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  山东大学学报(工学版)  2017, Vol. 47 Issue (6): 121-127  DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.532
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引用本文 

李建祥, 车长明, 韩元凯, 陈芳, 张程琳. 高速公路电动汽车应急充电救援方案综述[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(6): 121-127. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.532.
LI Jianxiang, CHE Changming, HAN Yuankai, CHEN Fang, ZHANG Chenglin. An overview of emergency charging rescue scheme forelectric vehicle on highway[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2017, 47(6): 121-127. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.532.

作者简介

李建祥(1979—), 男, 山东诸城人, 高级工程师, 主要研究方向为电力系统自动化与电动汽车充换电技术. E-mail: cfunix@263.net

文章历史

收稿日期:2017-09-21
网络出版时间:2017-11-28 14:45:31
高速公路电动汽车应急充电救援方案综述
李建祥1,2, 车长明1,2, 韩元凯1,2, 陈芳3, 张程琳4,5     
1. 国网山东省电力公司电力科学研究院, 山东 济南 250003;
2. 山东鲁能智能技术有限公司, 山东 济南 250101;
3. 济南大学自动化与电气工程学院, 山东 济南 250022;
4. 电网智能化调度与控制教育部重点实验室(山东大学), 山东 济南 250061;
5. 全球能源互联网(山东)协同创新中心, 山东 济南 250061
摘要:从应急充电装置、应急救援系统功能、应急救援站选址及应急资源配置方面对电动汽车应急充电救援方案进行探究, 比较各类电动汽车应急救援装置的优缺点, 确定应急救援系统内部结构与各自分工, 通过分析几种常见的高速公路事故应急救援点选址模型, 总结电动汽车应急充电救援点选址模型的相关约束, 进一步阐述了几种应急资源的配置方法。为高速公路电动汽车应急救援站的建设及运营的深入研究提供有益参考。
关键词高速公路    电动汽车    应急充电    应急救援方案    
An overview of emergency charging rescue scheme forelectric vehicle on highway
LI Jianxiang1,2, CHE Changming1,2, HAN Yuankai1,2, CHEN Fang3, ZHANG Chenglin4,5     
1. Electric Power Research Institute, State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250003, Shandong, China;
2. Shandong Luneng Intelligent Technology Co., Ltd, Jinan 250101, Shandong, China;
3. School of Automation and Electrical Engineering, Jinan University, Jinan 250022, Shandong, China;
4. Key Laboratory of Power System Intelligent Dispatch and Control of Ministry of Education(Shandong University), Jinan 250061, Shandong, China;
5. Collaborative Innovation Center for Global Energy Interconnection (Shandong), Jinan 250061, Shandong, China
Abstract: The electric vehicle emergency charging rescue scheme was explored by analyzing the charging device, system function, rescue station location and resource allocation. By comparing the advantages and disadvantages of various types of emergency rescue devices for electric vehicles, the internal structure of the emergency charging system and the function of each component were determined. Several common models for emergency rescue station site selection were analyzed to summarize the related constraints of site selection models. And several emergency resource allocation methods were further elaborated. This work could provide a useful reference for the in-depth research on the construction and operation of emergency rescue stations for electric vehicles on highways.
Key words: highway    electric vehicle    emergency charging    emergency rescue scheme    
0 引言

国际原油价格的不断攀升与环境危机的逐渐加重, 导致世界各大汽车企业纷纷加大对电动汽车的研究与开发, 各国政府在政策、法规、基础设施建设等方面不断推进电动汽车的发展[1-3]。然而, 由于技术水平的限制, 电动汽车的推广和应用仍然面临续航里程短、电池稳定性差等难题[4]。根据国家电网公司最新发布的《国家电网高速公路快充网络服务指南(2017版)》指出, 截至2016年底, 为服务电动汽车用户远距离出行, 国家电网公司建成了以“六纵六横二环”高速公路为骨干网架的高速公路快充网络, 所有快充站均已接入车联网平台和“e充电”APP统一运营。每个充电站配置4台直流充电桩, 每台充电桩最大输出功率120 kW, 充电站可同时为4辆电动汽车进行直流充电。

目前, 我国已建成世界上最大的充电服务网络, 充电设施建设运营走在世界前列[5], 初步形成高速公路电动汽车快充站网络, 满足了电动汽车长途出行的需要。但高速公路环境相对特殊, 车速较快, 快充站之间距离较长, 一旦快充站故障, 车辆将滞留服务区, 或因电量耗尽停在半路, 很容易造成交通拥堵, 继而引发严重事故。为应对此类突发状况, 对故障的充电站或电量耗尽无法充电的电动汽车应进行应急充电救援, 增强高速公路电动汽车充电可靠性, 及时恢复电动汽车正常运行, 排除安全隐患。

电动汽车应急救援在国内外已有先例可循。早在2011年, 日产聆风率先在日本部署了首批移动式电动汽车救援系统, 美国汽车协会(AAA)紧随其后, 推出配备不同电池充电技术的应急充电救援装置针对多种紧急状况进行救援。国内电动汽车的应急救援主要由各汽车厂商的救援队伍完成, 提供的应急充电方式是拖车至最近的充电站进行补电, 尚无法做到就地充电, 且该服务只提供给各自厂家的车辆。由此可见, 汽车厂商所提供的救援服务对象单一, 国内外尚未形成一套系统完整、应用广泛的电动汽车应急充电救援方案, 无法满足当前快速发展的充电设施网络及电动汽车的救援需求。

因此, 高速公路快充网络的稳定运行亟需一套行之有效且能够大范围应用的应急充电救援方案作为后备充电途径。目前我国电动汽车的充电标准趋于统一, 具备了建立电动汽车应急充电救援系统的条件, 与时俱进地开展高速公路应急充电救援方案的研究对于电动汽车的应用和推广具有重大意义。

本研究基于目前高速公路快充网络的实际建设情况, 从应急充电装置、应急救援系统功能、应急救援站选址、应急资源配置四个方面对高速公路电动汽车应急救援方案进行了研究, 比较了不同救援装置的优缺点及适用条件, 确定了应急充电救援系统的基本结构, 对高速公路应急救援服务点的选址模型进行比较, 分析不同应急资源的配置方法。研究内容为进一步开展高速公路应急充电救援方案研究提供思路和参考, 对电动汽车充电服务网络建设具有深远的促进意义。

1 应急充电设施配备

目前已有的应急充电救援形式普遍为卡车集装箱装载应急充电设备, 移动到救援需求点后, 对电动汽车进行紧急充电[6], 若电动汽车发生充电故障, 应急充电救援设备能够对其进行紧急救援, 恢复充电功能。对无法现场维修的电动汽车, 将其拖至距离最近的维修站[7]

应急充电救援设备的充电方式主要有两种:

(1) 柴油发电机组:救援设备内部装有油箱、柴油发电机、电源变压器、发电机等装置[7], 利用柴油能量密度高的特点, 能为更多车辆提供应急救援, 一次性可满足2~20辆车充电, 在无法建设充电桩或在电网维修改造及充电设备故障的情况下, 可以作为分布式电源, 为电动汽车提供充电服务。并且, 高速公路上的充电站一般建在服务区内, 与之相隔较近的加油站能够为柴油发电机组应急充电装置提供充足的动力来源。这一应急充电方式适用于应急充电需求量较大的情况。柴油发电机组应急充电装置的构成如图 1所示[8]

图 1 柴油发电机组应急充电装置充电示意图 Figure 1 Charging diagram of emergency charging device ofdiesel generator set

为满足电动汽车的多种充电类型, 救援设备内部可装有逆变、整流等模块, 提供交流慢充、直流快充服务。

(2) 蓄电池组:在集装箱内部安装蓄电池架, 执行救援任务时, 将蓄电池组中的电能转移到电动汽车内部的电池组中, 通过内部的逆变装置及直流升压模块, 为电动汽车提供交直流充电服务[6]。没有救援任务时, 可利用电网负荷低谷时段为蓄电池组进行补电。此种充电方式结构简单、机动性强, 充电装置方便装载于交通工具上, 行驶单位里程所需费用较少[9], 但其容量有限, 只能同时为2~6辆车充电。因此, 蓄电池组应急充电救援车更适用于电动汽车道路救援, 可以更经济地往返于救援需求点和应急救援站之间, 为电量耗尽停在半路的电动汽车充电15 min左右, 确保其继续行驶20~30 km, 到达最近的充电站进行补电。若发生电动汽车电池损坏无法运行的情况, 也可替换电动汽车中损坏的蓄电池组[10]

除此之外, 研究学者们还提出了其他几种应急充电方式, 如无线充电技术[11]、光伏风电应急充电[12-13]、车对车紧急充电[14]等, 但由于目前无线充电基础设施不健全、光伏风电充电功率无法保证、车对车紧急技术水平限制等, 这几种应急充电方法尚不能大范围应用, 但是为后续电动汽车应急充电方案的研究提供了新的思路和研究方向。

综合当前我国高速公路特殊救援环境及救援需求, 宜采用蓄电池组应急救援装置、柴油发电机组应急救援装置相配合完成救援服务。蓄电池组及柴油发电机组救援方式优缺点及使用条件汇总如表 1所示。

表 1 蓄电池组及柴油发电机组救援方式对比 Table 1 Rescue mode comparison of battery anddiesel generators
2 应急充电救援系统的体系结构

高速公路应急充电救援系统一般由信息采集与发布中心、应急救援方案决策中心、救援调度指挥中心、救援设备管理中心组成。下面分别从这四个部分来梳理电动汽车应急充电救援系统的发展情况。

2.1 信息采集和发布系统

高速公路中救援信息的获取渠道主要包括以下几种:道路监控、巡查车、报警电话、服务区上报信息等[15]。根据救援信息的采集方式分为主动采集和被动采集。主动采集即通过道路监控装置、充电站定时的状态上报, 被动采集即用户或快充站工作人员通过移动电话、互联网络申请应急充电救援。利用GIS、GPS、RS等技术, 实现对高速公路交通的异常变化的监控、显示事故点位置、实现三维导航和测速。采集的信息包括道路车流量、路阻系数、天气、非正常停车车辆、救援申请信息等, 并将采集到的信息及时传送给应急救援方案决策中心。当采集到救援需求信息后, 将采集到的相关数据传送给应急救援方案制定中心, 发生紧急事件后, 监测充电站或路段的滞留车辆数量, 将数据传给应急救援方案决策中心, 以便划分事故等级, 制定救援方案。

信息的发布主要用于将各个快充站的运行状态通过手机APP或道路警告板实时告知车主, 减少快充站排队时间[16]。将当前的救援执行进度也实时告知, 安抚用户焦躁情绪。

2.2 应急救援方案决策系统

方案决策中心主要分为事故应急预案和实时事故救援方案。对采集到的事件进行紧急性评估, 划分事件的紧急程度, 并考虑站内救援设备的运行状况制定相应的应急救援方案[17], 表 2给出了高速公路电动汽车充电过程中可能发生的紧急事件,并根据各自产生的影响范围对事件进行等级划分。优先响应充电故障范围大、电动汽车充电需求高的救援请求, 及时提供充电服务, 缓解高速公路交通问题。并根据应急救援设备管理中心传来的救援设备基本信息制定救援方案。

表 2 紧急事件分级表 Table 2 Emergency grading table

建立完善的应急充电救援预案系统, 发生紧急事件时, 选择合适的预案进行响应, 发挥应急预案的参考作用, 减少应急救援的响应时间, 并根据实际情况及时进行调整。应急预案的制定包括报警与紧急处置、救援响应、现场控制、清理现场[18]。通过监测充电站的运行状态以及电动汽车在高速路段的行驶行为, 从而分析出救援事件发生的概率, 制定合理的应急救援预案, 从而提高应急充电救援的效率。

2.3 应急救援的指挥调度系统

高速公路电动汽车应急救援站的应急救援指挥系统如图 2,在获取到救援信号之后,检测站内救援人员及救援车辆状态,筛选出适合执行救援任务的人员及车辆。根据应急救援方案, 对整个应急充电救援行动进行指挥调度, 发布救援信息, 指派救援人员以及救援车辆, 通过智能化调度平台, 实时监控救援任务的执行情况, 监视应急充电救援车的实时位置, 根据行驶路段的拥堵情况指挥充电救援车更改救援路径, 计算最佳救援路径[19], 降低救援成本, 指挥救援设备前往救援点, 实时监测救援行动的动态。执行救援任务时, 对现场操作人员进行必要的远程指导。

图 2 应急充电救援站指挥系统图 Figure 2 Command system map of emergency charge rescue station
2.4 应急救援设备维护系统

监测应急救援车辆的运行状况包括应急充电车辆的剩余提供电量、设备的可靠性、车辆救援状态等。对应急充电救援站中的应急充电设备进行日常维护; 确定蓄电池组应急充电救援车的充电计划; 对站内所有应急充电设备的运行状态进行检查、评估; 对应急充电救援人员进行定期培训, 确保救援任务的可靠。

3 应急充电救援站选址

应急救援站选址问题, 是建立应急救援首要解决的问题, 即针对高速公路路网下的救援要求, 科学合理地放置救援点, 并确定其救援范围。道路交通中应急救援站的选址决策包括选址原则、选址目标、约束条件、决策变量、影响因素、系统输入等方面[20]

本研究讨论的应急充电救援服务主要针对高速公路快充站故障或无法正常行驶的电动汽车进行应急充电, 在确定应急充电救援站选址原则时, 首先, 应保证快充站和电动汽车得到应急充电救援的可靠性。其次, 为减少用户的等待成本, 降低因充电问题导致的事故率, 应尽量减少救援时间, 保证救援行动高效完成。最后, 在保证可靠性和高效性的前提下, 应考虑救援站等基础设施设备建设的经济性, 尽量做到资源有效利用, 避免浪费。

针对以上原则, 可将快充站设为网络节点, 建立有向赋权图, 若单纯考虑救援时间的紧迫性, 以救援距离最短为目标, 选址问题即可抽象成一个求解绝对中心点问题[21], 求解模型为

$ \min \mathop {\max }\limits_{1 \leqslant i \leqslant n} d\left( {x, {v_i}} \right), $

其中: x为救援服务点位置; vi为网络图中任一顶点; d(x, vi)为救援服务点到网络图中任意节点的最短距离。其中最短距离通过Floyd算法求得, 救援点位置通过最短距离矩阵中顶点i到其他顶点的最大距离, 选择最大距离最小的顶点i为救援服务点位置。

但此种方法未考虑各个救援需求点, 即快充站的权重差异。实际情况中, 由于各个快充站日常车流量存在差异, 发生故障后, 所造成后果的严重程度不同, 因此, 有必要考虑各个快充站的负荷, 从而确定选址问题中快充站的权重。文献[20]中介绍了一种典型救援点选址的多目标决策模型, 在求解最大化一次覆盖的需求量、最大化备份覆盖的需求量、最小化救援点到需求点的总加权时间时, 考虑了各个事故节点的权重, 兼顾了选址方案的公平性、效率性、事故并发性, 模型如下:

目标函数为

$ \min [{f_1}, -f{}_2, -{f_3}, {f_4}], $
$ \text{其中, }\,\,\,\,\left\{ \begin{array}{l} \min {f_1} = L\\ \max {f_2} = \sum\limits_{i \in I} {{a_i}{y_i}} \\ \max {f_3} = \sum\limits_{i \in I} {{a_i}{u_i}} \\ \min {f_4} = \sum\limits_{i \in I} {\sum\limits_{j \in J} {{a_i}{t_{ij}}} } {z_{ij}} \end{array} \right., $

式中:L为最大救援时间; ai即为需求点i处的权重; 若需求点i在救援时间期限t内被覆盖, 设yi=1, 否则yi=0;若it内被备份覆盖, 设ui=1, 否则ui=0;若救援点j服务需求点i, 设zij=1, 否则zij=0。此模型在考虑了救援需求点权重的情况下, 最小化最大救援时间, 最大化一次覆盖需求量, 最大化备份覆盖需求量, 最小化系统总加权救援时间, 能够同时保证救援效率, 提高设施的使用效率, 降低事故并发性带来的危害, 并能够根据救援需求点权重, 获取救援的快速反应目标。

约束中限定了每个需求点具有相应的救援服务点为其服务, $\sum\limits_{j \in J} {{z_{ij}} \geqslant 1}$, 且救援点到需求点的救援时间与最大救援时间的关系满足$\sum\limits_{j \in J} {{t_{ij}}{z_{ij}} \leqslant L}$, 最终通过模拟退火法求解选址方案。

以上模型皆是针对高速公路交通事故救援服务点展开的选址研究, 电动汽车应急救援站的选址与之相比, 需考虑救援站的故障概率及权重、救援容量需求、应急充电救援站位置的配电网功率约束等。

为了确定快充站权重及救援需求, 优化选址方案, 应掌握路网中电动汽车数量及快充站充电负荷。文献[22]中研究分析了高速公路的车流情况和充电需求特点, 同时考虑电动汽车的电量分布和行驶里程的影响, 以到充电站充电的电动汽车数量的最大化为目标构建充电站规划模型。文献[23]利用收费站的统计数据, 获取电动汽车的行程信息、车辆状态等, 通过Floyd算法确定EV的路线, 从而得出电动汽车在路网中的充电需求模型。文献[24]则提出一种估算电动汽车最小充电设施规划需求的模型, 并确定充电站的最优布点。文献[25]基于某高速公路实际数据, 考虑车辆类型、充电开始时间、各时段进站车流量和初始荷电状态等因素, 建立高速公路充电站日充电负荷随机模糊模型。

高速公路应急充电救援站选址是否合理直接影响应急充电救援的效率, 为了更好地评估救援站选址方案的合理性, 文献[26]以实际路况指标为基础构建选址方案评价模型, 将主要影响应急物资选址的路况属性量化, 通过对应急车辆驾驶员的调查获得路况指标权重, 引入模糊评价用以区分路况指标值接近的最优选址方案。

良好的选址方案应具备动态交通因素影响小、行驶里程短、救援效率高的特点, 对救援站位置进行优化是保证救援行动顺利进行的重要环节。电动汽车应急充电救援站位置的选址既要考虑高速路网的救援要求, 即按照最短路径进行救援, 分配救援任务, 又要兼顾电动汽车充电特点, 充分考虑充电站的救援需求, 以及电网对应急救援站的容量支持。

4 应急充电救援资源配置

确定应急充电救援点位置后, 需要根据路网中交通事故发生的区域概率、事故数和事故等级配置各类救援资源[20], 对已经定址的应急充电救援站进行定容计算。以减少事故响应时间、提高应急救援效率并且避免资源浪费为目标, 决策出电动汽车应急充电救援装置在各个高速公路应急充电救援站的数目。文献[27]给出高速公路交通应急资源配置流程图见图 3

图 3 高速公路应急资源配置流程图 Figure 3 Expressway emergency resource allocation flow chart

根据图 3给出的流程, 可列出交通救援资源配置模型为

$ \min \sum\limits_{i \in S} {\sum\limits_{j \in F} {{\omega _j}{\lambda _{ij}}{x_{ij}}} }, $

式中:事故节点权重ω采用相对事故概率, 最高的事故节点的相对故障率设为1, 其他节点事故率为与最高事故率的比值, 并选择救援车辆的出行时间作为从配置点i到事故节点j的权值λij; xij即为配置点i到事故点j的派遣资源数。约束中各个配置点对事故点j配置的资源总数满足$\Pr (\sum\limits_{i \in S} {{x_{ij}} \geqslant {r_j}}, j \in F) \geqslant Q$, Q为救援服务水平, rj为事故点j所需资源数, 即派遣至事故点j的资源数之和以概率Q满足事故点的随机资源需求。

该模型只考虑了对单一事故的救援资源配置方案, 为了应对高速公路网中的多起应急救援事故接踵发生, 文献[28]中运用机会成本方法建立资源派遣决策模型, 获得用于潜在事故救援的救援点与救援车辆数。通过情景分解算法, 将多资源派遣问题分解为各个单资源派遣问题, 然后根据救援需求和资源矩阵, 求出资源派遣方案。针对救援车辆性能的差异性, 文献[29]提出用遗传算法获得救援资源的优化派遣方法, 采用不同种类车辆的派遣决策时间, 表现救援车辆派遣方式的差异性。为了进一步提高应急救援效率, 文献[19]通过动态路口属性指标获取救援位置的实时路况, 采用层次分析法, 找出行驶里程短、动态路况影响小的最佳救援路径。

与普通高速公路交通事故应急救援不同, 在资源配置问题中, 电动汽车应急充电救援需考虑救援车辆能否满足需求点所需容量约束, 应急救援车所提供的充电容量需大于需求点需求。文献[30]介绍了一种应对自然灾害下区域停电时, 应急电源车的两阶段配置模型, 对救援车辆进行预定位和再分配, 在求解应急电源车的救援位置时, 模型中加入应急充电装置的容量参数, 对应急充电车的救援容量进行了约束, 并在灾害发生后根据实际情况对预定位的救援资源进行救援分配, 最小化电力中断时间。

高速公路应急充电救援的资源配置应综合高速公路资源配置的特点和应急充电救援设备的救援约束。在救援时间满足最低限的情况下, 综合事件的紧急等级, 选择救援成本较小的资源配置方案。

5 结论

高速公路电动汽车应急充电系统作为未来高速公路电动汽车主要后备能源, 为电动汽车的发展提供了可靠保障。本研究从应急充电设备的选择、应急救援指挥系统的基本结构、救援站选址、救援资源的配置四个方面对高速公路电动汽车应急充电救援方案进行了探讨, 构建了以信息采集与发布、应急救援方案决策、应急指挥与调度、救援设备维修为主要单元的电动汽车应急救援系统, 对应急救援流程进行了初步整理, 通过比较现有的几种典型交通事故救援站选址模型, 以及救援资源配置模型, 可以得出, 高速公路电动汽车应急充电救援方案必须结合高速公路电动汽车行驶规律以及电动汽车充电特征, 需进一步挖掘充电站故障规律与高速公路路网结构的关系, 细化应急充电需求, 兼顾电动汽车应急充电救援方案的可靠性和经济性要求, 提高救援效率。未来应急充电救援系统将覆盖高速公路网, 为电动汽车车主提供优质的应急充电服务, 救援方案将逐步优化, 进而促进电动汽车的广泛使用。

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