電動汽車充電站的設計與研究

郭國太++黃劍榮

【摘 要】 電動汽車充電站類似于燃油車的加油站，為電動汽車運行提供能量補給，是發(fā)展電動汽車所必須的重要配套基礎設施。分析研究充電對象、充電機技術、充電方法等，提出了不同類型充電站設計方案，分析了影響充電站設計方案的幾方面因素，提高充電站的電能轉換效率，選用對電池不會造成傷害的充電控制策略和性能穩(wěn)定的充電裝置，配置與之相應適應的供配電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。

【關鍵詞】 電動汽車 充電站 充電機

在能源危機和氣候變暖的雙重挑戰(zhàn)下，電動汽車成為發(fā)展低碳經(jīng)濟、落實節(jié)能減排政策的重要途徑。電動汽車是實現(xiàn)零排放或極低排放的清潔、高效的交通工具，是緩解我國石油資源緊張、城市大氣污染嚴重問題的重要手段，是推進交通發(fā)展模式轉變的有效載體。電動是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)的關鍵因素。電動汽車大規(guī)模應用的主問題是初始成本高和續(xù)駛里程不理想，而通過建設電動汽車充換電設施網(wǎng)絡，實現(xiàn)隨時隨地方便及時對動力電池進行充電，能夠有效延長電動汽車的續(xù)駛里程，將更有利于電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 充電對象和充電技術的分析研究

電動汽車充電站服務對象的分析研究是電動汽車充電站設計的基礎。首先需要分析影響充電站的建設規(guī)模、充電機選型的因素，主要包括以下幾個方面。

1.1 電動汽車的類型

目前開發(fā)的電動汽車可分三類：純電動汽車（pure EV）、混合動力電動汽車（Hybrid Electric Vehicle：HEV）和燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle：FCV）。只有純電動汽車必需從電網(wǎng)獲取電能作為驅(qū)動動力，因此本文中主要研究為純電動汽車提供電能的充電站設計的研究。

1.2 電動汽車的電池特性

電動汽車的電池特性，包括電池類型、電池容量、充電速率等。目前電動汽車常用電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰離子電池四種。而鋰離子電池具有單體電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應等優(yōu)點，因此，鋰離子電池將是我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要方向。電池容量決定了電動汽車的續(xù)航里程，電動汽車主要車型與電池組配置詳見表1.3-1。不同類型電池有著自身固有的充電速率，而充電速率決定了實際的充電功率及充電時間。

1.3 電池充電方法

最基本的充電方法有恒流和恒壓兩種，在實際應中，在這兩種方法的基礎上進行了改進，研究了一些新的充電方法。比如恒流充電，恒壓充電，恒流恒壓充電，智能充電等。

智能充電是目前比較先進的充電方法，其原量是在整個充電過程中動態(tài)跟蹤蓄電池可接受的充電電流。智能充電要求電池配備BMS，并且要求充電機與BMS間實時通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，BMS將電池參數(shù)實時地傳到充電機，充電機就能根據(jù)BMS提供的信息改變充電策略和輸出電流，充電機根據(jù)電池的充電狀態(tài)確定充電參數(shù)，使充電電流始終保持在電池可接受的充電流曲線（圖1.3-1）附近，不僅保護電池，還提高充電效率，大大縮短了充電時間。

1.4 充電機充電方式

1.4.1 常規(guī)充電方式

該充電方式一般采用恒壓、恒流的傳統(tǒng)充電方法對電動汽車進行充電。由交流充電樁為電動汽車的車載充電機提供電源進行充電，充電功率小，充電速度慢，充電時間一般為8～10h，因此也稱為慢速充電。

1.4.2 快速充電方式

此充電方式是采用智能充電方法，以100～400A的充電電流在短時間內(nèi)為電動汽車充電，需建設非車載充電機或充電站，與常規(guī)充電方式相比投資成本高。

1.4.3 更換電池充電方式

除了以上充電方式外，還可以采用更換電池組的方式，即是蓄電池電量耗盡時，用充滿電的電池組將其更換，再將更換后電池集中充電的方式。由于電池更換過程需機械更換和蓄電池集中充電，所以也稱為機械充電。它利用低谷電價對蓄電池進行充電，同時又能在很短時間內(nèi)完成更換電池過程，但初期建設成本高，占地空間大，更大問題是電池標準難統(tǒng)一，從而制約更換電池充電方式的推廣。

2 電動汽車充電站

2.1 充換電設施類型

電動汽車充換電設施是指為電動汽車提供電能的相關設施的總稱，一般包括充電站、電池更換站、電池配送中心、集中或分散布置的交流充電樁等?？煞譃榧矣贸潆娫O施、公共充電設施、專用充電設施。在不同運行模式下，電動汽車對其續(xù)駛能力和充電時間要求也不同，直接影響充電站的建設方式和功率需求。私人、公務電動汽車是白天出行，時間短，行駛里程有限，夜間停在小區(qū)車位或單位停車位，有足夠的時間充電，以家庭、單位自建充電樁慢速充電為主，公共充電設施快速充電為輔；出租車全行幾乎都運營，行駛里程長，充電時間有限，一般以公共充電設施快速充電為主；公交、環(huán)衛(wèi)、郵政等社會公共服務用車具有城市區(qū)域行駛、停車場地固定、行駛路線固定、行駛里程相關穩(wěn)定等特征，一般以專用充電設施夜間慢速充電，白天快速充電或換電設施為主。

電動汽車充電站是充換電設施重要組成部分，它采用整車充電模式為電動汽車提供電能的場所。電動汽車充電機系統(tǒng)是充電站的核心系統(tǒng)，它的確認決定了相關供電設備、監(jiān)控設備的方案。

2.2 充電機類型

電動汽車充電機從供電電源提取能量，以合適的方式傳遞給動力電池，從而建立了供電電源與動力電池之間的功率轉換接口。根據(jù)不同的分類分式，可將充電機分成多種類型，見表2.1-1。

2.3 充電系統(tǒng)

2.3.1非車載充電機

非車載充電機也稱為直流充電機，其主要參數(shù)包括充電機功率、輸出電壓、輸出電流，確定了輸出電壓和輸出電流，自然就確定了充電機功率。

輸出電壓應根據(jù)電動汽車動力蓄電池的特性及電池單體串聯(lián)數(shù)量確定，充電機輸出電壓（Ur）可按2.3.1-1計算，計算后優(yōu)先從150V～350V、300V～500V和450V～700V中選擇一組最高電壓大于或等于Ur。

2.3.1-1式

式中：n—電動汽車動力蓄電池的串聯(lián)電池單體數(shù)量；

Ku—充電機輸出電壓裕度系數(shù)，一般取1.0～1.1；

Ucm—單體電池最高電壓（V）。

非車載充電機輸出電流應根據(jù)電動汽車動力蓄電池的容量和充電速度以及供電能力和設備性價比，在電池BMS系統(tǒng)允許下，確保安全、可靠充電的情況下確定最大充電電流。輸出的直流額定電流應優(yōu)先采用以下值。

2.3.2 交流充電樁

交流充電樁是為配有車載充電機的電動汽車提供充電電源，車載充電機功率小，其電源一般采用單相220V交流供電，一般不大于32A，超過32A一般采用三相四線制380V交流供電。

2.4 充電機配置方案

充電機有效充電功率、電池充電速率決定了電動汽車充電時間和充電效率，有效充電功率是充電機按照電池BMS系統(tǒng)提供的充電電流和充電電壓時的功率，根據(jù)服務車輛的電池容量、充電速率合理選擇充電機功率、輸出電壓、輸出電流，使得有效充電功率無限接近額定功率，提高充電機的充電效率。

2.4.1 公共充電站

公共充電站采用按快速充電方式，服務社會各種車輛，屬無固定服務車輛的充電站。目前市面上的電動汽車電池容和充電電壓各不相同，且充電電壓和充電電流的范圍值比較廣。此時，如何充電機配置方案合理與否，關系到充電機有效功率大小、充電時間長短，最終也影響充電站投資成本和投資回報率等經(jīng)濟指標。

（1）方案一：全站的充電機選擇單一功率、充電電壓、充電電流，例：充電機功率為60kW，充電電壓：300V～700V，最大充電電流：85A。假如充電機對比亞迪e5充進行充電，充電電壓為680V，有效充電功為57.8kW，假如充電機對北汽福田EV200進行充電，充電電壓為385V，有效充電功只有32.725 kW。充電機電壓低的有效充電功率就會降低，充電時間長，變壓器輕載運行。

（2）方案二：全站充電機可選擇多種充電機功率、充電電壓、充電電流，每一種充電功率、充電電壓、充電電流對一種類型的電動汽車充電，充電時司機有可能無法正確選擇站內(nèi)的充電機，需備用工作人員調(diào)度管理，這樣會提高充電站運營成本。

（3）方案三：選用最大充電電壓和最大充電電流多檔可調(diào)的充電機，即是額定功率不變，選擇不同檔最大充電壓會對應匹配不同最大充電電流，以提高充電機有效充電功率。例：充電機功率為60kW充電電壓：300V～500V、500～700，相應最大充電電流：120A、85A。假如充電機對比亞迪e5充進行充電，充電電壓為680V，最大充電電流為85A有效充電功為57.8kW；假如充電機對北汽福田EV200進行充電，充電電壓為380V，最大充電電流為120A，有效充電功也有46.2kW；比起方案一有效功率得到明顯的提高，比起方案二又降低運營成本。

2.4.2 專用充電站

專用充電站一般采用慢快充電和快速充電相結合充電方式，服務某一種車型的車輛，屬固定服務車輛的充電站。根據(jù)服務車輛的電池容量、充電電壓、充電速率，按量體裁衣選擇充電機功率、充電電壓和充電電流，使用有效充電功率幾乎等于充電機功率。

3 結語

充電站設計前應充分調(diào)查分析服務車輛電池主要參數(shù)及車輛數(shù)量，準確定位充電站類型，確定適應的充電方式方法，合理選擇充電機功率等主要參數(shù)，以提高充電機充電功率，減短服務車輛充電時間，從而提高充電站經(jīng)濟效益。吸引更多的社會資金和力量參與充電站建設，對電動汽車可持續(xù)發(fā)展極為重要。

參考文獻：

[1]胡江溢，賈俊國，武斌，等.電動汽車充電站設計規(guī)范GB 50966-2014[S].北京：中國計劃出版社.2013.

[2]賈俊國，武斌，吳尚潔，等.電動汽車充電站通用要求GB/T 29781-2013[S] 北京：中國計劃出版社，2013.

[3]李加洪，楊國勝，施巨嶺，等.視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)工程設計規(guī)范GB 50395-2007[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[4]劉振亞.智能電網(wǎng)技術[M].北京：中國電力出版社，2010：304-310.

[5]許少倫，嚴正，馮冬涵，張良.基于多智能體的電動汽車充電協(xié)同控制策略[J].電力自動化設備，第34卷第11期：2014年11月：7-13.

[6]許璐，袁越，王敏，劉冠群.含電動汽充電的配電網(wǎng)諧波潮流計算[J].現(xiàn)代電力，第31卷第2期：2014年4月：21-26.