电动车与充电桩匹配的策略研究

钟成伟 国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司

近些年来我国的电动汽车普及率不断提高，但是配套设施与电动汽车的发展不匹配，这些问题将导致我国电动汽车难以彻底普及。在充电桩的建设和管理运行过程中，政府部门、充电桩承建部门、电力企业等各方单位都会碰到各式各样的问题，特别是安全问题。本文从技术机构的角度出发分析电动汽车充电桩以及充电现场存在的安全问题，以帮助相关部门了解电动汽车充电现场和充电桩的安全隐患。同时本文还提出电动车充电现场安全隐患的处理措施，以提高城市和电动汽车的安全性。

一、我国电动汽车充电现状

根据行业统计，用户在选择充电桩时将充电价格、充电速度和停车费用作为主要的考虑因素，体现出用户对效率和费用的敏感程度。我国目前的充电桩建设还相对不足，大规模使用的充电桩占地面积大，导致本就稀缺的土地资源利用效率低下。充电桩（特别是直流充电桩）在充电前需要人力拖拽粗壮的线束进行操作，操作自动化程度低，耗费用户体力。然而，充电桩模式因其可推广性和政策支持性等因素，仍是目前充电体系建设中最重要的模式。由于充电桩模式有一些问题等待优化与补充，许多新的充电模式应运而生，其中最引人关注的有移动补电车模式、换电模式等、自动充电机器人模式等。多样化的充电模式既能解决用户痛点，又能让潜在用户被各种高科技成分吸引，有利于电动汽车的推广。

二、新能源电动汽车充电模式

（一）交流充电技术

新能源汽车的动力电池自身只能接受直流充电，当外部接入电动汽车的是交流电时，需要先通过车载充电机进行交流转直流过程，再给动力电池进行充电。交流充电设施占用体积小，操作简便，安装容易，但其充电速度较慢，电动车需要6-8 个小时左右的时间才能充满电量。电动车连接充电设施后，交流电经充电设施及充电连接装置传输至车载充电机，经车载充电机整流、滤波等处理后转换为直流电为动力电池充电，电动车在充电完成后发出中断信号，结束充电过程。

（二）无线充电技术

汽车无线充电技术主要通过电磁感应、磁场共振、无线电波等原理实现电力的非接触式传输。电磁感应式无线充电目前在电动汽车应用最为广泛，基于电磁感应原理，在无线充电装置端和电动汽车端各装有一个线圈，在初级线圈上通入一定频率的交流电，则会产生一个变化的磁场，附近的次级线圈在变化的磁场作用下会产生一定的感应电动势，令无线充电装置端的电能转移到电动汽车，其转化效率较高，但只能单点进行充电，而且电能传递的距离较短。磁场共振式无线充电设备由能量发送/接受装置构成，当充电设备和电动车有相同的共振频率时，即可完成充电动作；其电能传递距离较远，可以实现一对多方式充电，并且无须精准对位，但其传输中能量损耗较大。

（三）换电模式

换电模式是指采用更换电池的方式为电动汽车提供能源，具有降低用户购车成本、提高用户便捷性、减少电动车补电时间、延长电池全寿命周期、提高电力系统整体运行效益、提高土地使用效率等优点。换电站可在用电低谷时期给仓内电池充电，并使用符合电池充电特性的柔和电流。该充电方法可以延长电池寿命，同时降低电费支出。换电模式带来了一种全新的电动车购买方式，消费者可以在购车时不购买动力电池，而是通过租赁的方式使用各续航挡位电池，以降低一次购车成本。这种电动车购买方式的出现与应用将大大刺激电动汽车市场、促进销量的稳定提升。尽管由于换电模式涉及产业链协调、电池制造技术、标准化体系、能源供给网络建设、城市规划等一系列问题仍难以爆发，然而从长远来看，换电模式作为电动汽车的一种重要能源供给模式，凭借其优良的属性，一定会成为电动汽车产业的重要参与者。

三、充电现场运行过程中的安全隐患

充电现场的运行维护是一个长期的过程，在这个长期过程中，充电现场会遇到各方面的危险因素。其中最容易遇到的就是来自于车辆的危险因素。相比传统的燃油类汽车，电动汽车具有加速度快、油门响应灵敏的特点，因此在车辆起步阶段可能会由于驾驶员一时疏忽，撞击其他车辆或者充电桩。特别是公共汽车的充电现场，由于公共汽车驾驶员驾驶时间长，可能会出现精神恍惚，再加上公交车盲区较大，很容易在充电现场造成事故。充电现场的安全性与管理单位的工作认真程度有密切的关系，如果充电现场管理不善，地面积水持续无人清除、充电枪无人归位、充电桩周围无防撞设施、充电现场消防设施不完备等情况持续存在，充电桩无人维护，那么充电现场的安全风险就更高了。同时，充电现场的电动车辆也是危险因素，由于充电动汽车的维护水平参差不齐，如某电动汽车的温控系统和电池过充保护系统出现故障，在充电过程中就有可能出现电池温度过高甚至汽车自燃的情况。同时，电动汽车使用的电池型号参差不齐，大部分电池在受到撞击后会自燃，因此充电现场的车祸还可能会造成连锁火灾。

四、电动车用户与充电桩的匹配

电动车最大的优点就是每公里的用电成本比用油成本低得多，所以与传统燃油车的油耗成本作对比，建立一个指标参数b1,i：

根据式（2），标准化后得

经过以上函数计算以后，中间运营商就会对电动车用户上报信息及待选充电桩编号进行匹配，有以下3 种匹配结果：（1）电动车用户上报编号和运营商编号仅有一项重合，表示预约有效，此时用户会收到短通知。（2）电动车用户上报编号和运营商编号不止一项重合，表示预约有效，但运营商会再重新分配后发信息到用户手机上，等用户确认。（3）电动车用户上报编号和运营商编号无重合，表示该用户预约无效，但是可以进入下一轮预约（见表1）。

五、智能合约驱动的充电桩共享

传统的线上交易对用户数据的保存具有较大安全隐患，采用基于能源区块链的共享充电桩管理系统，能够保证用户共享充电桩间交易数据的安全可信性。基于哈希算法的不可逆性，区块链网络可以通过用户的交易行为产生密钥R。由哈希函数变化可以通过R 计算出哈希值H（R），但任何第三者无法通过H（R）反推出R。为了保证共享充电用户交易信息的安全性和可靠性，构建了基于哈希算法的共享充电智能合约。共享充电智能合约可以分为4 个步骤：（1）在基于能源区块链的共享充电桩管理系统中，充电桩主A 根据共享充电桩所能提供的电量，生成相关的密钥R，并将H（R）发送给用户D，将R 保存在区块链网络中。（2）通过运营商D 的中转，在用户D 和运营商A之间建立了间接的支付网络途径。（3）用户D 使用共享充电桩A 的行为有多方的参与，各方根据相应的条件与期限产生密钥。通过在系统中采用密钥代替数据传递交易信息，保证数据的安全性。（4）用户D 利用接收到的H（R）后来验证R，如验证通过，进行充电操作。共享充电用户每次充电完毕后，区块链网络系统都会保存交易记录并计算剩余的充电次数。一旦用户使用完规定的充电次数后，区块链网络就会自动计算费用并将账单提交给用户。用户需要按照账单完成转账支付后，才可以继续使用该系统。电动车主D 使用运营商D所经营的充电桩，资金链节点费用依次为49.15 元、48.56 元、41.20 元，节点费用之间的金额差为各节点收取的服务费。同时，该系统中的各参与方（除电动车主）的资金到账具有时间期限，各节点期限分别为48 h、24 h、3h。通过设置时间差期限，促使各参与方对交易信息的有效性进行验证，保证系统智能化执行。基于哈希算法的共享充电智能合约如图1 所示。

图1 基于哈希算法的共享充电智能合约

六、结束语

综上所述，本文以分时电价为前提条件，以中间运营商和电动车用户的利益最大化为目标建立函数，采用补贴费用更新策略后，并通过计算实例仿真得出了以下结论：“分配+择优”的充电策略匹配成功率达到85%，比“自由匹配”高20%，运营商的收入也增加万元左右，中心城区和郊区的充电桩使用频率趋于平衡。与此同时，常规检修以充电站一年的故障信息为依据，对充电桩一年中存在的高发故障和低电量交易故障进行检修，根据发生频率，降低或者取消对其他设备模块的检修，减少常规检修时间，提高常规检修的效率和作用。由于常规检修可能导致的偶发故障得不到及时解决，在常规检修的基础上，增加精准检修。精准检修以每个充电桩当月故障信息为依据，对充电站当月存在的高发故障进行及时检修，避免一些故障连续数月都处于很高的发生率。优化常规检修，增加精准检修，可以帮助运维人员减少不必要的检修工作，降低检修时间，提高检修效率和检修的作用，为降低充电桩故障的发生率提供了理论依据，进而可以降低充电站的运维成本，改善用户充电体验，培养长期的稳定的用户，提高充电站的经济效益。