探索充電樁規(guī)劃發(fā)展及實(shí)施應(yīng)用

范福來 趙兵 譚旎栗 周珂宇

（國網(wǎng)重慶市電力公司銅梁供電分公司，重慶 402560）

科技技術(shù)的進(jìn)步給人們帶來方便的同時(shí)，卻給能源帶來了極大的消耗。在生態(tài)可持續(xù)發(fā)展觀引領(lǐng)下的新時(shí)代，新能源的開發(fā)與利用成為了眾人關(guān)心的重點(diǎn)。電動(dòng)汽車行業(yè)作為我國新能源技術(shù)的一項(xiàng)引領(lǐng)性產(chǎn)業(yè)技術(shù)，得到了政府機(jī)構(gòu)的大力支持與大量資金鼓勵(lì)。與此同時(shí)，作為電動(dòng)汽車的充電環(huán)節(jié)，充電樁的規(guī)劃與建設(shè)，成為了電動(dòng)汽車的發(fā)展關(guān)鍵。

一、充電樁的設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行充電樁設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮到充電站的規(guī)劃方式。一般而言，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，能夠給充電站的運(yùn)營帶來一定的方便。也就是說，把充電站的充電裝置進(jìn)行有效的劃分，劃分為多個(gè)模塊，把一個(gè)充電樁（或幾個(gè)充電樁）作為一個(gè)單獨(dú)的模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，當(dāng)某個(gè)充電樁出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)對(duì)整個(gè)充電站起到致命影響。同時(shí)，當(dāng)充電量增加時(shí)，可以通過模塊添加的方式進(jìn)行充電樁的添加，而不影響現(xiàn)有充電設(shè)備的正規(guī)運(yùn)行。在充電站的設(shè)計(jì)過程中，還要把簡潔與安全作為充電站建站的基本方針。按照安全優(yōu)先，兼顧高效的原則進(jìn)行充電站的整體布局以及充電樁的合理規(guī)劃。同時(shí)，考慮到充電樁在充電過程中的便利性原則，還需要根據(jù)充電站所在位置的人流及車流進(jìn)行充電樁的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

二、充電樁整體發(fā)展規(guī)劃設(shè)置

參考不同類型城市的電動(dòng)汽車使用概率情況，以及未來5 年的電車城市化潛在性發(fā)展前景，進(jìn)行充電樁整體方案的規(guī)劃。首先考慮私家5-7 座新能源電車的蓄電池能量，一般而言這類小型電車的電池容量為30KWH—60KWH，在私家車庫或是定點(diǎn)安置的充電樁可采用交流充電樁方式進(jìn)行充電，需要時(shí)間大概為6-8h，而如果在定點(diǎn)安置的直流充電樁進(jìn)行充電，其充電時(shí)間大概為1h。

（一）充電方案的選擇

在進(jìn)行公共設(shè)施充電電樁選擇時(shí)，需要考慮當(dāng)前電車的預(yù)停留時(shí)間，和目前電車的電量情況。當(dāng)充電客戶為上班人群，且在公司停車場進(jìn)行停車充電時(shí)，因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)間一般要超過8 小時(shí)，交流充電樁就可以滿足充電需求，所以可以選擇交流充電樁進(jìn)行充電。同時(shí)，如果用戶為到公司來拜訪的普通客戶，一般客戶會(huì)在公司停留的時(shí)間不超過2 個(gè)小時(shí)，因此需要選擇直流充電樁進(jìn)行充電。直流充電樁主要采用的是短時(shí)快充方式，充電時(shí)間大概為1 小時(shí)，方便著急的客戶進(jìn)行充電。

（二）充電樁停車位的配比安排

考慮到我國當(dāng)前的電車使用率并不高，且很多上班族習(xí)慣于在自家的車庫進(jìn)行充電，所以在充電樁停車位的設(shè)置上需要綜合性的考慮成本比例。根據(jù)目前政府對(duì)新能源汽車的支持力度，以及未來新能源電車的發(fā)展趨勢，可以在地下車位的配比方面，先進(jìn)行10%比例的電樁配備，地上停車場的電樁配比可以再小一點(diǎn)，設(shè)置為8%左右就可以。

（三）直流交流電樁的分配比例

因?yàn)橹绷麟姌兜某杀靖?，交流電樁的成本低，所以在進(jìn)行電樁配比時(shí)，可以采用1：3 的方式進(jìn)行配比。并且為電樁安設(shè)標(biāo)語：“直流交流交互使用，能夠提高電車電容使用壽命?！?。同時(shí)，充電站使用新型的交互式充電樁更加方便。交互式充電樁的特點(diǎn)是：根據(jù)變壓器的電容不同，進(jìn)行直流/交流充電方式選擇，并根據(jù)不同的充電選擇方式，進(jìn)行不同電容數(shù)值的電車充電。

三、充電站充電樁的具體實(shí)施與應(yīng)用

（一）充電樁的走線方式實(shí)施

在進(jìn)行充電樁的走線布置時(shí)，首先考慮電樁所處位置，如果是在低下停車場布置的充電樁，那么充電樁的走線需要與整體大樓的線路鋪設(shè)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過對(duì)大樓電力系統(tǒng)已有的電網(wǎng)鋪設(shè)進(jìn)行分析，選擇合理的充電樁電線鋪設(shè)方式，切忌無計(jì)劃的鋪設(shè)線纜，在增加成本的基礎(chǔ)上，也給用電安全帶來一定的潛在性隱患。

在進(jìn)行地上充電樁走線布置時(shí)，還需要考慮到物理環(huán)境對(duì)充電樁的影響，首先需要為室外停車場安設(shè)雨棚，避免充電樁直接暴露在空氣下，受到風(fēng)雨侵襲后，產(chǎn)生電力隱患。同時(shí)，在監(jiān)控及消防設(shè)施的安設(shè)過程中，也要綜合考慮充電樁布線特點(diǎn)。

（二）變壓器的電容電量計(jì)算

根據(jù)充電站的配電變壓容量，進(jìn)行輸入電量和輸出功率折算，以數(shù)學(xué)公式的方式進(jìn)行換算，其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)公式如下所示：

其中，η 為變壓器工作效率，取值為0.9。

則配電容量的計(jì)算公式為：

其中，βm 為變壓器最佳負(fù)荷率，取值為0.8。

（三）充電站的基本組成

從充電站的角度來說，其最基本的組成成分就是充電樁。多個(gè)充電樁以模塊化的形式進(jìn)行有機(jī)組合，再通過充電站管理系統(tǒng)，實(shí)施集中式數(shù)據(jù)信息管理。因此，對(duì)充電站的基本組成進(jìn)行探討，應(yīng)該先從充電樁的使用出發(fā)?？紤]到充電樁可以采用兩種充電方式，分別為直流充電和交流充電方式，因此要把兩種充電方式都考慮在內(nèi)，并進(jìn)行充電樁的合理選取。與此同時(shí)，為了方便用戶自助充電，需要為充電站安設(shè)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，以每一個(gè)充電樁為單位，進(jìn)行充電費(fèi)用的計(jì)費(fèi)。另外，需要為充電站安置監(jiān)控系統(tǒng)，如：充電和配電的檢測監(jiān)控管理，安保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理等。

（四）監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)

在充電樁充電的過程中，因?yàn)橹饕扇〉姆绞綖橹悄芑灾潆姺绞?，所以需要為充電站安置合理的監(jiān)控系統(tǒng)，用來實(shí)時(shí)關(guān)注充電站的充電樁運(yùn)行狀態(tài)。并根據(jù)充電現(xiàn)場的情況，進(jìn)行有效的電力管理，以便實(shí)施更好的電力控制與突發(fā)問題解決方案。進(jìn)行充電樁充電過程中，充電監(jiān)控裝置的工作流程如圖1 所示：

（五）充電站的主要功能分析

通過對(duì)充電站各項(xiàng)充電設(shè)施合理安置后，采用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行充電樁數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制與交互，同時(shí)考慮到電車的發(fā)展前景，選擇直流交流可以相互轉(zhuǎn)換式的智能式充電樁作為新能源汽車的充電裝置，是當(dāng)前充電站可以選擇的最佳充電樁規(guī)劃方案。其中，充電樁充電方式的選擇為：當(dāng)需要進(jìn)行直流充電時(shí)，發(fā)出直流充電功率需求值，當(dāng)需要交流充電時(shí)，發(fā)出交流充電功率需求值，然后系統(tǒng)根據(jù)需求值進(jìn)行充電方式的隨機(jī)選取。

1.充電啟動(dòng)及停止

在充電站的充電樁實(shí)施充電啟動(dòng)時(shí)，首先采用恒流充電（一般為0.3C），在這個(gè)階段，充電樁的充電電流IA 恒定，充電電壓IV 逐漸升高。隨著充電電壓的增加，當(dāng)充電電壓達(dá)到BMS（車載電壓最大限定值）時(shí)，電壓不再升高，改為恒壓充電方式進(jìn)行充電，直至充電完畢。同時(shí)，當(dāng)BMS檢測到車載蓄電池充滿，則發(fā)出停止充電請(qǐng)求，并啟用充電停止操作。

2.運(yùn)行監(jiān)視及運(yùn)行管理

充電樁在運(yùn)行過程中，針對(duì)充電站的正常運(yùn)作和事故狀態(tài)，分別發(fā)出不同的信息提示。這兩種提示，是通過充電站監(jiān)視系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)備綠燈常亮，提示設(shè)備正常，可以進(jìn)行充電操作。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，或由于某種原因而出現(xiàn)異常，則事故設(shè)備燈會(huì)呈現(xiàn)紅燈閃爍狀態(tài)，并根據(jù)報(bào)警提示音進(jìn)一步確定事故源。該監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠方便對(duì)充電樁事故進(jìn)行判定，并更加方便于自助充電的進(jìn)行。同時(shí)，充電站管理系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)信息管理功能，可以在充電樁上進(jìn)行充電站各種數(shù)據(jù)的定時(shí)記錄，也可以實(shí)時(shí)在線打印電力輸送統(tǒng)計(jì)表。

3.控制和遠(yuǎn)程功能

計(jì)算機(jī)Internet 網(wǎng)絡(luò)通過實(shí)時(shí)連接的方式，接收充電站的各類信息，并能夠以遠(yuǎn)程的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)終端控制，獲取充電站全部數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，對(duì)充電站實(shí)施調(diào)度功能。當(dāng)充電樁在進(jìn)行電車充電時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用戶的充電方式選擇，進(jìn)行充電電容的輸出，并實(shí)施充電。由于在充電的不同階段，充電樁的電壓、電流等參數(shù)都有不同的變化，因此需要根據(jù)用戶的個(gè)體化選擇進(jìn)行充電參數(shù)的修改與指令的調(diào)度。

4.交易與維護(hù)功能

充電樁在使用過程中，需要和用戶之間進(jìn)行緊密的聯(lián)系與信息交互，無論是在充電過程中，還是在繳費(fèi)過程中，都是充電站與用戶的交易過程。充電站內(nèi)用戶進(jìn)行隨機(jī)充電，采用的是消費(fèi)賬號(hào)的方式進(jìn)行充電交易。用戶的賬號(hào)信息包括客戶個(gè)人信息、卡內(nèi)余額和充電歷史記錄信息。這些信息是用戶實(shí)施繳費(fèi)的憑據(jù)，也是充電站數(shù)據(jù)信息管理的最好憑證之一。

從充電樁自身的特點(diǎn)而言，它是一種有損耗的電力設(shè)備，且對(duì)安全性有著極高的要求。因此，對(duì)充電樁的維修與維護(hù)，對(duì)于充電站來說非常重要，需要根據(jù)充電站的個(gè)性化特點(diǎn)，合理安排檢修計(jì)劃，并進(jìn)行定期維護(hù)和檢測。

（六）手機(jī)APP 的開發(fā)與應(yīng)用

手機(jī)APP 是目前最為實(shí)用的一項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)技術(shù)，APP 的應(yīng)用給電車充電帶來了更大的保障。用戶可以通過手機(jī)下載的APP端，實(shí)現(xiàn)最近（及城市內(nèi)所有）充電站的查找，充電站充電停車位的實(shí)時(shí)預(yù)約，充電引導(dǎo)操作提示，以及掃碼結(jié)賬和過往充電信息的查詢等功能。手機(jī)APP 給電車用戶帶來方便的同時(shí)，給充電站也帶來了更大的收入。與此同時(shí)，越來越方便的充電設(shè)施將會(huì)給電車帶來更廣泛的發(fā)展空間，也會(huì)給我國交通事業(yè)帶來新的更加環(huán)保的未來。

四、結(jié)論

新能源交通運(yùn)輸是我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)新方向，也是全球化汽車、火車等交通運(yùn)輸設(shè)施發(fā)展的總方向。充電站的建立與充電樁的安置能夠?yàn)樾履茉措娷嚨母咝褂锰峁┘夹g(shù)方便，也能給我國交通運(yùn)輸事業(yè)帶來更廣闊的發(fā)展空間。因此，對(duì)充電樁實(shí)施合理的發(fā)展規(guī)劃，并就充電站內(nèi)充電樁的實(shí)施與應(yīng)用，進(jìn)行深入性的探討與研究，具有極高的理論意義及實(shí)踐價(jià)值。