浅谈电动汽车充电负荷预测与智能有序充电策略研究
安科瑞 陈聪
摘要：随着全球工业化进程的加速，石油等资源的消耗日益增加，能源短缺和环境污染问题愈发严峻。电动汽车作为一种清洁、有效的交通方式，受到了广泛关注。中国政府为推动电动汽车行业的发展，实施了一系列政策，使得电动汽车在中国的发展势头强劲。然而，大规模电动汽车的无序充电对电网的稳定安全运行构成了巨大挑战。因此，对电动汽车充电负荷进行预测，并研究智能有序充电策略，对电网、用户和电动汽车公司都具有重要意义。
关键词：电动汽车；充电负荷预测；智能有序充电
1.引言
随着全球能源和环境问题的日益突出，电动汽车作为一种清洁、有效的交通工具，正在逐步取代传统的燃油车。中国政府为推动电动汽车产业的发展，实施了一系列政策，包括购车补贴、充电设施建设等，使得电动汽车在中国的发展势头强劲。然而，电动汽车的大规模应用也带来了新的挑战，特别是大规模电动汽车的无序充电对电网的稳定安全运行构成了巨大威胁。因此，对电动汽车充电负荷进行预测，并研究智能有序充电策略，成为当前亟待解决的问题。
2.电动汽车充电负荷预测
电动汽车充电负荷预测是制定有序充电策略的基础。本文采用基于峰平谷电价动态修正目标荷电状态（SOC）的方法，对电动汽车充电负荷进行预测。首先，对影响充电负荷的主要因素进行分析，包括起始充电时刻、起始SOC、日行驶里程等。然后，结合峰平谷电价的影响，利用机器学习算法建立充电负荷预测模型。该模型能够准确预测不同时间段内电动汽车的充电需求，为制定有序充电策略提供有力支持。
3.电动汽车充电模式分析
在用户进行充电时，会根据自己对充电的需求意愿和紧急程度，同时结合车辆类型，选择适合自己的充电模式。目前，电动汽车充电技术经过不断发展，已有三种类型的充电方式技术相对成熟且应用范围较为广泛，分别是常规充电模式、快速充电模式以及充电站更换电池模式。
（1）常规充电模式
常规充电方式也称为慢速充电方式，一般采用日常220V交流电压，具有小电流低功率的特点。由于充电时间较长，一般需要5-10小时，所以慢速充电桩一般安装在居民小区、办公场所等用户停留时间较长的区域。常规充电在安装以及成本等方面具有很大的优势，如不需要架设额外的供电线路、对配电网和电池的冲击较小、能够延长电池的使用寿命等。因此，一般将慢充充电模式应用在日行驶里程以及日行驶时长较短的私家车上。
（2）快速充电模式
快速充电具有充电电流大的特点，能够在短时间内对电池进行电能补充。快速充电桩在对电动汽车进行所需电能补充时，一般需要1-2小时可以补充电池容量的80%左右。快速充电模式具有充电时间短的明显优势，因此一般在人口流动较大且拥有充电需求的场所采用快速充电，如大型商超、高速公路补给站等场景。然而，快速充电也会对电池和配电网产生较大的冲击，影响电池的使用寿命和电网的稳定安全运行。因此，在一些紧急情况下会采取快速充电模式进行电量补充。
（3）充电站更换电池模式
换电池模式既能够在短时间内满足电动汽车的电能需求，又不会对电网和电池造成巨大的冲击。对于日行驶里程和时长都比较大且没有合适的时段进行电量补充的运营类车辆，可以考虑采用换电池模式来满足其正常的运营需求。换电池模式经过不断的发展已经初具规模，技术得到了较为成熟的发展，通常情况下只需要十分钟左右就能完成电池的更换工作。然而，换电池模式也存在一些问题，如需要经常拆卸电池对电动汽车的稳定性和安全性要求较高、电池标准不统一限制其发展、换电站需要储存大量电池投资成本和风险较大等。因此，换电池模式的推广应用仍面临诸多挑战。
4.智能有序充电策略
智能有序充电策略是实现电动汽车有序充电的关键。本文提出的智能有序充电策略，基于充电负荷预测结果，结合电网负荷情况和用户需求，动态调整充电功率和充电时间。具体策略包括：在电网负荷低谷时段，鼓励用户进行充电；在电网负荷高峰时段，限制或推迟充电行为。同时，结合峰平谷电价政策，引导用户合理选择充电时段，降低充电成本。此外，通过引入智能算法，对充电策略进行持续优化，提高充电效率和用户满意度。
5.安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展
5.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
5.2应用场所
适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
5.3系统结构
系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
5.4安科瑞充电桩云平台系统功能
5.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
5.4.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。
5.4.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
5.4.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
5.4.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
5.4.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。
5.4.7运维APP
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
5.4.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
5.5系统硬件配置
| 类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
| 安科瑞充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 |
| 安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。 |
| 互联网版智能交流桩 | AEV-AC007D |
| 额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC030D |
| 额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC060S |
| 额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC120S |
| 额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 10路电瓶车智能充电桩 | ACX10A系列 |
| 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电 |
| 2路智能插座 | ACX2A系列 |
| 2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电 |
| 20路电瓶车智能充电桩 | ACX20A系列 |
| 20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电 |
| 落地式电瓶车智能充电桩 | ACX10B系列 |
| 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-ES |
| AIM-D100-ES系列直流绝缘监测仪可以应用在15~1500V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-T |
| AIM-D100-T系列直流绝缘监测仪可以应用在10~1000V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
| 智能边缘计算网关 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。 |
| 扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | ||
| 扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G全网通 | ||
| 导轨式单相电表 | ADL200 |
| 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证 |
| 导轨式电能计量表 | ADL400 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证 |
| 无线计量仪表 | ADW300 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证 |
| 导轨式直流电表 | DJSF1352-RN |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证 |
| 面板直流电表 | PZ72L-DE |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证 |
| 电气防火限流式保护器 | ASCP200-63D |
| 导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。 |
| 开口式电流互感器 | AKH-0.66/K |
| AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。 |
| 霍尔传感器 | AHKC |
| 霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。 |
| 智能剩余电流继电器 | ASJ |
| 该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。 |
6.结论
本文通过对电动汽车充电负荷预测与智能有序充电策略的研究，为电动汽车产业的可持续发展提供了有力支持。未来，我们将继续深化研究，探索更加精准、高效的充电负荷预测方法和智能有序充电策略。同时，我们也将关注电动汽车充电技术的最新进展和用户需求的变化，为电动汽车充电的优化和创新提供理论支撑和实践指导。
参考文献：
[1]陈星.电动汽车充电负荷预测及有序充电控制策略研究
[2]马玲玲，杨军，付聪等.电动汽车充放电对电网影响综述
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版