基于集群化管理方式的家用充电设备控制方案设计.pdf

第18 卷第2 期2023年6 月贵阳学院学报（自然科学版）（季刊）JOURNAL OF GUIYANG UNIVERSITY Natural Sciences(Quarterly)Vol.18No.2Jun.2023基于集群化管理方式的家用充电设备控制方案设计黄昊曼（贵阳学院机械工程学院,贵州贵阳550 0 0 5）摘要：随着纯电动车的发展，为解决纯电动车辆数目的增加与小区充电设备缺乏带来的矛盾，本文基于集群化管理的思维方式提出了一种家用充电设备的控制方案，方案基于小区配电变压器负载额，在最大安全限额容量下，对待充电车辆进行充电需求分组，然后通过集群管理设备对分组车辆进行多次切换充电，以实现最大程度的充电需求。关键词：集群化；充电设备；纯电动汽车；电池剩余容量中图分类号：G642.0Design of a home charging based on a clustered management(College of Mechanical Engineering,Guiyang University,Guiyang 550005,Guizhou,China)Abstract:With the development of pure electric vehicles,in order to solve the contradiction brought by the increase ofthe number of pure electric vehicles and the lack of charging equipment in the district,the article proposes a controlscheme of home charging equipment based on the thinking of cluster management.In the scheme,the article starts fromthe load amount of the distribution transformer in the district,and under the maximum safety limit capacity,the chargingdemand of the vehicles to be charged is grouped,and then through the proposed cluster management equipment,the Theproposed cluster management equipment then switches the charging of the grouped vehicles several times to achieve themaximum charging demand.Key words:Clustering;Charging Connector;EV;SOC近年来，我国将发展新能源汽车作为国家战略,在国家政策的大力推动下，我国的新能源汽车产业迅速发展。据统计，2 0 2 1年新能源汽车保有量达7 8 4万辆，较2 0 2 0 年增加了2 91.98 万辆，同比增长59.34%，其中纯电车的发展较为巨大，截至2 0 2 1年底我国纯电动汽车保有量为6 40万辆。随着纯电动车保有量的增加，显现的主要矛盾是在小区端口变压器容量与家用充电桩的需求数量之间的矛盾，为此文献石立国、陈红坤等专门对当前电网下充电桩的配置问题进行了讨论，重点考虑了电动车负荷不确定因素下与供电网络配置之间的关系，在考虑电动车用电时序性、供电出力和常规负荷的情况下，建立了供电模型以解决矛盾；文献标识码：A文章编号：16 7 3-6 12 5（2 0 2 3）0 2-0 0 55-0 4HUANG Hao-min文献阎宏、郑松松则从住宿小区情况出发，考虑老、旧、新等各种小区建设情况，提出了私人、公共、共享三种类型充电桩的不同数目配比，以此解决电动车数目增多下对充电桩数目需求的矛盾6-7;文献李瑞则是从车辆类型、人员习惯出发，通过排队模型的建立以解决充电桩数目欠缺带来的矛盾8。从相关的研究中可以看到，当前主要从电网配置、小区建设、用户状况三方面进行讨论，并在各自方面都提出了不错的解决方案。但是随着纯电动车辆数目的发展，可以预见，各自独立的解决措施如果无法协调统一起来，最终还是会面临纯电动汽车充电困难的问题。因此在自动化控制技术及计算机技术发展的基础上，这三方面如果借用集群化的管理思维实现统一协调的管理，这不仅解决了纯收稿日期:2 0 2 2-11-2 9作者简介：黄昊曼，男，贵州贵阳人，副教授、硕士。主要研究方向：车辆工程。一55一贵阳学院学报（自然科学版）电动车用户对充电桩数量的需求问题，在电网配置方面还可以解决电网利用率波动问题，甚至还因充电桩的集群化管理设备的出现加速当前各小区的智能化建设。1集群化管理充电设备设计基础集群管理主要存在于互联网的系统控制,若干计算机通过网关集中协调管理，把各计算机统一起来，作为一个整体向用户提供网络资源。基于这种思维方式，把每一辆纯电动车的家用充电设备均视为一个子系统，通过充电集群管理设备的统一管理,让每一个充电设备均可正常工作,再加以对集群管理设备的控制算法优化，从而在确保满足每一辆纯电动汽车的充电需求情况下，实现电网波动减缓状况。通过图1，所有纯电动车均与停车位上的充电设备相连接，各充电设备均与集群管理设备进行网络连接，此时集群管理设备可以根据电动车充电需求数量，在考虑小区配电变压器负载限制条件下，实现对各电动车的充电控制，配以适当控制方式从而提高充电车辆数目，确保每辆纯电动车都可正常使用充电桩。小区接电端口充电集群管理设备充电充电棚）（季刊）S=kSASOC=J。Pd t一般而言，家用充电桩均选用交流设备，功率为7 Kw和11Kw，家用充电设备主要采用壁挂式，占地面积较小，可以根据停车位数目情况采取1：1匹配，对小区停车位采取全部安装，因此小区充电桩总容量SA如式（2）所描述，所有充电桩的容量为每个充电桩容量的代数和。以小区配电变压器负载限额安全工作容量为上限,式（3）中S表示对同时进行充电工作的充电桩系数k进行调整，则可在对小区停车位进行全部安装充电桩状况下，满足小区配电器电压负载限额，而且在相同系数k下，对不同充电桩进行工作切换，则可实现小区配电变压负载限额安全工作容量S的波动控制。2.2工作系数确定根据纯电动车充电时SOC的影响情况，式（4）在充电功率不可改变情况下，时间是对纯电动车SOC的主要影响因素。因此同时工作系数k的调整将以有效的工作时间为考虑基础，一般而言，普通小区住户对车辆充电时间主要集中在当日19:0 0至第二日早晨6:0 0 区间，有效工作时长约11个小时。通过图2 可以知道，由于每辆车的工作状态不一致,导致每辆车进行充电时所需容量不一样,因此为提高小区内充电车辆数目，可以考虑根据每辆车的所剩电池容量分为急需充电需求（I）、中等充电18卷(3)(4)充电需求（）、一般充电需求（）三级分级处理。充电集群管理设备图1集群式管理充电桩方案(I)充电时间调配2实现思路2.13充电桩数目的确定以往的充电桩安装数目情况是根据购车情况来进行匹配的,影响充电桩数目的主要因素是时间及购入纯电动车意愿，可借用式（1）进行描述，式中A为充电桩数目，r为购车影响因素,X为纯电动车数目。可以看出当充电桩的数目随着纯电动车的数目增加而增加,此时带来的矛盾在于车辆数目的增加和小区配电变压器负载限额下充电桩数目无法继续增加的冲突。A=r XSA=St+S2+.+S.一56 一图2 控制结构原理10%20%-+级级世级70%20%充电充电需求10%(1)(2)30%充电80%需求需求10%图3充电状态比例调整2期根据式(5)可知，每辆车充电时间不一致，根据充电急需情况进行分组处理，则不同组的充电时长（tsoc）的代数和T11小时；充电车辆的总数目(G)为各急需充电级别车辆代数和,考虑小区配电变压器负载限额安全工作容量（S）为上限，结合式(3)(4)(5)同时工作系数k=S/(GS)。,T=t socI+tsocll+tsollG=g1+g1+gmlT112.33充电次数切换的确定为了最大程度满足小区车辆的充电需求，考虑在相同的工作系数k下对充电车辆进行充电状态的切换，如此可以满足更多的充电车辆的需求。正如前文所述，根据进入充电时电池所剩容量进行等级划分，根据住户的充电行为习惯对充电状态调整进行比例划分，如图3所示，I级充电需求的车辆在充电一段时间后，10%的电动车电池容量达到某个值，此时集群化控制设备把其调整为级充电需黄昊基于集群化管理方式的家用充电设备控制方案设计求，2 0%车辆调整为级充电需求，7 0%的车辆仍维持I级充电需求；原来级充电需求的车辆，有50%的车辆维持充电需求，30%的车辆调整为级充电需求，2 0%的车辆调整为I级充电需求；本来级充电需求的车辆,10%的车辆调整为充电需求，10%进I级充电需求，8 0%车辆仍未级需求。因为充电调整是适时进行的，因此如何(5)获得较好的调整次数就可以视为对方程组（6)的求解行为。I+1=0.71,+0.2 II,+0.1 II,II+1=0.21,+0.5 II,+0.3 1I,In+1=0.1 I,+0.1 II,+0.8 II,在求解过程中,始终以同时工作系数k为约束条件，确保每次的切换同时充电的车辆数目始终保持在小区配电变压器负载限额安全工作容量S以下，如此一来既可以稳定小区配电器工作状态，也可以确保充电数目的最大化。结果如图4所示。(6)+4003002001000060504030201000+300250I级充电-经充电级充电同时充电车辆数待充电车总数仍需充电车数510 x充电切换次数(1).I级充电-经充电+级充电同时充电车辆数+待充电车总数仍需充电车数510 x充电切换次数(3)I级充电经充电200+级充电+同时充电车辆数150+待充电车总数一仍需充电车数10050015201520图4车辆数目与切换次数关系2525303008070302010005510 x充电切换次数（2).级充电-I经充电+级充电+同时充电车辆数+待充电车总数仍需充电车数1015x充电切换次数（4)1520202525一57 一3030贵阳学院学报（自然科学版）（季刊）图4中（1）、（2），设置为当待充电车辆数目大于小区允许同时工作充电车辆数，图4（1）、（2）说明，当待充电车辆数大于小区允许同时工作充电车辆数时，通过对集群设备的控制管理，可以经过多次充电状态的切换完成待充电车辆的需求，切换次数的多少与待充电车辆总数有关；同时由于待充电的车辆数目较多,集群控制系统为能确保所有车辆均可进行充电，使I级充电需求车辆数始终大于其他两个级别的车辆数,即图中点划线始终在虚线和带点实线的上方；再次，图像显示，不论待充电车辆数变化多少,最终I、级充电需求车辆数目的变化曲线的趋势最终都是平稳的,这也表达了集群控制设备对小区配电变压器也可起到稳定负载状况。图4（3）、（4），设置为待充电车辆数小于小区允许同时工作充电车辆数时,集群设备以当前待充电车辆数为目标，对车辆进行充电处理，且可以实现在最短时间内完成车辆的充电需求。再一个，图（3）、（4)和上面的（1）、（2)相似处在于,后期的变化都趋于稳定,再一次说明此方式可以稳定小区配电变压器也可起到稳定负载状况，3结论就目前车辆进行充电时候的情况来看，为实现集群化的充电设想，存在几个问题待解决。(1)文章中I、三充电级别中车辆的相互流动系数，需要通过收集住户的充电行为习惯来进一步完善，当数据越完善，对车辆充电的管理才会更符合需求，但目前纯电动车的数量还处于增长初期,且购买人的居住范围分布较广，在短时间内无法获取精准的数据。(2）目前车辆充电时，电池状况信息均是通过插头传递给了充电桩。因此充电桩要有效地把信息传递给集群充电控制模块才可实现，但是由于充电集群管理设备理论上只需安装一台，则该设备安装位置与分布相对较宽阔的充电桩之间如何连接且可靠传递信号是待解决问题。18卷（3）部分车辆在插人充电插头后，如果较长时间没有通电则会提示此次握手无效，需要拔下插头后重新再次插入进行握手，这容易造成在集群化的充电管理时分组靠后的车辆无法充电。集群化的充电管理方式尽管还存在一些问题待解决，但可有效地提高待充电车辆的数目，给大众带来更多的便利,在解决购买纯电车人群想安装充电桩与小区不允许安装充电桩的矛盾同时,对小区的配电变压器的负载也有稳定负载，减小波动的好处,同时也为智能化小区的建设提供一个新的思考。参考文献：12022年上半年中国纯电动汽车保有量及市场渗透率分析EB/0L.（2 0 2 2-0 7 -0 7)2 0 2 3-0 1-15.h t-tps:/ 0 2 2,39（5）：33 40,53.3孔顺飞,胡志坚,谢仕炜，等.考虑分布式储能与电动汽车充电网络的配电网多目标规划J.电力科学与技术学报,2 0 2 1,36(1):10 6 -116.4钱仲豪，江志辉,吴茜，等.计及不确定性因素的分布式电源与电动汽车充电站协调优化J.电力工程技术，2021,40(1):131-137.5陈红坤,夏方舟,袁栋，等.直流配电网中含光伏的电动汽车快速充电站优化配置方案J.电力系统自动化，2020,44(16):53-60.6阎宏，袁幼哲，柳全成.地下车库电动汽车充电桩配电设计及变压器容量优化的研究J.智能建筑电气技术,2 0 2 1,15(5):58-6 1.7郑松松，俞卓言，黄威，等.住宅小区电动汽车充电桩建设模型研究J.电力与能源,2 0 2 2,43（2）：16 3-16 7.8李瑞,李美芳.基于蒙特卡洛算法的社区电动汽车充电桩设置J.长春工业大学学报，2 0 2 1，42（6)：573-576.【责任编辑王建蕊一58 一