电动汽车充电站设计难点分析与解决方案

电动汽车充电站设计难点分析与解决方案郭国太【摘 要】近年来,我国相继发布电动汽车和充电建设补贴政策,充电站建设处在迅速 扩张阶段,但由于充电站设计方案不合理,出现了充电站投资高、效率低的尴尬境地. 本文对充电站总平布置、充电机的选择、变压器容量选择中的难点进行分析:通过 对充电车位的停车方式和站区交通组织分析,针对充电接中位置不同车辆和不同站 区自然地形,提出了合理的充电站总平布置方案.通过对厦门充电站的充电机参数、 厦门市乘用车主要车型充电参数分析,提出了充电选型方案对比分析,给出充电机选 择的优化方案.通过对充电站的充电机负荷系数、变压器运行数据进行分析,给出适 合公共充电站的充电机需要系数值,最终合理选择充电站配电变压器容量.【期刊名称】电气技术【年(卷),期】2018(019)005【总页数】6页(P58-62,66)关键词】 充电站;总平布置;充电机选择;变压器容量选择作 者】 郭国太作者单位】 厦门电力勘察设计院有限公司,福建厦门 361009正文语种】 中 文我国能源发展坚持“节约、清洁、安全”的战略方针，加快构建清洁、高效、安全、 可持续的现代能源体系，重点实施节约优先、立足国内、绿色低碳、创新驱动四大 战略1。车用能源的稳定、清洁供应成为我国经济社会发展的战略问题，也日益成为人民群 众关注的焦点。发展电动汽车、实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产 业的战略转型，已经形成了潮流。我国相继发布电动汽车发展战略和国家计划，发 布电动汽车和充电设施建设的补贴政策，进一步为产业发展指明方向。充电站建设 处在迅速扩张阶段，但由于充电站设计方案不合理，出现了充电站投资高、受益低 的尴尬境地，其对充电站重点中的难点进行剖析，寻找更优充电站设计方案迫在眉 睫。电动汽车充电站设计重点包括：充电站总平布置、充电系统、供配电系统、监控系 统及通信、土建及消防、辅助功能区等。其充电站总布置涉及站区充电车位布置和 交通组织、充电系统中涉及充电机选择、供配电系统中配电变压器容量选择是充电 站设计中的难点。1 充电站总平布置 充电站包括站内建筑、站内外行车道、充电区、临时停车区及供配电设施等。站区 总布置应满足总体规划要求，并应符合站内工艺布置合理、功能区分区合理明确、 充电高峰时的交通组织应安全、便捷、顺畅。充电站充电车位布置和站内交通组织与停车场（库）设计极为相似，但也有充电站 自身特点，其两者相同和不同对比分析见表 1。表1 充电站与停车场（库）对比表注：表中数据是小型汽车，停车场（库）中通 （停）车道最小宽度均是后退停车方式的数据。项目 充电站 停车场（库）车位 分体式充电机 充电车位：标准车位+充电桩位置一体式充电机 充电车位：标准车 位+充电机位置标准车位站内道路 要求相同：单向行驶车道宽度不应小于 4m， 双向行驶的小型车道不应小于6m，最小转弯半径不应小于6m2停车方式垂直式、 斜列式充电接口在车头 前进停车充电接口在车尾 后退停车都可以，优先采用后 退停车方式平行式 电动汽车充电接口朝充电桩停车 都可以平行式 3.82通（停） 车道最小宽度/m垂直式充电接口在车头92充电接口在车尾5.52斜列式（30。） （45） 充电接口在车尾充电接口在车头3.825.52斜列式（60）充电接口在 车头 4.52充电接口在车尾 4.224.22用电负荷 很大供配电设备及电缆管沟的 布置 供配电设备宜靠近充电机，若充电机采用一体式充电机，其供配电设备宜靠 近充电车位充电设备布置 充电机应靠近充电位布置，若采用一体式充电机时应布 置在充电车位端头处微小位置没有要求，绝大多数的室外停车场没有供配电设备 辅助功能区门位 根据需要设置 一般需要设置卫生间 根据需要设置 休息室 根据需要设置 从表1中可以看出，充电站建设不仅要考虑常规停车场（库）设计标准，而且还 要考虑服务电动汽车充电接口位置、充电机类型、供配电设备布置及电缆管沟布置 等，在充电站设计中，服务车辆充电接口位置成为充电站总平布置中的难点。 充电站服务车辆的充电接口位置决定停车方式，而停车方式又决定了通（停）车道 最小宽度和交通组织。根据服务车辆的充电接口位置和充电站总平自然地形情况， 选择适合停车方式、交通组织及充电站出入口，其方案选择见表2。2 充电机选择充电站按服务车辆类型不同可分公共充电站、专用充电站。专用充电站属固定服务 车辆的充电站，充电机选择可按服务车辆电池参数，准确地选择充电机额定功率、 充电电压和充电电流，充电机的有效充电功率近乎等于充电机额定功率。因此，专 用充电站充电机选择较为简单。公共充电站属无固定服务车辆的充电站，必须能够 满足进入市场的各种电压等级的电动汽车充电需求7。文献3规定电动汽车高压 系统标准电压：144V、288V、317V、346V、400V、576V,但各汽车厂商分布 许多非标准电压的电动汽车，这样，公共充电站充电机的选择更为复杂，且不确定 性。因此，本文重点对公共充电站充电机选择进行分析。表2充电站充电车位及交通组织方案表注：表中出入口数量是按车位（包括不 设充电桩的车位）少于50个的设置的，当车位数量大于50个时，应按设单独出 入口；斜列式停车方式时，表中充电桩（机）安装在车位顶部多余三角形位置， 当选用一体式充电机外形尺寸较大，车位项部多余三角形位置不能满足充电机安装 要求时，应适当加大宽度。停车方式 充电接口位置 自然地形 交通组织平行 车 头、车尾自然地形宽度不小于6.2m，长度决定充电位数量斜列式30车头、车 尾自然地形宽度不小于8.6m，长度决定充电位数量45。车头、车尾自然地形 宽度不小于9.3m，长度决定充电位数量车头 自然地形宽度不小于10.3m，长度 决定充电位数量60。车尾自然地形宽度不小于10m，长度决定充电位数量需要设 2个出入口或1个出入品站内采用环形道路垂直式车头 自然地形宽度不小于（14.3m+充电桩（机）深度+0.4m ）总和m，长度决定充电位数量车尾 自然地 形宽度不小于（10.8m+充电桩（机）深度+0.4m ）总和，长度决定充电位数量需 要设2个出入口或1个出入品站内采用环形道路目前厦门市乘用车充电主力是出租和网约车：比亚迪e5、北汽EV200、吉利帝豪 EV,其车辆充电参数见表3。充电电压/V 表3厦门充电站的车充电参数表注：表中和表5中的允许充电电流和允许充电电 压即是最大充电电流和最大充电压，实际充电电流均小于允许充电电流，实际充电 电压在额定电压与允许充电电压之间，因此，表中充电功率近似等于额定电压与最 大充电电流（允许充电电流与充电机最大充电电流两者中大者）的乘积。车型 额 定电压/V允许充电电压/V允许充电电流/A充电机功率/kW比亚迪e5 646.8 744.8 88 60 北汽 EV220 328.5 378.0 126 60 吉利帝豪 EV 351.1 407.4 126 60 最大充电流/A 充电功率/kW最大负荷系数 300-750 80 52 0.86 300-750 80 26 0.43 300-750 8028 0.46从表 3中可看出，采用同一恒电流充电机对 3种不同充电电压车型充电时，充电 电压越高充电功率越高，充电电压越低充电功率越低。由此可见，倘若能准确选择 充电机的充电电压，或者充电机能恒功率充电，就能提高充电功率，其具体方案分 析如下。1）方案一：选择2 - 3个充电电压的充电机，一个规格对一种车型或充电参数相 近的几种车型充电7，但充电区域应设车辆引导充电标识，但该方案可能出现充 电机配比与实时充电车辆不匹配，造成部分充电机闲置，充电车辆却在排队。2）方案二：选用恒功率充电机。由于现阶段的恒功率电压范小，充电功率提高有 限。例如选择60kW充电机，充电电压：300 - 600V, 600 - 750V （恒功率）， 最大充电电流：100A。这样还是会出现部分充电车辆的充电功率偏低的现象。文献4规定充电机额定电流和额定电压。文献5规定充电机输出电压和电流。文 献6规定直流充电接口的额定值，3个文献规定的额定值见表4。综合上述分析与规定，公共充电站充电机选择可采用表中方案一和方案二中优点进行组合配置，即是：选择部分充电功率：60kW，充电电压：200-400V,400 - 500V,最大充电电流：150A，以满足类似于北汽EV200的充电电压较低 的乘用车快速充电需求；选择部分充电机功率：60kW，充电电压：300 - 600V , 600 -750V （恒功率），最大充电电流：100A，以满足类似于比亚迪的充电电压 高的乘用车快速充电需求，充电高峰时作为似于北汽EV200的充电电压较低的乘 用车充电补充。表4直流充电机的充电电压和充电电流值文献4规定 文献5规定 文献6规定 额定电压/V额定电流/A额定电压/V额定电流/A额定电压/V额定电流/A 150-350、300-500、450-700 10、20、50、100、160、200、315、400200500、350700、500-950 160、200、250 750/1000 80、125、200、 250 80、100、125、3充电站配电变压器容量选择1）充电机需要系数选取充电机的额定容量Pe是指这个设备的输出容量，其与输入容量之间有一个效率 ns；充电机不一定满载工作，存在一个负荷系数Ks ；充电机组的全部设备并不同 时运行，存在有同时运行系数Kt ；向用电设备供电的线路有损耗，存在线路效率 nL。所以充电机的有功功率需要量为令需要系数通常来说，DC-DC变换器的效率ns高于96%，可认为是理想变换器将其损耗忽 略不计，线路效率nL的一般为0.95 -0.98，且供电线路较短，其损耗可忽略不计。 负荷系数 Ks 与充电机类型、服务车辆需求有关，从充电机的选择分析中可以看出， 专用充电机的负荷系数Ks相对比较高，公共充电机的负荷系数Ks较低。同时，运行系数Kt与电动汽车的充电需求及车桩比有关，充电需求与电动车的续驶里程、日行驶里程、开始充电时间有关。厦门现阶段主要充电车是出租车和网约车。出租车采用两班制运营方式，每天日行驶里程在300km左右，车每天充电2 -4次，主要是饭间、休息和换班前快充补电9 ；网约车每天行驶里程在200km左右，每天充电2-3次，主要是饭间、休息及出行低谷期。因此，充电时间集中，厦门岛内交通便利充电站出现爆满排队充电现象，此类的充电高峰期无法错开，其同时运行系数Kt应取1。综合上述分析，公共充电站需要系数主要取决于充电机负荷系数Ks，除了上述与 充电机类型、服务车辆需求有关外，从表5中可看出，同一功率配置不同充电电 压和充电流，对同一车类型充电时最大的负荷系数是不同的。表5电动汽车充电参数表车型 额定电压/V允许充电电压/V允许充电电流/A功率 /kW充电电压/V最大充电流/A充电机充电功率/kW最大负荷系数比亚迪e5646.8 744.8 88.0 60 300 750 80 52 0.86 300 600 ,600750 （恒功率）100 60 1.00 250-500 120 41 0.68 北汽 EV220 328.5 378.0 126.0 60 300-750 80 26 0.43 300-600 , 600-700 （恒功率）100 33 0.55 250500 120 42 0.70 吉利帝豪 EV 351.1 407.4 126.0 60 300-750 80 28 0.46 300-600，600-700（恒功率） 100 35 0.58 从图1中可看出，实际充电曲线是由充电电流曲线和充电电压曲线组成，其整个 充电过程中动态跟踪蓄电池可接受的充电电流，即充电机根据电池的充电状态确定 充电参数，使充电电流始终保持在电池可接受的充电电流曲线附近。从图1中还 可看出，充电过程一般分为4个阶段：SOC在0- 10%时，充电电流较大，充 电电压先有一小幅跳变后急剧上升；SOC在10% - 80%时，充电电流继续保持， 充电电压缓慢升高；SOC在80% - 98%时，充电电流急剧下降，充电电压继续 逐步升高；SOC在98% -100%时，充电电流微小保持，充电电压又再次急剧 升高；表5中最大充电功率在实际充电过程中不会出现。同时，在充电过程中， 充电电流电压还受到电池温度和环境温度影响，某一车型在同一充电机上每一次充 电时的负荷系数Ks是不同的。图1电动汽车的充电曲线厦门现有充电站的变压器运行数据也验证上述分析。根据国网车联网平台统计，厦 门目前充电站的充电热度（充电量）排在全国前8位，厦门岛内的华荣充电站和 双涵充电站的充量车辆经常出现排队现象，但这两个站充电站的变压器负载率却不 高。其运行数据见表6。表6充电站配电变压器运行数据表注：表中最大运行容量还包括了充电站的站用 电负荷，但该部分不大忽略不计，充电机功率因数取0.95。充电站名称变压器额 定容量/kVA最大运行容量/kVA变压器负载率供电负荷/kW负荷系数华荣充电站 2130 762 0.36 1920 0.37双涵充电站 1000 641 0.64 1530 0.44 综合上述充电站运行数据、充电参数及充电曲线分析，公共充电站充电机负荷系数 可取0.37-0.44,根据式（2）,考虑充电机效率ns、同时运行系数Kt、线路效 率nL后，充电机的需要系数可取0.45，考虑今后充电机真正实现恒功率，可提高 充电机负荷系数,充电机需要系数上限可取0.7。2）变压器容量选择充电机自带APF单元，补偿后功率因数应达到0.95以上，计算时功率因数取 0.95,充电机需要系数可根据充电机数量和拟选择变压器容量大小,选取0.45- 0.7，变压器负载率取0.8，按式（3 ）计算视在功率Sjs后再选取变压器容量，即式中，Sjs为计算视功率；Kx为充电机需要系数；Pe为充电机组有功功率；cos 为充电机功率因数；P为变压器负荷率。4结论 通过对充电站设计重点中的难点分析,提出现阶段行之有效的设计方案,以降低项 目投资,提高充电站充电效率。1）通过对充电车位的停车方式和站区交通组织分析,针对充电接中位置不同车辆 和不同站区自然地形,选择不同停车方式和交通组织方案,以合理确定总平布置。2）通过对厦门现有充电站的充电机参数和充电主力车型充电参数的分析,提出公 共充电站可选择2-3种规格恒功率充电机。3）通过对充电站的充电机负荷系数、变压器运行数据进行分析,给出公共充电站 的充电机需要系数可取0.45-0.7,以合理选择变压器容量。近年来,我国电动汽车发展和充电设施的建设都取得长足进步,但电动汽车厂商推 出电动汽车动力电池参数差异较大及充电接口位置不同，充电机还未真正实现全范 围恒功率等因素制约行业的健康发展，只有同类型电动汽车动力电池参数趋于标准 化，充电机真正实现恒功率，才能有效消除了因为车辆充电电流电压和充电接口位 置差异等不确定因素。因此，现有阶段只能通过深度剖析充电站重点中的难点，优 化充电站设计方案，才能提高充电站的投资效益，吸引更多的社会资金和力量参与 充电站建设。参考文献1 国务院. 国务院办公厅关于印发能源发展战略行动计划(20142020年)的通知Z. 北京, 2014.2 JGJ/1002015.车库建筑设计规范S.3 GB/T 314662015.电动汽车高压系统电压等级S.4 GB 509662014.电动汽车充电站设计规范S.GB/T 18487.12015.电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求S.6 GB/T 20234.22015.电动汽车传导充电用连接装置第3部分:直流充电接口S.7 郭国太.电动汽车充电站建设可行性分析J.电气技术,2017, 18(3): 120-124.8 郭国太，黄剑荣.电动汽车充电站的设计与研究J.中国科技纵横,2016(10):137-138.9 张帝，姜久春,张维戈，等.电动出租车充电桩优化配置J.电工技术学报,2015,30(18): 181-188.10 肖湘宁, 温剑锋, 陶顺, 等. 电动汽车充电基础设施规划中若干关键问题的研究 和建议J.电工技术学报,2014, 29(8): 1-10.11 杨帆，乔艳龙,甘德刚，等不同充电模式对锂离子电池极化特性影响J.电工技 术学报, 2017, 32(12):171-178.12 陈希强, 刘志欣,李兴波.基于组合预测模型的电动汽车充电站短期负荷预测研 究J.电气技术,2017, 18(2): 59-64.13 许少伦，严正，冯冬涵，等.基于多智能体的电动汽车充电协同控制策略J.电力 自动化设备, 2014,34(11): 7-13.