纯电动公交车充电站运营规划及仿真 城市交通

韩笑Email:08121992@Cell电动公交车充电站运营规划及仿真韩笑，张维戈，姜久春摘要：为了将运营模式模型化，即基于模型根据不同的运营要求得出相应的运营模式，本文介绍了纯电动公交车充电站的运营规划方法、计算，以及根据此运营规划的算法进行的设计实例和针对此设计实例进行的仿真。仿真结果可验证设计的合理性，并可对设计进行优化。关键词：充电站纯电动公交车充电机快速更换SimulationoftheOperatingPlanofE-BusChargeStationHANXiao，ZHANGWei-ge，JIANGJiu-chunBeijingJiaotongUniversityBeijing100044Abstract:Tomaketheoperatingplanbemodelingwhichmeansthatbasedonthemodeltherewillgettheoperatingplan.ThewayofoperatingplanofE-Buschargestationanddesignexamplesareintroduced,whichhasbeensimulated.Theresultofsimulationprovedthefeasibilityofthedesign.Keywords:ChargeStationE-BusChargerQuick-Replaceable1.引言电动汽车由于具有高效节能、减少环境污染等特点，随着能源与环保压力的增加和车辆电驱动技术的发展，成为了汽车工业发展的一个重要方向。而纯电动公交车既是缓解交通压力的重要城市交通工具，又可以满足零排放，减少污染，其将成为城市交通中的主力军。纯电动公交车充电站作为动力补充与维修服务的载体则成为了纯电动公交车发展与广泛应用的配套设施的核心所在。本文将重点介绍纯电动公交车充电站的运营规划，设计实例和运营仿真。2.充电站主要充电方式的选择及运营流程介绍电动汽车目前存在两种主要的充电方式：一种是整车充电模式，一种是采用快速更换模式。对于像公交车这样的大规模集中运行方式应采用快速更换模式。首先，采用这种模式可大大提高车辆的利用率，若发车规则安排得当可大大缩减配车数、备用电池组数等。另外，对电池来说，可减低电池充电对温度的依赖性、提高电池的使用寿命，也有利于电池的维护，可解决目前无法解决的电池长期使用的不均衡性。而且这种充电模式也有利于纯电动车辆商业化的推广。根据所选快速更换充电模式确定充电站主要运营流程[1]：待换电池车辆进入电池更换车间，由快速更换机器人用充电架上已充满的电池换下车辆上待充电的电池，换好电池的车辆开出电池更换车间，进入发车编组等待下一轮发车。充电架上换上的电池由充电机进行充电。只要电池组的配备数选择得当，充电站的电池组配备完全可以满足公交车辆正常运营的更换需要。3.车辆配备数量计算在某一时间段内需求的车辆数称为时段配车数。确定它的原则是，既要保证有足够的服务质量，又要保证配车数最小。时段配车数的计算如下[2]：(1)式中:Pi——i时段内的配车数（车次）；Hi——i时段内小时最高断面通过量（人）；C——车容量（人）；ρi——i时段内的期望满载率。取高峰小时的满载率ρ=1，则高峰小时的小时配车数为(2)式中:Pm、Hm——高峰小时配车数和小时最高断面通过量。高峰小时的发车间隔（分钟）计算如下：(3)于是公交线路的单向配车为(4)式中:W——公交线路的单向配车数（辆）；L——公交线路的长度（km）；V——公交车辆运营速度（km/h）；jg——高峰小时发车间隔（分钟）.由于实际情况的复杂性和已知条件情况不同也可由以上计算方法倒推所需量，例如已知线路长度，配车数，平均行驶速度和车容量推算客流量（小时最高断面通过量）和发车频率。后文将提到的应用实例就是利用这种方法对所求量进行倒推。4.充电站主要设备规模计算依据4.1更换通道和快换机器人数量的计算在公交车运营中存在固定的客流高峰期，高峰期时的配车数将达到最大，所以应避免在高峰期换电池，因此在发车规划中换电池时间都会安排在平峰期。更换通道和快换机器人数量设计要满足两个时间最接近的高峰期之间时间长度Tg(小时)的快速更换。计算方法如下：Wf=[WTf/60Tg](5)(Wf为整数时取整数，否则结果取整加1)nt=[Wf/n]或nt=[Wf/n]+1(6)(Wf/n为整数时取整，否则结果取整加1)Tf(分钟)——快换机器人更换一辆车的时间Wf————Tf时间内需换车数n——每通道同时换电池车辆数nt———通道数则每通道快换机器人数为n，所需快换机器人总数为2nt.4.2备用电池组和充电机的数量备用电池组的数量理论上讲应等于配车数，但根据实际的车辆编组和发车规则情况及电池的充电情况可减少备用电池组的数量，具体计算过程见后文应用实例。充电机数则能够满足备用电池组的充电要求即可。5.充电站供电负荷计算供电负荷=充电机总输出功率/效率/线路及无功损耗）*充电机同时利用系数。效率：满载充电效率。充电机同时利用系数[3]：电池充电过程中电池负载特性是变化的，充电前期功率上升，充电后期功率下降，由于快速更换的特点，充电不可能同时进行，所以充电机存在同时利用系数概念。同时利用系数和更换频率密切相关，更换频率越快同时利用系数越高。6.设计实例针对2010年上海世博会120辆纯电动客车的地面充电站进行运营规划，本次世博会纯电动客车主要采用了两种锂离子动力电池，一种是锰酸锂锂离子动力电池，一种是采用磷酸铁锂动力电池，利用车辆快速更换模式为车辆提供充电服务。6.1基本运营计划每天三个高峰期，分别为9:30到11:00，14:00到15:00，20:30到21:30，高峰期最大发车可能120辆（两车并发），平峰期最大发车可能60辆。运营时间从早8:30到24:00。行驶里程：14公里。平均行驶速度：20公里/每小时。6.2参数计算6.2.1根据已知线路长度，配车数，平均行驶速度和车容量推算发车频率将公式(4)变形得：jg=60L/VW=60*14/20*60=0.7分钟=42秒6.2.2更换通道和快换机器人数量的计算已知Tf为10分钟，Tg为早高峰结束时间11:00与午后高峰开始时间14:00之间3小时，一个通道有两辆车同时换电池。根据公式(5)Wf=[WTf/60Tg]=[120*10/60*3]=7根据公式(6)nt=[Wf/n]+1=[7/2]=4则快换机器人数为2nt=86.3制定发车规则已知每组电池可支持运行公里数为80km,总线路长度为一圈14公里则每组电池可支持车辆运行5圈，而已知高峰期持续时间最长为早高峰(9:30---11:00)一个半小时，因此换电池时间完全可以错开高峰期。更换电池时间可套用以下公式计算：Tc=[W/R]*10+T*(R/S-1)(7)Tc=([W/R]+1)*10+T*(R/s-1)-{([W/R]+1)*R-W-1}*T(8)"[]"为取整号，发车间隔为T（分钟），车辆数为W，机器人数为R，发车时S车为一组，W/R恰好为整数时使用公式(7)，若不为整数则使用公式(8)已知T=jg=0.7分钟；W=60；R=8；S=1则Tc=([60/8]+1)*10+0.7*(8/1-1)-{([60/8]+1)*8-60-1}*0.7=83分钟电池充电时间可以看做线性，即电池已使用时间就是电池再充满电所需时间。由以上条件做约束，即可制定发车规则：120辆车分为两个批次，每批次60辆车时段时间事件发(收)车数已运行时间平峰8:30第一批次发车60早高峰9:30两车并发12011:00第一批次收车60第一批次开始换电池2小时30分钟平峰12:23第一批次换电池结束12:30第二批次收车60第二批次开始换电池3小时第一批次发车6013:53第二批次换电池结束午后高峰14:00两车并发12015:00第一批次收车60第一批次开始换电池2小时30分钟平峰16:23第一批次换电池结束16:30第二批次收车60第二批次开始换电池2小时30分钟第一批次发车6017:53第二批次换电池结束19:00第一批次收车60第一批次开始换电池2小时30分钟第二批次发车6020:23第一批次换电池结束晚高峰20:30两车并发12021:30第二批次收车60第二批次开始换电池2小时30分钟平峰22:53第二批次换电池结束23:30第一批次收车60第一批次开始换电池3小时0:53第一批次换电池结束表1Table1根据表1的发车规则即可计算出备用电池组的数量以及充电站供电负荷。6.3.1备用电池组的数量车辆总数为120辆，根据发车规则，在早高峰结束一个半小时后需要更换一批电池(60组)，此时需要60组已经准备好的电池，而此时充电站内有60组电池正在充电，所以备用电池数量应当是60+60=120组，考虑到电池价格以及正在充电的电池有8组已经接近充满，应该可以使用，所以备用电池数量选定位112组。6.3.2充电机数量按锰酸锂电池和磷酸铁锂电池同样的数量，所以用于锰酸锂充电的充电机数量为7*28*2=392个。用于磷酸铁锂电池的充电机数量为28*2*2=112台。6.3.3充电站供电负荷计算供电负荷=充电机总输出功率/效率/线路及无功损耗）*充电机同时利用系数。效率：满载充电效率0.9线路及无功损耗：0.85根据充电站充电机的运行情况，最多的时候有108电池都在充电，但其中60组电池中充电时间最长的已经接近2小时40分，其中24组电池已经充电两小时以上，充电机输出功率已经开始下降，所以充电机最大功率同时运行的台数基本可按92台计算,同时利用系数在0.85左右。供电负荷=（112（组电池）*9kW（一台充电机）*7（平均一个电池架7个充电机）/0.9/0.85（线损））*0.85=7840kW7.仿真由已设计出的运营规划为基础，运用VC++语言进行编程仿真，对比仿真结果与设计方案，两者完全一致。此仿真软件可针对不同的运营设计改变输入量，当仿真过程出错或设计方案不合理时会给予报错提示。根据仿真结果可对设计进行优化，安全有效地减少成本。软件流程图见文章末尾附图1.8.结束语纯电动公交车充电站的整体运营模式在08年北京奥运会上已经成功的被证明其可行性，本文所提到的运营规划以北京奥运充电站的运营模式为基础，旨在将运营模式模型化，即基于此模型根据不同的运营要求得出相应的运营模式，这样将有利于电动车的发展和充电站的商业化运营。附图1Figure1[参考文献][1]张维戈.北京2008年奥运会电动车充电站规划及运营模式方案[J].变频器世界，2008年，4期：P26-P28；[2]冯