充電機之建模

充電機模型需切合實際，方具意義。研究團隊曾於 2010 年 10 月 至 12 月期間，赴台灣某知名電動車設備製造公司進行車載充電機之 實體量測，另於 2011 年 1 月至 2 月期間，在花博展覽館進行單台車 載充電機與多台群聚充電機之充電特性之實測與分析。本章所建構之 充電機模型即為依前述實測值為調校與測試所得，以符實際。

4.2.1 參數介紹

目前一般商用套裝軟體尚無內建完整、實用之充電機模型。本研 究團隊經檢討採用 Matlab 做為建模及後續模擬與分析之平台。充電

機之電路架構如圖 4.1 所示。圖 4.1 中前級為交流-直流功率轉換器 (AC-DC power converter)，用以將交流市電變換成高壓直流電輸出﹔

後級側為直流-直流功率轉換器(DC-DC power converter)，係透過電力 電子控制技術對蓄電池為充電之控制與調節。一般充電機塑模需考慮 之參數有：(1)蓄電池容量：本研究係參照國內廠家之電動車蓄電池 容量資料為設定；(2)蓄電池額定電壓：一般蓄電池模組電壓約介於 225 ~ 378 V 間，而較細部之電壓相關資料，尚需隨控制技術與電池 本身之特性進行調適；(3)充電模式：本研究採較常見之定電流-定電 壓法(constant-current and constant-voltage method, CC-CV method)。另 典型浮充電壓設定為蓄電池額定電壓的 1.15 倍，充電電流設定為 0.3

4.2.2 充電機充電動態模擬

所為充電機充電動態模擬已將充電機控制功能、特性與範圍納入 考量，包含脈波寬度調變(pulse width modulation, PWM)、功因校正 (power factor correction, PFC)與定電壓-定電流(constant-current and constant-voltage, CC-CV)控制功能與特性。所模擬之充電機包括單相 及三相兩者。單相充電機充電過程之電流與電壓模擬結果，如圖 4.2 所示。由圖 4.2 可知充電機充電時間約為 150 分鐘(2.5 小時)，單相 輸入電壓有效值為 220 V，輸入電流有效值約 45 A。依據上述模擬所 得之充電時間與功率，可知此類型充電機(器)較適用於大賣場與商辦 大樓，並不符合充電站充電快速、充電時間短之要求。模擬所得三相 充電機充電過程之電流與電壓，如圖 4.3 所示。圖 4.3 顯示充電時間 約 28 分鐘，輸入相電壓有效值為 220 V，輸入電流有效值約 75 A，

按其充電時間與功率，此類型充電機尚適合使用於充電站與高速公路 休息充電站等場所。

單相充電機充電功率之模擬結果，如圖 4.4 所示。圖 4.4 顯示其 充電模式係先以定電流充電，在此階段充電功率約介於 9.5 kW 至 11 kW 間，續而採定電壓模式充電，充電功率迅速下降至 4 kW。三相充 電機充電功率之模擬結果，如圖 4.5 所示。圖 4.5 顯示其充電模式亦 係先以定電流充電，功率約介於 42 kW 至 50 kW 間，隨後的定電壓 充電模式，充電功率迅速下降至 30 kW。

單相充電機充電電流總諧波失真率之模擬結果，如圖 4.6 所示。

圖 4.6 顯示其電流總諧波失真率介於 1.4 %至 3 %間。三相充電機電 流總諧波失真率之模擬結果，如圖 4.7 所示。圖 4.7 顯示其電流總諧 波失真率平均約為 1.5 %。比較圖 4.6 與圖 4.7 可得知，當充電功率 增加時，充電電流總諧波失真率會隨之降低﹔反之，充電功率下降時，

其充電電流總諧波失真率則會增加。

單相充電機功率因數之模擬結果，如圖 4.8 所示。圖 4.8 顯示在 定電流充電模式下，功率因數約為 0.96。而三相充電機功率因數之模

擬結果，如圖 4.9 所示。圖 4.9 顯示在定電流充電模式下，功率因數

(2) 充電功率

圖 4.4 單相充電機充電過程中輸入實功率/虛功率變化

圖 4.5 三相充電機充電過程中輸入實功率/虛功率變化

20 40 60 80 100 120 140

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

時時(min.)

kW / kvar

實實實相相相相相,P 虛實實相相相相相,Q

5 10 15 20 25 30

0 10 20 30 40 50 60

時時(min.)

kW / kvar

實實實相相相相相,P 虛實實相相相相相,Q

(3) 輸入總電流諧波失真率

(4) 功率因數

圖 4.8 單相充電機充電過程中功率因數變化

圖 4.9 三相充電機充電過程中功率因數變化

20 40 60 80 100 120 140

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

時時(min.)

實實功功,PF

5 10 15 20 25 30

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

時時(min.)

實實功功,PF

4.3 各類充電場所用電情境分析及充電機裝置數量評 估

為期電動車輛政策之順利推展，優質商業運行環境與模式的建構 至為重要，不同充電場所(諸如充電站、大賣場、商辦大樓及停車場 等)的運作情境與耗能應先予分析與掌握，方得進而評估充電機之最 適裝置數量。在分析、評估過程中，整體充電場所之用電量、建置成 本、營運成本、營業收入、定價機制、充電便利性等因素均需納入考 量。在配電系統中裝置單台充電設備或建置具多台充電設備之充電場 所時，除需有相當的實務經驗外，尚需參酌標的系統或饋線之負載特 性，如需量因數、參差因數及負載因數等。惟在充電設施建設之初期 可資參考應用之資料尚欠完備，其分析、規劃與設計等建置相關工作 大都需從零開始。本小節將先就主要相關名詞為簡介與定義，再就電 動車充電初始狀態與模式、充電場所營運模式、大眾使用充電設備行 為、尖離峰時段、每小時最多進站充電車輛數等因子為考慮與納入評 估考量，再藉以分析充電站、大賣場、商辦大樓等充電機群聚系統之 用電特性，最後，評估各類充電場所最適充電機裝置數量，俾供台電 及相關各界做為規劃、建設電動車輛充電基礎設施之參考。

4.3.1 名詞釋義

(1) 用電需量(demand)

指某系統或子系統之用電量，簡稱需量或負載，為在一指定時間 間隔(time interval)內之用電量(kW 或 kVA)的平均值，我國(台電公司) 採 15 分鐘為時間間隔。

(2) 負載曲線(load curve)

負載曲線是記錄負載在某指定時段或期間之用電需量變化。通常 以日、週、月、年為記錄期間。藉由負載曲線可獲得兩個重要數據﹕

(1)最大需量(maximum demand)，即負載曲線中需量的最大值，可做

選定配電變壓器容量之依據，避免有超載之虞，亦可據為擬定契約容 量之依據，本文則引為評估容許最大充電機裝置數量之參考。(2)用 電度數(kWh)：負載曲線下方所涵蓋之面積，即為該負載在該特定期 間內所消耗之電能(kWh)，本研究用之為計算充電場所耗用電量及可 得充電營收之依據。

(3) 契約容量

充電場所用電須先申請，其契約容量由申請人自行選定，惟依台 電公司營業規則，低壓(綜合)電力用戶不得少於 10 kW，高壓(綜合) 電力用戶不得少於 100 kW。就充電設施之建置而言，一般集中式住 宅、商辦大樓及大賣場等適用前者，而充電站或高速公路休息站之快 速電能補給站則適用後者，惟仍須視實際裝置容量而定。另新設充電 站時，須考量區域配電網之用電尖、離峰情況與時段﹔電動車進站充 電之數量與時段、充電機之充電模式與特性、電池殘量等因素，藉以 分析與模擬出充電站之日負載曲線，及觀察其最大用電需量、電力品 質及容許最大充電機裝置數量等。

4.3.2 充電站用電情境分析

遍蒐國外內電動車相關文獻、期刊論文與技術資料結果，發現均 無就充電場所為用電情境分析者，一般分析充電場所之用電，略有：

(1)考慮充電機以定電流方式充電，並將充電功率簡化為定功率模型，

再乘以充電場所裝置之充電機數量，再據此進行其對配電系統之衝擊 分析；(2)依據不同性質的車輛(如巴士、轎車等)為行駛統計，並以數 學方程式表示電動車輛進站充電之機率，及假設每部進站充電車輛的 充電時間皆相同，再據以為整體充電場所用電之分析。上述充電場所 用電情境之考量與實際情況差距仍大。實務上，就實際影響充電場所 用電情況而言，應考慮到之因子約有：(1)所選擇的充電機充電模式；

(2)進站充電車輛之蓄電池殘量；(3)電動車充電完成後之蓄電池殘量 (充電程度)；(4)車輛進站充電與完成離站所花費時間，包括車輛停車 定位充電與操作充電設備的時間；(5)充電場所充電機的數量、型式

與額定功率大小；(6)充電場所其他負載綜合用電特性與尖離峰發生 時段，會因場所性質與用途不同而有異，例如﹕充電站、大賣場與商 辦大樓等；(7)充電站建置地點，如市區、郊區等，會影響來站充電 車輛數及時段；(8)鄰近環境與天候狀況。

本研究充電場所用電情境分析案例，如表 4.2 所示。表 4.2 係依 充電站、大賣場與商辦大樓之充電場所為分類，分析其典型日負載曲 線，並計算其需量因數、參差因數與負載因數。考慮因子與假設條件 主要有：(1)充電機採定電流-定電壓充電模式，額定充電功率為 30 kW；

(2)蓄電池殘量之初值與終值；(3)車輛進/離站、定位、設備操作等所 需時間；(4)依不同類型充電場所，設定用電尖離峰情況及每小時進 站車輛數，如表 4.3 所示。表 4.3 中充電站之充電離峰時段假設為每 日之 00 - 08 時及 21 - 24 時、次尖峰時段為 08 - 16 時、尖峰時段為 17 - 21 時；大賣場充電離峰時段為 00 - 10 時、次尖峰時段為 10 - 16 時及 21 - 24、尖峰時段為 16 - 21 時；商辦大樓充電離峰時段為 00 - 06 時及 17 - 24 時、次尖峰時段為 10 - 17 時、尖峰時段為 06 - 10 時。

表 4.2 各類型充電場所用電情境分析案例

充電場所 案例編號 模擬內容

充電站 C4-1

用以模擬實際充電站電動車輛進站充電情況，並據以分析整體充電 站系統的需量因數、參差因數、負載因數並模擬其日負載曲線，以 為後續配電設計及上游饋線設計之參考與依據。

大賣場 C4-2

用以模擬實際大賣場電動車輛進場充電情況，並據以分析整體大賣 場充電系統的需量因數、參差因數、負載因數並模擬其日負載曲 線，以為後續配電設計及上游饋線設計之參考與依據。

商辦大樓 C4-3

用以模擬實際商辦大樓電動車輛進場充電情況，並據以分析整體商 辦大樓充電系統的需量因數、參差因數、負載因數並模擬其日負載 曲線，以為後續配電設計及上游饋線設計之參考與依據。

表 4.3 假設各類型充電場所每小時進站車輛數

電機裝置數量與用電需量之關係，如圖 4.10 所示﹔充電站容許最大 充電機裝置數量與充電站需量因數之關係，如圖 4.11 所示﹔在充電 站個別充電機最大需量總合及所有充電機綜合最大需量上下邊界條 件下，充電站容許最大充電機裝置數量與用電需量之關係，如圖 4.12

電機裝置數量與用電需量之關係，如圖 4.10 所示﹔充電站容許最大 充電機裝置數量與充電站需量因數之關係，如圖 4.11 所示﹔在充電 站個別充電機最大需量總合及所有充電機綜合最大需量上下邊界條 件下，充電站容許最大充電機裝置數量與用電需量之關係，如圖 4.12