富阳市| 怀仁县| 灵寿县| 安西县| 波密县| 大渡口区| 德庆县| 滨海县| 民丰县| 普安县| 霍林郭勒市| 丹棱县| 缙云县| 新野县| 灵山县| 博兴县| 六枝特区|