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重型卡車電氣化以及充電樁對電力分配系統(tǒng)的影響
2021-10-12 21:06:39· 來源：同濟智能汽車研究所
編者按：隨著新四化的普及，汽車電動化以其零排放、能源清潔等優(yōu)勢越來越受人重視，電動化在乘用車大量普及，然而針對商用車的普及，尤其是重型商用車仍然被續(xù)航
編者按：隨著新四化的普及，汽車電動化以其零排放、能源清潔等優(yōu)勢越來越受人重視，電動化在乘用車大量普及，然而針對商用車的普及，尤其是重型商用車仍然被續(xù)航里程、載重大所影響。與電動化相匹配的配電系統(tǒng)是否需要進一步升級以匹配接入電網(wǎng)的電動汽車仍然在廣泛討論。本篇文章就針對重型商用車實現(xiàn)電氣化以及商用車隊充電策略對電力系統(tǒng)的影響進行了研究。
本文譯自：
《Heavy-duty truck electrification and the impacts of depot charging on electricity distribution systems》
文章來源：
Nature Energy, 2021, 6(6): 673-682.
作者：
Brennan Borlaug, Matteo Muratori,Madeline Gilleran, David Woody, William Muston, Thomas Canada, Andrew Ingram, Hal Gresham & Charlie McQueen
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-021-00855-0
摘要：主要的技術(shù)進步和最近的政策支持正在改善美國重型卡車電氣化的前景。特別是，鑒于插電式電動車輛（EVs）的特點，短途運輸方案（≤200英里（≤322公里））是其普遍且首選的工作場景，因為短途已知的路線和往返基地的工作模式可以讓車輛在停車場進行充電。盡管先前的研究已經(jīng)調(diào)查過輕載EV充電產(chǎn)生的額外電力負載對電網(wǎng)的影響，但它們并沒有考慮重載EV充電時對電網(wǎng)的影響。本文，我們對電網(wǎng)為充電站使用所進行預期升級的原因、成本以及所需時間進行總結(jié)。同時，我們還基于實際運營方案為重載卡車構(gòu)建了一組合成充電站充電負載分布模型，并發(fā)現(xiàn)常見的輕載卡車充電功率（每輛≤100kW）就可以滿足重卡的充電需求。最后，我們將充電站負載分布模型應(yīng)用到36個現(xiàn)實的變電站中，可以看出絕大多數(shù)變電站不需要升級就可以滿足重載EV的高負載充電需求。
關(guān)鍵詞：重型卡車，電氣化，電力系統(tǒng)，充電策略
1 引言
插電式電動車可以減少石油依賴，以更強的動力和靜謐性改善駕駛體驗，消除排放污染，特別是當使用低碳電能進行充電時，能夠大幅減少溫室氣體排放。由于技術(shù)的飛快進步和相關(guān)政策法規(guī)的支持，特別是對小型兩輪和三輪式輕載轎車和巴士車型來說，電動車正變得越來越便宜，并在全球流行起來。在美國，中重載型車輛電氣化是交通運輸方面減碳的關(guān)鍵一步，因為在2019年中重載型車輛所消耗的能源占全國交通消耗總能源的比例已經(jīng)超過了20%。重載卡車（指的是7-8級半掛車，滿載質(zhì)量＞26,000磅（＞11.8噸））大約占美國交通消耗總能源和溫室氣體總排放的15%。由于商業(yè)重載卡車運營方案對運營成本高度敏感，這使得電動車輛因保養(yǎng)成本低（可以減少成本和停運時間）、動力系統(tǒng)高效率帶來的低燃油消耗和便宜的電價而成為一個有吸引力的選擇。畢竟對一個8級柴油車主來說，僅燃油費就占車輛總開銷的一半。
然而，對于中重載卡車市場電氣化卻引起了激烈討論。歷史上，由于電動車的巨額成本，受限的行駛里程和低電池能量密度，即使面對雄心勃勃的減排方案，電動車也沒有被認為是對燃油卡車的有效替代品。盡管目前的EV充電方案對于小型城市商用車是足夠的，但使用架空接觸網(wǎng)進行道路無線充電或者氫燃料電池技術(shù)經(jīng)常被認為是重載卡車所真正需要的。據(jù)一些研究估計，和同級的柴油車相比，電動車長途運輸所需要的電池過重以至于限制其運載能力，而這將增加不少運營成本。然而，據(jù)汽車行駛稱重數(shù)據(jù)顯示，在美國大約90%的路上行駛的重卡質(zhì)量＜73，000lb（＜33.1t），這表明大部分運輸方案是受體積、路線或者時間限制，而不是受重量限制的。另外，最近對電動卡車（接近80,000lb（36.3t））有一個全國性的2,000lb（接近0.9t）載運質(zhì)量豁免，對于美國的商用卡車而言，盡管有幾個州存在例外，但這樣的滿載質(zhì)量可以說是最高的了。
行駛里程問題經(jīng)常被認為是電動卡車推廣的最大障礙，但是日常的行程里程需求變化很大，而且在美國很多卡車并不是長距離行駛的。圖1根據(jù)美國能源信息管理局發(fā)布的年度能源展望，展示出2019年全美中載貨車（3-6級）和重載貨車（7-8級）保有量和年度能源消耗的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)根據(jù)最近一年執(zhí)行的《車輛庫存和使用調(diào)查》（VIUS）按行駛路程進行了分類。VIUS數(shù)據(jù)顯示只有接近10%的重卡需要500英里（805公里）的行駛里程或更多，然而接近70%的重卡都在100英里（接近161公里）的范圍內(nèi)工作。盡管重卡的總能源消耗傾向于長途貨運，但接近40%的能源消耗是那些行駛里程100英里（接近161公里）的重卡所貢獻的。另外，最近的工業(yè)趨勢（例如，電子商務(wù)的興起和較低的司機保有量）使得跨區(qū)域間和國家的運輸發(fā)生轉(zhuǎn)變，以更有利于分散的樞紐和輻條分布模式，而這成功結(jié)束了自2000年到2018年（未被圖1考慮）以來貨車平均運程37%的下降。圖1顯示出，盡管中載貨車保有量與重載貨車保有量之比超過了3:2，但是由于重載貨車有更長的全年行駛里程和更低的燃油效率，其全年能源消耗（和溫室氣體排放）要遠遠超過中載貨車。
在2020年6月，加州空氣資源委員會頒布了高級清潔卡車法規(guī)，一項零排放商用卡車的強制執(zhí)行令將從2024年開始執(zhí)行，并且要求到2045年全加州卡車銷售100%為零排放卡車，這一法規(guī)的頒布使得電動卡車得到了進一步的推廣。不久后，包括加州在內(nèi)的十五州和哥倫比亞特區(qū)簽訂了一項諒解備忘錄，承諾到2030年，30%的中重型卡車新車銷量將為零排放汽車，到2050年這一比例將達到100%。整車制造商正在應(yīng)對這一新興機遇，盡管北美目前只有4款零排放7-8級的重卡車型（全部為電池電車），但預計到2023年還將有16款（11款電池電車和5款氫燃料電池電車），包括新進入市場的車型（如特斯拉和尼古拉）和傳統(tǒng)制造商（包括福萊納、肯沃斯、沃爾沃和梅賽德斯-奔馳）。這種勢頭，加上電池成本的迅速下降，導致多項研究預測，電動汽車實現(xiàn)商業(yè)化運輸?shù)臋C會要大得多，包括長途運輸，由于其路線長、載荷重，實現(xiàn)其電氣化是一個特別具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。專家現(xiàn)在預測美國電動卡車的銷量將在未來幾年呈指數(shù)級的增長。例如，能源研究公司伍德麥肯茲報道，到2025年，全美電動卡車保有量將超過54,000臺（2019年保有量接近2,000臺）。
短途貨運，特點是路程＜200英里（＜322公里），由于其受限的路程需求、固定的行駛線路、固定不變的換班表和傾向于在一個（或幾個）倉庫外進行運營的特點，短途貨運將會是電氣化的早期選擇。如今，加上財政補貼，短途貨運電動卡車的價格可以和柴油卡車進行競爭，而且據(jù)預測到2030年，即使取消補貼，電動卡車的價格也只會降得更低。短途運營（≤200英里（≤322公里））占美國重型卡車運輸總能耗和溫室氣體排放量的50%，占卡車能源使用和溫室氣體排放總量的60%（圖1）。短途卡車通常在中心位置（如車庫、庫房或停車場）有長而可預測的非班次停留期（通常為夜間），在那里他們可以充電。因此，預計這些車輛不會像長途貨運車那樣依賴大功率充電基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模電網(wǎng)。理想狀態(tài)下，車隊可以在他們的車庫內(nèi)進行方便、便宜且易于控制的所有充電行動。然而，車庫充電會大大增加其所在地的電力需求，而且可能需要花費時間與金錢去升級配電系統(tǒng)。
圖1 美國卡車庫存和能耗按主要操作范圍分類。a, 3-6級（頂行）和 7-8級貨運卡車保有量按 VIUS 主要操作范圍分類。b, 3-6級（頂行）和 7-8級貨運卡車年度能耗按 VIUS 主要操作范圍分類。數(shù)據(jù)來自美國能源信息署的2019年年度能源展望和2002年VIUS。VIUS 將"主要運營范圍"定義為從主基地（即倉庫）出發(fā)運營的卡車的典型行駛里程，或從沒有基地（即倉庫）出發(fā)運營的卡車的平均行駛里程。短程運營范圍，雖然不是電氣化最佳應(yīng)用領(lǐng)域，因為它不考慮非典型的長途旅行或每天許多短途旅行的操作，但是其可以證明即使沒有廣泛的大功率充電網(wǎng)，卡車也可以進行電氣化。
考慮到當前的技術(shù)水平和日益增加的政策支持，利益相關(guān)方包括車隊經(jīng)理、供電單位、整車制造商和政策制定者，都在為重載車隊電氣化謀求機會。然而，這里還缺少對重載電動卡車充電時所產(chǎn)生的電力負荷的預期規(guī)模與持續(xù)時間的信息。還有，我們對所需的配電系統(tǒng)的升級，包括相關(guān)成本和所耗時間等還不夠了解。
在這里，我們結(jié)合最近公共成本數(shù)據(jù)和行業(yè)知識，總結(jié)出配電系統(tǒng)由于充電站充電進行預期升級的典型原因、成本和時間表。我們還根據(jù)實際操作數(shù)據(jù)的各種充電策略開發(fā)了合成車隊充電站充電負載的分布模型，并發(fā)現(xiàn)當前輕載電動汽車的充電水平（每輛車≤100kW）可以滿足功率要求。最后，我們將這些負載分布模型應(yīng)用于Oncor電力公司服務(wù)區(qū)（得克薩斯州）的配電變電站，結(jié)果表明，盡管當?shù)氐碾娋W(wǎng)存在局部變化，但大多數(shù)變電站可以為100輛電動卡車提供每輛100kW的充電功率而不需要升級。
2 為充電站充電進行配電系統(tǒng)升級
現(xiàn)已對充電站充電增加的電力負載對配電系統(tǒng)的影響進行了大量研究，其中也包括輕載乘用電動車充電（補充注1）。然而，重載電動卡車充電對配電系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響還沒有被很好的了解，即更高的電力需求和更集中的負載，同時，配電系統(tǒng)因重載電動卡車充電而進行升級所需的預期成本和準備時間也不確定。
圖2說明了典型的二次配電系統(tǒng)，包括配電變電站、配電饋送設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備。我們利用多個來源（包括公共成本數(shù)據(jù)、項目報告、現(xiàn)有研究和行業(yè)專家引證），來總結(jié)配電系統(tǒng)每個階段為充電站充電所需的升級類型（表1）。除了升級的典型原因和成本外，我們還估計出了經(jīng)常被忽略的項目準備時間。
圖2 帶充電站充電的典型二次配電系統(tǒng)。輸電線路（≥110千伏）的高壓電在配電變電站降低為中壓（4-35千伏），并通過饋線直接輸送到用戶（最初電壓負載使用者）或在配電變壓器將電壓降低到二級客戶級（480伏）。對于電動車輛設(shè)備供應(yīng)商（EVSE），需要額外的現(xiàn)場引入線和設(shè)備為每個充電站供電。
（a成本和時間范圍包括采購、工程、設(shè)計、調(diào)度、許可、施工和安裝；估計數(shù)是針對特定項目的，差別很大。b成本反映了2019年的情況，而且預計未來幾年將繼續(xù)下降；EVSE 安裝包括升級或安裝引入線和負載中心；隨著安裝單元數(shù)量的增加，單位安裝成本會降低。c電纜線的擴展或升級（包括新的饋電斷路器）通常需要新的負載＞5 MW，特別是對送電電壓＜20kV的纜線；>12MW的新負載可能需要一個專用的饋線。d在城市地區(qū)，電纜線的擴展或升級的成本往往高于農(nóng)村地區(qū)。e電纜線擴展的時間表包括建筑的管轄權(quán)許可、獲得地役權(quán)和路權(quán)以及采購準備時間。f添加新的饋電斷路器的時間表取決于變電站布局和獲得施工許可所需的時間。g升級現(xiàn)有變電站與建造新變電站的決定在很大程度上取決于現(xiàn)有變電站的布局以及是否有足夠的擴展空間。h輸電線路建設(shè)可能需要額外的時間進行監(jiān)管審批。DCFC，直流快速充電。）
總的來說，我們發(fā)現(xiàn)隨著充電負載的增加，進一步升級配電系統(tǒng)上游設(shè)備（配電饋送設(shè)備和/或變電站）的可能性也在增加。這些措施通常是更加昂貴和耗時的，而且需要相當多的規(guī)劃去適應(yīng)。公用供電單位和消費者之間的成本分配方法各不相同，但公用供電單位通常通過增加電力銷售收入來支付場外系統(tǒng)擴展的成本，預計隨著時間的推移，會有所成效。
3 車隊充電負載分布情況
為了模擬短途卡車運輸作業(yè)的現(xiàn)實值班周期，我們使用了來自國家再生能源實驗室車隊DNA數(shù)據(jù)庫的三個現(xiàn)實世界的7級和8級重卡運輸車隊的車輛運行周期（1Hz速度）數(shù)據(jù)。每支車隊都是返回基地式的運營模式，每天有適度的車輛行駛里程，并延長了用于車輛充電的非班次停留期（車隊1，飲料配送；車隊2，倉庫交付；車隊3，食物運送）。數(shù)據(jù)收集期為20至59天，具體取決于車隊，也因此任何季節(jié)性的運營變化可能無法體現(xiàn)。然而，以前的研究表明，重載卡車相比于其他類型的卡車，會表現(xiàn)出較少的季節(jié)性使用變化。為本研究所選擇的車隊總結(jié)在補充表1里。
圖3顯示出日常行駛里程和非班次停留期的分布情況。對于車隊1和車隊2，每天最大的車輛行駛里程也完全在即將上市的電動卡車的續(xù)航里程之內(nèi)，分別為130英里和194英里（接近209公里和接近312公里）。車隊3的最大車輛行駛里程則要大很多（546英里（約879公里））；然而，多數(shù)車輛的日常需求＜300英里（＜483km）（89%），并且接近全部的汽車需求＜500英里（＜805公里）（99%）。在所有的三支車隊中，平均每天有著14.1個小時的非班次停留期（車隊1=14.2，車隊2=15，車隊3=13.8），卡車有足夠的機會進行充電站充電。作為參考，假設(shè)卡車平均能耗為2kWh每英里（接近1.3kWh每公里），電動卡車在充電功率為100kW的情況下，增加300英里（接近483公里）的行駛里程，需要充電6個小時。非班次停留期＞12小時的天數(shù)占總周期的76%，＞6小時的天數(shù)占總周期的98%。
圖3 每日車隊駕駛里程和非班次停車時間分布。a，b，所研究的車隊的每日駕駛距離（a）和每日下班停留時間（b）。每日非班次停車時間表示充電的最大可用時間窗口。
具有固定的運營時間表和長期非班次停留期的車隊可以管理其充電，以降低能源費用并減輕電網(wǎng)影響。我們模擬了三種充電策略來證明這種潛力，結(jié)果展示在圖4。
圖4 對所述充電策略模型中電動汽車負載分布情況的描述。a-c，100kW即時充（電動汽車盡可能快充）（a），100kW延遲充（電動汽車充電盡可能晚）（b）和恒定最低功率充電（電動汽車充電盡可能慢）（c）顯示車輛運行時間表（上排）和電動汽車負載分布情況（下排）。SOC，充電狀態(tài)。
第一種策略稱為“100kW即時充”，即每輛車在一個班次結(jié)束后以100kW的功率進行充電并一直持續(xù)到電池完全充滿或下一班次的開始。第二種是“100kW延遲充”，即以能夠在下一班次開始前將電池充滿為前提，盡可能縮短100kW充電的時間，以延緩充電負載。最后一種是“恒定最低功率充”，它利用整個非班次停留期，以在下一次換班前將電池充滿所需的最低功率充電。此策略可最大限度地降低每輛車充電時的峰值負載（但并非車隊所必須的），并證實了以較低功率充電可以使負載平穩(wěn)分布的潛力。
我們還模擬了更高功率（每輛車250kW）的充電策略，來探究提高充電功率的影響（補充注2）。
通過引導采樣程序（方法，模擬車隊電車充電），將每日單獨的電車充電負載整合到車隊充電負載中。平均車隊負載分布模型代表了一支給定車隊，車隊規(guī)模（即電車數(shù)量）和充電策略。此外，峰值負載最高和最低的樣本分布分別被選為最壞情況下的“高峰日”和最佳情況下的“低谷日”方案。我們總共為每支車隊、車隊規(guī)模（10輛，50輛和100輛電車）和充電策略（100kW即時充，100kW延遲充和持續(xù)低功率充）制作了81個負載配置組合（27天正常日，27天高峰日和27天低谷日的方案）（本研究生成的負載分布模型可公開提供）（數(shù)據(jù)可用性）。平均車隊分布模型顯示在圖5中。此外，高峰日的分布模型顯示在補充圖3中。
圖5 多個方案的平均每日充電站充電負載分布。每個方案都表示車隊、車隊規(guī)模（分別為 10、50 和 100 輛電動汽車充電（左、中、右列）和充電策略（100 kW即時充、100 kW延遲充和恒定最低功率充電（頂部、中間和底部行）的組合。
車隊1和車隊2的負載分布模型的分布情況和重要性非常具有可比性。這些車隊的運營模式相似（如圖3），在每輛車100kW的充電策略下，他們固定的路線和一致的運營時間表導致了高峰值負載（每10輛電車472-645kW），因為大多數(shù)車輛都在同時充電。如果充電行為沒有被控制得當（100kW即時充），峰值負載就會和典型的電網(wǎng)夏季用電高峰期（17：00-21:00）重疊，而這將在供電系統(tǒng)壓力最大的時候增加負載。為了盡可能延遲充電（100kW延遲充），以便將峰值負載轉(zhuǎn)移到清晨（6:00-10:00），這將與電網(wǎng)上典型的冬季高峰期有重疊部分。然而，此策略展示了通過控制充電策略，可以轉(zhuǎn)移充電負載的程度，還有，車隊充電高峰需求大約三個小時持續(xù)時間，可以在這兩個充電負載分布模型的時間（即18:00-7:00）內(nèi)任意移動。恒定最低功率策略有效地平緩了車隊的負載分布，從而導致峰值需求減少了80%以上。這一策略是通過大幅降低功率水平（車隊1每輛車充電4.5-15.3kW，車隊2每輛車充電2.7-22.8kW）（補充圖4）。這些充電速率遠遠低于我們通常對重卡的假設(shè)，而且能夠供應(yīng)這些車輛的電車供應(yīng)設(shè)備已經(jīng)可用于輕型電動汽車
車隊3的負載分布模型因啟動時間較早和運營時間表變化更大（圖3）而有所不同。盡管車輛的能源需求較高，但是在使用無控制的充電策略下，交錯班次也只會產(chǎn)生較低的總峰值負載（每十輛車324kW），這是因為隨時可能在充電站的車會更少。運營時間表變化多的另一結(jié)果就是，峰值需求時間大約會是限制換班時刻的車隊峰值需求時間的2倍。恒定最低功率充電策略將會產(chǎn)生一個更加平緩但仍大幅減少的峰值負載（減少大約40%）。在這一充電策略下，充電功率水平差異很大，每輛車的功率在1.7-103kW之間，具體取決于當天具體情況，但這仍符合目前的輕型電動汽車設(shè)備的技術(shù)要求。
為了降低運營成本和提高可靠性，車隊管理人員以及配電系統(tǒng)管理員，都在關(guān)注充電站充電峰值負載的規(guī)模和持續(xù)時間。圖6顯示了所有車隊對倉庫峰值負載的標準化貢獻和所研究的充電策略（補充圖5顯示了不同充電策略下的絕對峰值負載的平均值和范圍）。此外，低谷日（即最低峰值負載）和高峰日（即最高峰值負載）的負載分布將以這些估計值為邊界。值得注意的是，由于多輛車的非同時充電行為，每輛車對充電站高峰負載的貢獻要低于單個車輛的充電功率水平。較低的充電速度（恒定最低功率充電策略）會導致峰值負載大幅下降（車隊1和車隊2每輛車＜10kW,車隊3每輛車20kW）,從而減輕了電力需求費用，并能夠使用更便宜的電動汽車設(shè)備。此外，當車輛按較慢的速度進行充電時，峰值負載的毎日変化就會減少，從而提高了配電系統(tǒng)人員和車隊管理者的預測能力。
圖 6 每輛車的規(guī)范化高峰日充電站充電負載分布。每輛車對各自車隊高峰日充電負載的貢獻變化（條形）和平均負載分布值疊加（點）的充電策略。
此處介紹的充電負載分布模型，是由一個假設(shè)平均能耗為1.8kWh*mile^-1（接近1.1kWh*km^-1）生成的。（方法，開發(fā)電動汽車充電時間表）。然而，由于實驗數(shù)據(jù)有限，且受到多種因素（例如，環(huán)境溫度和有效載荷）的影響，電池電動卡車在實際操作中的能耗尚不能確定。（補充注釋3）。我們通過對補充圖2中所示因素：從1.5kWh*mile^-1（接近0.9kWh*km^-1）（‘高效率’）到2.8kWh*mile^-1（接近1.7kWh*km^-1）（‘低效率’）的綜合影響的非確定性估計，建立起“樂觀”和“悲觀”的邊界情況，以探究所得結(jié)果對能耗率參數(shù)變化的敏感程度。在高效情況下，電動汽車充電功率需求比基礎(chǔ)線減少13%至19%，而在低效率情況下，需求則增加了50%至57%。
4 變電站負載集成案例研究
我們對Oncor電力公司服務(wù)區(qū)域（德克薩斯州）內(nèi)的36個變電站進行了負載集成研究，以確定重卡充電站充電負載對配電變電站進行升級的必要性（方法，變電站負載集成研究）。我們評估了來自車隊1和3的24個獨立負載分布模型，考慮了小和大兩種電動汽車的使用規(guī)模（分別為10輛和100輛）、三種充電策略（100kW即時充、100kw延遲充和恒定最低功率充以及平均和峰值日負載分布模型。圖7顯示了每個模擬場景中需要為峰值日負載分布進行升級的變電站所占的份額。
圖 7 高峰日車隊充電站充電所需的變電站升級的可能性。即增加重型電動卡車充電站充電負載需要對實際配電變電站進行具體升級，包括更換新的饋電斷路器、變壓器升級、新的變壓器和新的變電站。車隊1（左）和車隊3（右）的高峰日負載分布被添加到每個變電站變壓器各自的 2019 年單日峰值需求分布情況中，用于車隊規(guī)模（10輛和100輛電動汽車充電）和充電策略（100 kW即時充、100 kW延遲充和恒定最低功率充）組合。
結(jié)果表明，充電站充電負載的規(guī)模比持續(xù)時間更能說明變電站升級的可能性。對于二者都有100輛電動汽車且充電策略均為每輛車100kW，車隊1的峰值負載要比車隊3的峰值負載大得多（車隊1=5,900kW（即時充）和7,200kW（延遲充）；車隊3=4,500kW（即時充）和4,600kW（延遲充））；因此，配電變電站需要更多的升級。從表1可知，變電站升級成本在40萬美元（饋線斷路器）到3500萬美元（新變電站）之間，完成需要6個月至4年的時間，并可能導致更高的電力成本和延遲車隊電氣化的進程。不出所料，更大規(guī)模的電動汽車的應(yīng)用所增加的充電負載更為頻繁，而這需要昂貴且耗時的電網(wǎng)升級。由于在美國，擁有100輛卡車以上的短途運輸車隊非常罕見，所以我們把研究限制在100輛電動汽車的車隊。然而，車隊規(guī)模將預計持續(xù)地增大。鑒于當?shù)卦谂潆娤到y(tǒng)條件和運營方面存在差異，一些升級是難以避免的。對于兩個車隊而言，我們發(fā)現(xiàn)，以每輛車100kW（峰值負載接近700-900kW）進行充電，需要升級接近6%的變電站和安裝一個全新的變電站。雖然如此，所研究的變電站中，大多數(shù)（78%-86%）能夠為100輛電動卡車提供100kW充電而不需要升級，并且89%-92%的變電站能夠滿足100輛電動卡車以他們的最低充電速率進行充電的需求（恒定最低功率充電策略）。
5 討論和總結(jié)
在這項研究中，我們探討了短途（即運營范圍≤200英里（≤322km））運輸重卡電氣化的潛力，以及充電站充電對配電系統(tǒng)的影響。我們考慮了三個實際生活中的短途貨運車隊的運營方案，發(fā)現(xiàn)每支車隊都可以采用未來即將上市的電池電動卡車進行工作，同時能進行充電站充電，并符合目前輕型充電設(shè)備（每輛車＜100kW）的技術(shù)要求。我們生成了一套合成車隊充電站充電負載分布模型，并根據(jù)車隊有序的充電策略，預計每臺電動汽車平均每天需要137-235kWh，同時給配電系統(tǒng)增加10-74kW的峰值負載。鑒于重卡在實際運營中的平均能耗率存在不確定性，我們探究了當該參數(shù)在1.5到2.8kWh*mile^-1（0.9-1.7kWh*km^-1）之間變化時所得結(jié)果的敏感度，結(jié)果顯示在此范圍內(nèi)，每輛車每天的能源需求在114到365kWh之間變化，而這取決于車隊本身。最后，我們評估了一個變電站負載集成研究案列，發(fā)現(xiàn)當?shù)氐碾娋W(wǎng)條件存在一定變化，但所研究的大多數(shù)變電站（78-86%）都能夠為每輛電動卡車提供100kW的充電功率而無需額外升級，如果以盡可能低的速率進行充電（恒定最低功率充電），90%的變電站可以滿足100輛卡車的充電需求。這一發(fā)現(xiàn)與在輕載乘用電動汽車充電上的研究一致，并可以得出結(jié)論：大多數(shù)配電變電站能夠滿足中高電動汽車滲透率下的充電需求，尤其是在有序充電的情況下。
重載電動卡車能夠進行有序充電的機會取決于車隊的值班周期。一般來說，隨著日常車輛行駛里程需求的減少和車庫停留時間的增加，車隊經(jīng)理有更大的機會去暫時轉(zhuǎn)移充電需求和/或減少峰值需求，以最大限度降低充電成本。對于本研究中的車隊，我們觀察到有充足的機會進行有序充電，平均充電窗口為每天14.1h。通過以最低速率對每輛車進行充電（恒定最低功率充電策略），車隊的峰值充電負載將大幅降低（根據(jù)車隊的不同，相比每輛車100kW充電的峰值負載大約降低40-80%）。低功率充電對車隊和供電單位都有經(jīng)濟上的好處。對公用供電單位而言，它提供更低的峰值負載需求和一個平滑且可預測的負載分布情況，因此不太可能需要昂貴且耗時的系統(tǒng)升級。車隊經(jīng)理在選擇低功率充電時可以節(jié)省電動汽車供應(yīng)設(shè)備（EVSE）的成本（購買和安裝50kW的EVSE要比350kW的EVSE便宜62-81%；表1）。此外，如果存在的話，車隊還可以從降低的需求費用中節(jié)省出電力成本。對于車隊1到3，我們可以發(fā)現(xiàn)，每輛車的充電功率水平分別為16，23,和103kW，這足以讓電動卡車在下班時完全充電，而這都遠遠低于通常進行的假設(shè)。
在此研究中，我們表明鑒于多個車隊的特點和電網(wǎng)條件，重卡車隊電氣化的結(jié)果存在很大不同。首先，重卡的運營需求根據(jù)它們的工作差異而不同。本項研究側(cè)重于短途運輸業(yè)務(wù)；然而，我們發(fā)現(xiàn)，即使在這個領(lǐng)域，運營時間表和每日里程要求不同，也會導致不同的車隊充電需求和負載分布情況。其次，車隊管理者有機會應(yīng)用有序充電策略來改變或者平緩它們的車隊負載分布，例如利用有利于電動汽車的電價（比如，非峰時用電價格）節(jié)省電費。我們表明出，鑒于低里程要求和延長的非班次時間，短途貨運的充電站充電是靈活的，并演示了有序充電如何能夠大幅改變一支車隊的負載分布（圖5），甚至避免對上游電力系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響（圖7）。最后，重載電動卡車充電的額外需求，一定要能被容量因時間和地點可變的配電系統(tǒng)所滿足。在某些情況下，額外的需求會超過啟動升級后的特定系統(tǒng)組件的可用上限。表1所提供的總結(jié)有助于預測電氣化對上游配電系統(tǒng)的影響，并為系統(tǒng)升級提供數(shù)量級的成本和時間表的估計；但是，對于個別案例，需要詳細的負載集成研究。最后，升級系統(tǒng)的成本（包括成本份額）和時間表各不相同，并可能受到許可、監(jiān)管批準和獲得路權(quán)地役權(quán)方面延遲的影響。這份清單顯示了重型電動卡車與電網(wǎng)集成的潛在復雜性，并強調(diào)了車隊管理者盡早與公共供電公司接觸以制定可行的送電時間表的重要性。
本研究填補了重型電動卡車充電及其對配電系統(tǒng)影響的若干研究空白；然而，目前還有大量工作需要去做。我們專注于短途重卡，是因為它們是電氣化的早期選擇，但未來的研究應(yīng)考慮其他不同充電行為和能源要求的細分市場（例如，最后一英里的送貨車和跨區(qū)域/長途貨車）。此外，我們還應(yīng)該從經(jīng)濟的角度評估電氣化的機遇，將電動卡車車隊的運營總成本（包括電力成本和設(shè)施收費成本）與柴油卡車或跨多個運營方向的其他替代方案以及各種充電策略進行比較。盡管我們考慮到了目前的實際運營模式，但車輛電氣化進程也可能誘發(fā)車輛的運營方式發(fā)生變化，以方便其充電。零售電價制定還應(yīng)評估其為重型電動卡車充電提供低成本電力的能力（例如，使其與多余的廉價可再生能源價格相匹配），并能夠限制重卡充電對配電系統(tǒng)的影響，同時支持大容量配電系統(tǒng)的規(guī)劃和運營。最后，我們應(yīng)該全面研究如何權(quán)衡大功率（每輛車＞350kW）充電存在的成本較高但具有更高靈活性的問題。
6 方法
配電系統(tǒng)升級摘要。表1提出的價值范圍是試圖概括與重載卡車充電站充電有關(guān)的配電系統(tǒng)升級的典型原因、成本和時間表。我們總計使用了10個獨立的數(shù)據(jù)和文獻來源。必須澄清的是，表1中的成本和時間表可能不是額外增加的，因為軟成本通常分布在項目的幾個階段，并且可以同時進行多個升級。此外，需要注意的是，可使用的電動汽車續(xù)航容量和充電負載可變性非常高，具體取決于一天中的工作時間、天氣、位置和車隊充電時間表。表1中并沒有完全體現(xiàn)出這種變化性，同時我們需要對任一單個項目特定的數(shù)值進行詳細的負載集成研究。我們只考慮了升級配電系統(tǒng)；然而，重載電動卡車高密度充電可能需要升級大容量電力系統(tǒng)（即發(fā)電和傳輸基礎(chǔ)設(shè)施），而在此處沒有對此進行研究。
探究電動汽車的充電時間表。車隊每日運營時間表源自1Hz車輛行駛周期數(shù)據(jù)（假定車輛連續(xù)閑置≥3h為“下班”，并能夠在這段時間內(nèi)進行充電站充電）。車輛連續(xù)空閑時間＜3h則被視“值班”（例如裝卸期間）；在這些時間里，車輛不能進行充電。運營時間表將每天分為值班期和下班期，其中每個班次都有相關(guān)的車輛行駛里程，而且車輛只有在下班時才可進行充電站充電。
我們使用了一套簡化的車輛運營時間表，為三個車隊中的每一個開發(fā)了合成電動汽車充電負載分布模型。因為卡車通常在中午進行儀器/去儀器化，所以每個數(shù)據(jù)收集期的第一天和最后幾天都要被移出，以避免建模工作日的不完整。我們刪除了24天（車隊1：2天；車隊2：22天），日常車輛行駛里程小于10英里（16公里）和車隊3的4天，日常行駛里程超過500英里（805公里）。在這項分析中，總共使用了412個工作日——車隊1的76天，車隊2的100天和車隊3的236天。每日車輛行駛里程在研究的車隊中成正偏態(tài)分布（圖3a），平均每輛車平均每輛車日行駛里程107英里（172公里）（車隊1=74英里（119公里），車隊2=82英里（132公里）和車隊3=123英里（198公里））。假設(shè)每年有260個工作日，那么推測的年度車輛行駛里程就在19,000（車隊1）到32,000英里（車隊3）（30500到51500公里），這相當于《車輛庫存和使用調(diào)查》所報道的重型卡車年行駛里程數(shù)的44%到55%。車隊3的日常運營方案比車隊1和2更多，對每日車輛行駛里程（車隊3=109英里（175公里），而車隊1=23英里（37公里）；車隊2=42英里（68公里））和每日下班時長（車隊3=4.4h，車隊1=2.6h，車隊2=2.3h）的要求變化也更大。
車隊充電行為是在以下六個假設(shè)進行建模的：（1）從傳統(tǒng)卡車收集的運營時間表沒有因電氣化而進行調(diào)整；（2）短途電池電動卡車的平均能耗為1.8kWh*mile^-1（1.1kWh*km^-1），是電池電動卡車空載和滿載的平均能耗值（即，假設(shè)平均負載系數(shù)為50%）；（3）每日總能耗（kWh）被估計為日常車輛行駛總里程和平均能耗率（1.8kWh*mile^-1）的乘積，即能耗=車輛行駛里程*1.8）；（4）每輛卡車的充電樁都有專用的EVSE插頭（即卡車不會因有限的插頭供應(yīng)而排隊等候充電）；（5）卡車以恒定的功率充電，且與電池容量（即低C速率）相比，充電功率水平相對較低；（6）卡車無法在換班前后充電15分鐘，因為這還包括插上和拔下車輛充電插頭的時間。
仿真模擬車隊充電。通過引導程序采樣數(shù)據(jù)，我們選擇每日單獨的電動汽車負載分布模型聚合到車隊充電負載分布模型中。引導程序是一種統(tǒng)計重新采樣方法，其中反復隨機選擇對象并替換以生成一套接近采樣分布的對象。具體來說，對于車輛數(shù)目為n的車隊來說，我們從可用的車輛負載分布模型V的示例中隨機選擇（替換）車輛負載分布模型集（
）。每個每日單獨的電動汽車負載分布模型（
）均由1Hz時間序列向量表示：
其中，每個pt對應(yīng)于充電功率（kW）的時間t——從一天開始算起的總秒數(shù)。引導程序允許生成多個合成車隊充電負載分布模型，來作為n每日單獨電動汽車充電負載分布模型的組合。對于每個引導程序樣本，我們計算了單個合成車隊充電負載分布模型fi：
我們重新采樣和重復方程（2）49 次，以生成一組 50 個樣本車隊分布模型。這組文件估計了采樣分布，我們用其計算一天中每一秒的平均車隊充電負載。具體而言，平均車隊充電負載分布模型
是從下式計算得出：
平均車隊充電負載分布表示出特定車隊、車隊規(guī)模（電動汽車數(shù)量）和充電策略所需的預期電力需求。然而，極端負載分布（最大能源需求或最壞情況）通常用于系統(tǒng)可靠性規(guī)劃和評估。因此，我們還分辨出并提供了具有最大峰值負載需求（高峰日）的樣本車隊負載分布。最后，我們選擇了具有最小峰值負載需求（最佳情況）的樣本車隊負載分布，以完全約束分析值?？紤]了三支車隊、三種車隊規(guī)模和三種充電策略的組合，總共有 81 個單獨的負載分布情況。
重新采樣方法，如引導程序、經(jīng)濟地利用有限的樣本數(shù)據(jù)，以改善對總體參數(shù)的估計并提供抽樣分布的近似值。我們的樣本受原始數(shù)據(jù)車輛工作日總數(shù)的限制；因此，引導程序能進行車隊規(guī)模和車輛工作天數(shù)（從有限的經(jīng)驗信息）的模擬，否則是不可能的。這里做出的一個關(guān)鍵假設(shè)是車輛工作日是相互獨立的。雖然情況可能并非總是如此，但抽樣分布提供了一系列分析結(jié)果，其中我們還選擇了峰值負載（安排高度一致的充電時間表）進行比較。
補充圖6-8顯示了所研究的三個車隊的隨機采樣中每日車隊充電負載分布（50個樣本日）的變化。
變電站負載集成研究。Oncor是德克薩斯州最大的能源輸送公司，它為該州東部、西部和中北部的超過98 個城市提供服務(wù)，其中包括達拉斯-沃思堡大都市區(qū)。我們對 Oncor服務(wù)區(qū)域內(nèi)選定的變電站進行了負載集成分析，以確定增加重型電動卡車充電負載，需要對實際配電變電站進行升級的可能性。首先，Oncor將其服務(wù)區(qū)內(nèi)的大片毗連區(qū)域內(nèi)的大于300 個地點確定為可能的車輛充電站或其他預計有重載電動卡車車隊的地點。對于每個潛在站點，考慮了方圓 5 英里內(nèi)的三個最近的變電站（與三個最近變電站的平均距離為 1.3、2.3 和 2.9 英里（分別為 2.1、3.7 和 4.7 公里）。共有36個變電站（從在Oncor的服務(wù)范圍內(nèi)超過850座中）被選中進行這項研究。其中近90%擁有多臺變壓器，接近85%擁有15千伏變壓器;其余有25千伏變壓器。所選變電站的多數(shù)（近85%）為大都市、郊區(qū)提供住宅、商業(yè)和工業(yè)負載，其余15%為具有住宅和商業(yè)負載的大都市區(qū)邊緣（郊區(qū)）提供服務(wù)。
車隊充電負載分布的平均間隔超過 15 分鐘，并添加到每個變電站變壓器各自的 2019 年單日 15 分鐘峰值需求分布中。變電站組件級容量限制用于確定需要哪些升級（如果有的話）來適應(yīng)增加的負載。僅在變電站級別評估升級，包括：（1）僅添加新的饋線斷路器，（2）升級一臺或多臺具有較高等級單元的變壓器，（3）在現(xiàn)有變電站中添加一臺或多臺新變壓器，（4）在單獨位置建造新變電站。
我們評估了來自車隊 1（飲料運輸）和車隊 3（食品遞送）的 24 個車隊需求負載分布，并考慮了低和高水平的 EV 采用率（分別為10輛和100輛電動汽車的車隊）、三種充電策略（100 kW即時充、100 kW延遲充和恒定最低功率充電）以及平均和高峰日（即峰值負載最高的采樣日）負載分布。本研究結(jié)果的完整摘要可在線獲得（數(shù)據(jù)可用性）。請注意，我們將車隊2（倉庫交付）排除在本研究之外，以限制所需的模擬次數(shù)，因為它的充電負載分布與車隊1的負載分布非常相似。
研究結(jié)果代表了Oncor服務(wù)區(qū)內(nèi)預計重載電動卡車車隊運營和充電的地點。通過有選擇地分析已經(jīng)為商業(yè)和工業(yè)負載提供服務(wù)的變電站，結(jié)果可以在一定程度上推廣到符合此描述的其他區(qū)域。但是，配電系統(tǒng)的特點及其對電動汽車承載能力各不相同，需要公用供電單位協(xié)作來訪問全面分析所需的詳細基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)。本研究中生成的固定時間（15分鐘）負載分布可公開提供（數(shù)據(jù)可用性），并且可用于在其他領(lǐng)域執(zhí)行詳細的負載集成研究。
數(shù)據(jù)可用性
本研究中生成的車隊充電站充電負載分布和電動汽車負載集成結(jié)果可通過 NREL 數(shù)據(jù)目錄https://data.nrel.gov/submissions/162查找。本研究中使用的車輛行駛周期包含對業(yè)務(wù)敏感的地理信息，因此不公開；但是，匿名數(shù)據(jù)摘要和可視化可以通過車隊DNA網(wǎng)站獲得。
代碼可用性
衍生出的車隊充電可用性時間表，每日車輛行駛里程和能源需求，以及為制作、研究和可視化車隊負載分布而開發(fā)的代碼，都是開源的。
參考文獻
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