電動汽車充電站設(shè)計難點(diǎn)分析與解決方案

郭國太

（廈門電力勘察設(shè)計院有限公司，福建 廈門 361009）

我國能源發(fā)展堅持“節(jié)約、清潔、安全”的戰(zhàn)略方針，加快構(gòu)建清潔、高效、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系，重點(diǎn)實施節(jié)約優(yōu)先、立足國內(nèi)、綠色低碳、創(chuàng)新驅(qū)動四大戰(zhàn)略[1]。

車用能源的穩(wěn)定、清潔供應(yīng)成為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題，也日益成為人民群眾關(guān)注的焦點(diǎn)。發(fā)展電動汽車、實現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，推動傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，已經(jīng)形成了潮流。我國相繼發(fā)布電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略和國家計劃，發(fā)布電動汽車和充電設(shè)施建設(shè)的補(bǔ)貼政策，進(jìn)一步為產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明方向。充電站建設(shè)處在迅速擴(kuò)張階段，但由于充電站設(shè)計方案不合理，出現(xiàn)了充電站投資高、受益低的尷尬境地，其對充電站重點(diǎn)中的難點(diǎn)進(jìn)行剖析，尋找更優(yōu)充電站設(shè)計方案迫在眉睫。

電動汽車充電站設(shè)計重點(diǎn)包括：充電站總平布置、充電系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及通信、土建及消防、輔助功能區(qū)等。其充電站總布置涉及站區(qū)充電車位布置和交通組織、充電系統(tǒng)中涉及充電機(jī)選擇、供配電系統(tǒng)中配電變壓器容量選擇是充電站設(shè)計中的難點(diǎn)。

1 充電站總平布置

充電站包括站內(nèi)建筑、站內(nèi)外行車道、充電區(qū)、臨時停車區(qū)及供配電設(shè)施等。站區(qū)總布置應(yīng)滿足總體規(guī)劃要求，并應(yīng)符合站內(nèi)工藝布置合理、功能區(qū)分區(qū)合理明確、充電高峰時的交通組織應(yīng)安全、便捷、順暢。

充電站充電車位布置和站內(nèi)交通組織與停車場（庫）設(shè)計極為相似，但也有充電站自身特點(diǎn)，其兩者相同和不同對比分析見表1。

表1 充電站與停車場（庫）對比表

從表1中可以看出，充電站建設(shè)不僅要考慮常規(guī)停車場（庫）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而且還要考慮服務(wù)電動汽車充電接口位置、充電機(jī)類型、供配電設(shè)備布置及電纜管溝布置等，在充電站設(shè)計中，服務(wù)車輛充電接口位置成為充電站總平布置中的難點(diǎn)。

充電站服務(wù)車輛的充電接口位置決定停車方式，而停車方式又決定了通（停）車道最小寬度和交通組織。根據(jù)服務(wù)車輛的充電接口位置和充電站總平自然地形情況，選擇適合停車方式、交通組織及充電站出入口，其方案選擇見表2。

2 充電機(jī)選擇

充電站按服務(wù)車輛類型不同可分公共充電站、專用充電站。專用充電站屬固定服務(wù)車輛的充電站，充電機(jī)選擇可按服務(wù)車輛電池參數(shù)，準(zhǔn)確地選擇充電機(jī)額定功率、充電電壓和充電電流，充電機(jī)的有效充電功率近乎等于充電機(jī)額定功率。因此，專用充電站充電機(jī)選擇較為簡單。公共充電站屬無固定服務(wù)車輛的充電站，必須能夠滿足進(jìn)入市場的各種電壓等級的電動汽車充電需求[7]。文獻(xiàn)[3]規(guī)定電動汽車高壓系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓：144V、288V、317V、346V、400V、576V，但各汽車廠商分布許多非標(biāo)準(zhǔn)電壓的電動汽車，這樣，公共充電站充電機(jī)的選擇更為復(fù)雜，且不確定性。因此，本文重點(diǎn)對公共充電站充電機(jī)選擇進(jìn)行分析。

表2 充電站充電車位及交通組織方案表

目前廈門市乘用車充電主力是出租和網(wǎng)約車：比亞迪 e5、北汽 EV200、吉利帝豪 EV，其車輛充電參數(shù)見表3。充電電壓/V

表3 廈門充電站的車充電參數(shù)表

最大充電流/A

充電功率/kW

最大負(fù)荷系數(shù)300～750 80 52 0.86 300～750 80 26 0.43 300～750 80 28 0.46

從表 3中可看出，采用同一恒電流充電機(jī)對 3種不同充電電壓車型充電時，充電電壓越高充電功率越高，充電電壓越低充電功率越低。由此可見，倘若能準(zhǔn)確選擇充電機(jī)的充電電壓，或者充電機(jī)能恒功率充電，就能提高充電功率，其具體方案分析如下。

1）方案一：選擇2～3個充電電壓的充電機(jī)，一個規(guī)格對一種車型或充電參數(shù)相近的幾種車型充電[7]，但充電區(qū)域應(yīng)設(shè)車輛引導(dǎo)充電標(biāo)識，但該方案可能出現(xiàn)充電機(jī)配比與實時充電車輛不匹配，造成部分充電機(jī)閑置，充電車輛卻在排隊。

2）方案二：選用恒功率充電機(jī)。由于現(xiàn)階段的恒功率電壓范小，充電功率提高有限。例如選擇60kW充電機(jī)，充電電壓：300～600V，600～750V（恒功率），最大充電電流：100A。這樣還是會出現(xiàn)部分充電車輛的充電功率偏低的現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[4]規(guī)定充電機(jī)額定電流和額定電壓。文獻(xiàn)[5]規(guī)定充電機(jī)輸出電壓和電流。文獻(xiàn)[6]規(guī)定直流充電接口的額定值，3個文獻(xiàn)規(guī)定的額定值見表4。

綜合上述分析與規(guī)定，公共充電站充電機(jī)選擇可采用表中方案一和方案二中優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行組合配置，即是：①選擇部分充電功率：60kW，充電電壓：200～400V，400～500V，最大充電電流：150A，以滿足類似于北汽EV200的充電電壓較低的乘用車快速充電需求；②選擇部分充電機(jī)功率：60kW，充電電壓：300～600V，600～750V（恒功率），最大充電電流：100A，以滿足類似于比亞迪的充電電壓高的乘用車快速充電需求，充電高峰時作為似于北汽EV200的充電電壓較低的乘用車充電補(bǔ)充。

表4 直流充電機(jī)的充電電壓和充電電流值

3 充電站配電變壓器容量選擇

1）充電機(jī)需要系數(shù)選取

充電機(jī)的額定容量 Pe是指這個設(shè)備的輸出容量，其與輸入容量之間有一個效率ηs；充電機(jī)不一定滿載工作，存在一個負(fù)荷系數(shù)Ks；充電機(jī)組的全部設(shè)備并不同時運(yùn)行，存在有同時運(yùn)行系數(shù)Kt；向用電設(shè)備供電的線路有損耗，存在線路效率ηL。所以充電機(jī)的有功功率需要量為

令需要系數(shù)

通常來說，DC-DC變換器的效率ηs高于96%，可認(rèn)為是理想變換器將其損耗忽略不計，線路效率ηL的一般為 0.95～0.98，且供電線路較短，其損耗可忽略不計。

負(fù)荷系數(shù)Ks與充電機(jī)類型、服務(wù)車輛需求有關(guān)，從充電機(jī)的選擇分析中可以看出，專用充電機(jī)的負(fù)荷系數(shù) Ks相對比較高，公共充電機(jī)的負(fù)荷系數(shù) Ks較低。

同時，運(yùn)行系數(shù)Kt與電動汽車的充電需求及車樁比有關(guān)，充電需求與電動車的續(xù)駛里程、日行駛里程、開始充電時間有關(guān)。廈門現(xiàn)階段主要充電車是出租車和網(wǎng)約車。出租車采用兩班制運(yùn)營方式，每天日行駛里程在 300km左右，車每天充電 2～4次，主要是飯間、休息和換班前快充補(bǔ)電[9]；網(wǎng)約車每天行駛里程在200km左右，每天充電2～3次，主要是飯間、休息及出行低谷期。因此，充電時間集中，廈門島內(nèi)交通便利充電站出現(xiàn)爆滿排隊充電現(xiàn)象，此類的充電高峰期無法錯開，其同時運(yùn)行系數(shù)Kt應(yīng)取 1。

綜合上述分析，公共充電站需要系數(shù)主要取決于充電機(jī)負(fù)荷系數(shù)Ks，除了上述與充電機(jī)類型、服務(wù)車輛需求有關(guān)外，從表5中可看出，同一功率配置不同充電電壓和充電流，對同一車類型充電時最大的負(fù)荷系數(shù)是不同的。

表5 電動汽車充電參數(shù)表

從圖1中可看出，實際充電曲線是由充電電流曲線和充電電壓曲線組成，其整個充電過程中動態(tài)跟蹤蓄電池可接受的充電電流，即充電機(jī)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電流曲線附近。從圖1中還可看出，充電過程一般分為4個階段：①SOC在0～10%時，充電電流較大，充電電壓先有一小幅跳變后急劇上升；②SOC在10%～80%時，充電電流繼續(xù)保持，充電電壓緩慢升高；③SOC在80%～98%時，充電電流急劇下降，充電電壓繼續(xù)逐步升高；④SOC在98%～100%時，充電電流微小保持，充電電壓又再次急劇升高；表5中最大充電功率在實際充電過程中不會出現(xiàn)。同時，在充電過程中，充電電流電壓還受到電池溫度和環(huán)境溫度影響，某一車型在同一充電機(jī)上每一次充電時的負(fù)荷系數(shù)Ks是不同的。

圖1 電動汽車的充電曲線

廈門現(xiàn)有充電站的變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)也驗證上述分析。根據(jù)國網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)平臺統(tǒng)計，廈門目前充電站的充電熱度（充電量）排在全國前8位，廈門島內(nèi)的華榮充電站和雙涵充電站的充量車輛經(jīng)常出現(xiàn)排隊現(xiàn)象，但這兩個站充電站的變壓器負(fù)載率卻不高。其運(yùn)行數(shù)據(jù)見表6。

表6 充電站配電變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)表

綜合上述充電站運(yùn)行數(shù)據(jù)、充電參數(shù)及充電曲線分析，公共充電站充電機(jī)負(fù)荷系數(shù)可取 0.37～0.44，根據(jù)式（2），考慮充電機(jī)效率ηs、同時運(yùn)行系數(shù)Kt、線路效率ηL后，充電機(jī)的需要系數(shù)可取0.45，考慮今后充電機(jī)真正實現(xiàn)恒功率，可提高充電機(jī)負(fù)荷系數(shù)，充電機(jī)需要系數(shù)上限可取0.7。

2）變壓器容量選擇

充電機(jī)自帶APF單元，補(bǔ)償后功率因數(shù)應(yīng)達(dá)到0.95以上，計算時功率因數(shù)取0.95，充電機(jī)需要系數(shù)可根據(jù)充電機(jī)數(shù)量和擬選擇變壓器容量大小，選取0.45～0.7，變壓器負(fù)載率取0.8，按式（3）計算視在功率Sjs后再選取變壓器容量，即

式中，Sjs為計算視功率；Kx為充電機(jī)需要系數(shù)；Pe為充電機(jī)組有功功率；cos? 為充電機(jī)功率因數(shù)；β為變壓器負(fù)荷率。

4 結(jié)論

通過對充電站設(shè)計重點(diǎn)中的難點(diǎn)分析，提出現(xiàn)階段行之有效的設(shè)計方案，以降低項目投資，提高充電站充電效率。

1）通過對充電車位的停車方式和站區(qū)交通組織分析，針對充電接中位置不同車輛和不同站區(qū)自然地形，選擇不同停車方式和交通組織方案，以合理確定總平布置。

2）通過對廈門現(xiàn)有充電站的充電機(jī)參數(shù)和充電主力車型充電參數(shù)的分析，提出公共充電站可選擇2～3種規(guī)格恒功率充電機(jī)。

3）通過對充電站的充電機(jī)負(fù)荷系數(shù)、變壓器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出公共充電站的充電機(jī)需要系數(shù)可取0.45～0.7，以合理選擇變壓器容量。

近年來，我國電動汽車發(fā)展和充電設(shè)施的建設(shè)都取得長足進(jìn)步，但電動汽車廠商推出電動汽車動力電池參數(shù)差異較大及充電接口位置不同，充電機(jī)還未真正實現(xiàn)全范圍恒功率等因素制約行業(yè)的健康發(fā)展，只有同類型電動汽車動力電池參數(shù)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，充電機(jī)真正實現(xiàn)恒功率，才能有效消除了因為車輛充電電流電壓和充電接口位置差異等不確定因素。因此，現(xiàn)有階段只能通過深度剖析充電站重點(diǎn)中的難點(diǎn)，優(yōu)化充電站設(shè)計方案，才能提高充電站的投資效益，吸引更多的社會資金和力量參與充電站建設(shè)。

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