電動汽車光儲充一體式充電站設計與應用

0前言

隨著“雙碳"目標的提出以及新能源汽車行業(yè)利好政策不斷，電動汽車的使用不斷提高，截至2022年已達到25.6%，提前3年完成國家《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》提出的到2025年達到20%的目標。充電樁作為新能源汽車的配套基礎設施，早在2020年已被納入新基建當中，其需求與新能源汽車的發(fā)展呈正相關。

但目前充電樁的建設存在以下問題：城市土地資源緊張，新增充電站用地選址難；電動汽車充電站初始投入大，回報周期長；加裝充電樁周期長，難以配合充電需求靈活擴展；缺少光伏發(fā)電及儲能等功能系統(tǒng)，經(jīng)濟效益低。

因此，針對以上問題，提出一種電動汽車集成一體式充電站的方案，與傳統(tǒng)充電站的對比如表1所示，其具有高度集成、體積小、擴展靈活以及功能配置豐富等特點，主要包括5部分：高壓部分、變壓器部分、低壓部分、充電部分、光伏部分和儲能部分。

表1電動汽車集成一體式充電站與傳統(tǒng)充電站的對比表

1關鍵設計

1.1外箱結(jié)構(gòu)設計

為使充電站的占地面積*小，故須對各個部分采用小型化設計或特殊結(jié)構(gòu)設計。但考慮到可替換性以及經(jīng)濟性，高壓柜、變壓器以及充電設備應采用常規(guī)方案，這樣方便出現(xiàn)設備故障時進行快速更換。而低壓部分由于電壓為0.4kV，柜內(nèi)帶電體的電氣距離較之于高壓側(cè)小很多，且低壓側(cè)的故障多數(shù)為單個零件的異常，整柜更換的情況較少，因此可對低壓柜進行小型化設計，這樣可以在高度方向縮小尺寸，進而設置變壓器部分在低壓部分的上層，形成外箱的雙層結(jié)構(gòu)。

另外，為使充電設備與充電站集成一體化，外箱的底框設計了相應的底座，便于充電設備的安裝，此外，底框的內(nèi)部還設計了電纜通道，這樣就可以使低壓部分能方便地給充電設備供電，出廠前可以安裝調(diào)試完成，減少現(xiàn)場工作量。對于充電站不能

覆蓋的車位，可以設計電纜槽延伸至相應處，并設充電樁在電纜槽上方，這樣無論是前期規(guī)劃充電樁還是后期增加，都無須開挖電纜溝做基礎。

外箱頂蓋設計為覆蓋整個充電站，這樣可以為充電設備提供更好地工況，即使多數(shù)充電設備可戶外使用，但長期暴曬雨淋還是會使其故障率增加；另外，頂蓋設計有光伏組件，頂蓋的面積越大，發(fā)電量也會越大，因此全覆蓋式的頂蓋更適合此充電站，如圖1所示。

圖1電動汽車集成一體式充電站外箱結(jié)構(gòu)設計

1.2光伏設計

光伏系統(tǒng)的設計可分為2部分，充電站的外箱頂蓋的光伏、充電站車棚的光伏。目前，市場上有多種光伏發(fā)電組件，如單晶硅、多晶硅、HIT、非晶硅、銅銦鎵硒和碲化鎘等，雖然這些組件已標定了功率，但是在相同的運行條件下，實際發(fā)電效率卻有所不同，碲化鎘在太陽輻射量較高，少云或多云地區(qū)有優(yōu)勢，廣東多為此氣候。另外，外箱頂蓋上安裝光伏發(fā)電組件，*好選用體積小、重量輕的組件，避免頂蓋受壓過重而變形。故此，頂蓋上選用碲化鎘光伏發(fā)電玻璃，車棚上的光伏組件的選擇應與頂蓋光伏組件一致，這樣可使逆變器的輸入?yún)?shù)一致，運行更穩(wěn)定。

光伏逆變器的選擇應根據(jù)光伏組件的發(fā)電功率以及充電站的功能需求來選擇。光伏發(fā)電總功率由車位以及充電站設備占地面積所決定，箱式變電站的容量一般在800kV·A以下，設直流快充樁（60kW）12支和交流慢充樁（7kW）6支，可以覆蓋18個以下的車位，則車位設置在雙側(cè)可以使整個充電站布置*合理，如圖2所示。碲化鎘光伏發(fā)電玻璃的尺寸為1200mm×600mm×6.8mm，功率為105W，再加上休息室也加裝光伏發(fā)電，因此整個場站的光伏發(fā)電功率在60kW以下，逆變器的選擇功率為60kW即可，另外，由于發(fā)電功率不大，可自發(fā)自用，供場站內(nèi)的日常用電以及交流慢充樁用電，故逆變器選用離網(wǎng)逆變器。再加上充電站設置有儲能系統(tǒng)，所以逆變器還須具備給蓄電池充放電的功能，功能架構(gòu)圖如圖3所示。

圖2充電站車位布置圖

圖3離網(wǎng)逆變器系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.3儲能設計

儲能系統(tǒng)與箱式變電站一體化設計，安全防護設計為重點。鉛酸電池技術成熟、穩(wěn)定性好，并且可回收利用，市場價格優(yōu)勢明顯，非常適合此方案的設計。儲能電池室設置在高壓室背面，電池規(guī)格為150A·h/12V，共設30節(jié)，可儲大約54kW·h。針對電池的運行狀態(tài)，配置了電池巡檢儀裝置，包括1個監(jiān)控裝置屏和2個電池巡檢裝置模塊，這樣就可以實時監(jiān)測單體電池的狀態(tài)，如圖4所示。

圖4儲能電池室設計

此外，為對防火安全進一步提升，對儲能電池室四周側(cè)壁加裝防火水泥板，以及在頂部安裝懸掛式七氟丙烷氣體自動滅火裝置，這樣可以保證即使發(fā)生火災也可以*大限度地阻擋火勢的蔓延。在安防警示方面，設置兩個聲光報警器在充電站頂蓋上，為正在站內(nèi)充電的人員發(fā)出告警驅(qū)離。

2應用案例

此為電動汽車集成一體式充電站的實際工程驗證，該充電站占地面積約900m2，設有18個充電車位，還配置有休息室，道路四周環(huán)繞，進出方便。充電設備采用了充電堆+分體式直流充電樁的方案，共設14支分體式直流充電樁，單樁額定功率250kW，充電堆功率為600kW，通過矩陣式柔性分配技術，為分體式直流充電樁輸出*佳充電功率。此外，該充電站還設有4支7kW的交流慢充樁，其電源主要由光伏儲能系統(tǒng)供電，為電動汽車供給綠色電能，提高經(jīng)濟效益的同時實現(xiàn)低碳減排，符合國家“雙碳"的目標，如圖5所示。

圖5開平海鴻集成一體式充電站

3安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

3.4 安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

3.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

3.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

3.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

3.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

3.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、 凍結(jié)和解綁。

3.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

3.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)束語

本文介紹了一種電動汽車集成一體式充電站，其占地面積小，并且集光、儲、充于一體，功能配置豐富，解決了傳統(tǒng)電動汽車充電站占地面積大、建設周期長、充電樁擴展難、資源利用率低等問題。另外，一體式設計減少了土建面積，不但降低了投資，還能為充電站增加更多的車位，大大提高了充電站的效益；另一方面，運營商在場站遷移時可對整套設備進行搬遷，大大減少了損失。實際運行案例證明了該設計方案的運行可靠。

參考文獻

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