電動(dòng)汽車充電站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺談與應(yīng)用

摘要:隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，大型電車研發(fā)并投入到運(yùn)營(yíng)當(dāng)中，能有效滿足我國(guó)環(huán)保工作和清潔能源的使用需求。隨著我國(guó)大型電車市場(chǎng)保有量的不斷增多，相應(yīng)的充電站配套充電設(shè)施也應(yīng)加強(qiáng)建設(shè)，這樣才能為不同類型的電動(dòng)汽車的穩(wěn)定運(yùn)行提供充足的電力保障。基于此，本文對(duì)大型電動(dòng)汽車充電站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施深入的分析，為電動(dòng)汽車充電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供可靠的參考。

關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車;充電站;電氣系統(tǒng)

一、引言

大型電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)和研發(fā)符合我國(guó)清潔能源利用的需求，有利于環(huán)境保護(hù)工作的落實(shí)。大型電動(dòng)汽車在運(yùn)行過(guò)程中需要利用蓄電池滿足其運(yùn)行需求，可以說(shuō)電動(dòng)汽車充電設(shè)施的設(shè)計(jì)和建設(shè)是保證其安全運(yùn)行的前提。隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)保有量的不斷增多，充電需求也隨之增加，這就需要在全國(guó)范圍內(nèi)建立大批的充電站，大型電動(dòng)汽車充電站中電氣系統(tǒng)作為核心基礎(chǔ)設(shè)施，需要確保設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，從而滿足不同類型電動(dòng)汽車的充電需求。

二、電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)組成

2.1供配電系統(tǒng)

供配電系統(tǒng)是充電站極為重要的一部分，其主要功能就是借助外部電網(wǎng)設(shè)來(lái)給電站提供電能，在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要全面考慮，然后分析電站的用電情備，況，并且掌握準(zhǔn)確的電容量，根據(jù)這些來(lái)判定電負(fù)荷級(jí)別。根據(jù)國(guó)家相關(guān)部門(mén)出臺(tái)的相關(guān)政策規(guī)范可以得知，不同類型與規(guī)模的充電站電量負(fù)荷等級(jí)是有區(qū)別的，并且針對(duì)不同負(fù)荷級(jí)別有不同的建設(shè)規(guī)定。其中提到，通常情況下，普通規(guī)格的充電站，負(fù)荷等級(jí)都會(huì)定性為三級(jí)但是如果充電站的建設(shè)背景較為特殊，有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值或政治意義，一旦出現(xiàn)供電問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重阻礙社會(huì)的正常秩序，那么就要將此類充電站定性為二級(jí)負(fù)荷級(jí)別。

2.2充電系統(tǒng)

充電系統(tǒng)是充電站的最終保障系統(tǒng)，只有該系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，電車才能夠圓滿完成充電任務(wù)。充電系統(tǒng)內(nèi)部主要是由各類充電機(jī)構(gòu)成。充電機(jī)的類型主要包括三種，分別為慢速充電機(jī)、中速充電機(jī)以及快速充電機(jī)。在進(jìn)行充電的時(shí)候可根據(jù)自己的需求來(lái)自行選擇，如果充電站的規(guī)模較大，充電需求較多，則要同時(shí)配備三種充電機(jī)，由于快速充電機(jī)的使用頻率較高，因此不管哪種類型的充電站，首先都應(yīng)注重快速充電機(jī)的配備。

三、供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1供電系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求

通常情況下，供電系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是一次設(shè)備，另一部分是二次設(shè)備。這些設(shè)備都包括諧波調(diào)節(jié)設(shè)備、繼電保護(hù)器、變壓器以及專用配電柜等設(shè)備。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候必須遵循科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面，首先，電動(dòng)汽車充電站的配電網(wǎng)應(yīng)選擇10KV規(guī)格。負(fù)責(zé)供電的電源必須經(jīng)過(guò)降壓處理之后才能進(jìn)行使用。其次，由于大型電動(dòng)汽車所用的充電站的電量負(fù)荷等級(jí)一般都屬于二級(jí)，為了滿足電車的供電需要，其中設(shè)置了多種類型的充電樁，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候必須保證供電的可靠性和安全性。

3.2電氣設(shè)備的選擇和配置

這一部分需要注意三個(gè)方面。第一，設(shè)備主接線的設(shè)計(jì)。由于我國(guó)大型電動(dòng)汽車的充電站分布數(shù)量有限，而充電服務(wù)的模式也比較單一，因此對(duì)站內(nèi)可靠性的設(shè)計(jì)要求較高，主接線的出現(xiàn)數(shù)量也比較多。因此設(shè)計(jì)人員通常會(huì)使用單一分段的接線方法，進(jìn)線部分要選擇雙回路設(shè)計(jì)，且要等到降壓處理之后再進(jìn)線。此外，還應(yīng)注意控制進(jìn)線時(shí)的傳輸容量，至少要超過(guò)最高容量的 70%左右，當(dāng)充電站處于正常運(yùn)行的狀態(tài)時(shí)，其中的斷路器會(huì)直接將開(kāi)關(guān)分隔開(kāi)來(lái)。雙回路線此時(shí)均處于獨(dú)立的運(yùn)行當(dāng)中。如果其中的一條回路出現(xiàn)了故障，或者進(jìn)行檢修的時(shí)候，分段線路中的斷路器會(huì)快速閉合，而充電則會(huì)從運(yùn)行狀態(tài)正常的回路中獲取電源。第二，要注重變壓器的選擇。一般情況下，雙回路中的變壓器在處于正常運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，都是獨(dú)立工作互不干擾。在該種電氣系統(tǒng)當(dāng)中，并沒(méi)有設(shè)置明備用設(shè)備，而其中的變壓器則作為暗設(shè)備來(lái)使用。第三，要注意其中無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的設(shè)置以及濾波裝置。對(duì)于大型電車充電站來(lái)說(shuō)，其整流器以及逆變器等設(shè)備負(fù)載電量較大，因此對(duì)于無(wú)功功率有較大需求，如果不設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償裝置，會(huì)給供電效果帶來(lái)負(fù)面影響。但是在使用補(bǔ)償裝置的時(shí)候，由于系統(tǒng)還會(huì)受到其他眾多電子元件的影響，而產(chǎn)生部分諧波，從而降低供電質(zhì)量。因此技術(shù)人員要在該方面做出改進(jìn)，盡量規(guī)避諧波的出現(xiàn)。

四、充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

充電系統(tǒng)是由交流充電樁、直流充電樁以及相關(guān)附屬設(shè)備所組成。交流充電樁主要采取充模式，即:電流在10~60A 之間，充電功率在5~20kW之間，一般采用單相220V或者三相 380V電壓等級(jí)。充電時(shí)間長(zhǎng)，但是電費(fèi)較便宜、建設(shè)成本較低，適用于公交車、環(huán)衛(wèi)車等社會(huì)公共用戶。直流充電樁充電電流為150~400A，功率在50~100kW之間，采用三相四線制 380V電壓，能夠在10~30min內(nèi)將電池電量由10%提升到90%。直流充電適用用戶范圍廣，充電時(shí)間短，故在充電站中廣泛采用，然而存在著建設(shè)與維護(hù)成本高，電費(fèi)相對(duì)較高等不足。充電樁設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮適應(yīng)安設(shè)地區(qū)氣象狀況，能夠在極duan天氣下正常工作，因此需要考慮防塵、防雨、放強(qiáng)光照射，同時(shí)保證樁體能夠正常通風(fēng)散熱。對(duì)于充電樁電氣部分設(shè)計(jì)，有如下要求:①設(shè)計(jì)要基于“一車一樁"原則，即在同一時(shí)間內(nèi)，一輛汽車對(duì)應(yīng)一臺(tái)充電樁進(jìn)行充電。②)設(shè)備選擇需要滿足充電樁設(shè)計(jì)輸入功率要求，且留有裕度。充電輸入功率為:

P:充電樁輸出有功功率;η:充電樁效率;cosφp:充電樁功率因數(shù)。③充電樁采用 TN-S 供電接地系統(tǒng)，即將工作零線與保護(hù)專用接地線 PE嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)。配置帶脫扣功能的低電壓斷路器，斷路器應(yīng)具有短路保護(hù)與剩余電流保護(hù)功能。確保充電樁金屬外殼因故障斷電時(shí)斷路器可以迅速、可靠且有效地將充電樁與供電系統(tǒng)斷開(kāi)，避免造成人身與財(cái)產(chǎn)傷害。④由于站內(nèi)設(shè)有單相充電樁與三相充電樁，所以，要通過(guò)調(diào)度確保三相負(fù)荷平衡。

五、充電站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案

通過(guò)綜合考慮充電站的規(guī)模、布局、電網(wǎng)配電情況以及訪客的充電需求，進(jìn)行合理的充電設(shè)施布局規(guī)劃、選擇適當(dāng)?shù)某潆姌额愋秃凸β室?guī)格，以及引入穩(wěn)定可靠的運(yùn)營(yíng)平臺(tái)管理系統(tǒng)，以提升用戶體驗(yàn)和滿足日益增長(zhǎng)的新能源車輛充電需求。此解決方案具備智能化管理、多樣化設(shè)備、安全可靠、節(jié)能環(huán)保、靈活擴(kuò)展和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等特點(diǎn)，能夠?yàn)槌潆娬咎峁└咝П憬莸某潆姺?wù)。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

充電運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過(guò)APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊(duì)等待的情況，同時(shí)也能為充電站提供更準(zhǔn)確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。通過(guò)平臺(tái)可對(duì)充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對(duì)充電樁的功率進(jìn)行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內(nèi)充電，避免對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大的負(fù)荷

六、安科瑞充電樁云平臺(tái)具體的功能

平臺(tái)除了對(duì)充電樁的監(jiān)控外，還對(duì)充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)營(yíng)成本，平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖2 充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

大屏顯示：展示充電站設(shè)備統(tǒng)計(jì)、使用率排行、運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。

圖3 大屏展示界面

站點(diǎn)監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備列表、設(shè)備日志、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖4 站點(diǎn)監(jiān)控界面

設(shè)備監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)信息、配套設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備實(shí)時(shí)曲線、關(guān)聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖5 設(shè)備監(jiān)控界面

運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)：顯示運(yùn)營(yíng)信息查詢、站點(diǎn)對(duì)比曲線、日月年報(bào)表、站點(diǎn)對(duì)比列表等功能。

圖6 運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)界面

收益查詢：提供收益匯總、實(shí)際收益報(bào)表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7 收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢(shì)分析、故障類型餅圖等功能。

圖8 故障分析界面

訂單記錄：提供實(shí)時(shí)/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導(dǎo)出、運(yùn)營(yíng)商應(yīng)收信息、充電明細(xì)、交易流水查詢、充值余額明細(xì)等功能。

圖9 訂單查詢界面

七、產(chǎn)品選型

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來(lái)滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟(jì)、智能運(yùn)營(yíng)管理的市場(chǎng)需求。實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池快速、高效、安全、合理的電量補(bǔ)給，同時(shí)為提高公共充電樁的效率和實(shí)用性，具有有智能監(jiān)測(cè)：充電樁智能控制器對(duì)充電樁具備測(cè)量、控制與保護(hù)的功能；智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能；云平臺(tái)：具備連接云平臺(tái)的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等；遠(yuǎn)程升級(jí)：具備完善的通訊功能，可遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備軟件進(jìn)行升級(jí)；保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能；適配車型：滿足國(guó)標(biāo)充電接口，適配所有符合國(guó)標(biāo)的電動(dòng)汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。下面是具體產(chǎn)品的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)。

八、現(xiàn)場(chǎng)圖片

九、結(jié)論

隨后我國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)zhan有率的不斷提高，與之相配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)緩慢，為了能夠有效滿足不同類型電動(dòng)汽車充電的需求，在全國(guó)范圍內(nèi)急需構(gòu)建大規(guī)模的充電站建設(shè)。在充電站電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮多方面的因素，尤其是充電安全性和可靠性，盡可能地保留充足的擴(kuò)建余量，保證電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)，還能夠提高電車充電的高效便捷性。

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作者介紹：

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。