电动汽车充电站设计难点分析与解决方案
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厦门电力勘察设计院有限公司的研究人员郭国太，在2018年第5期《电气技术》杂志上撰文指出，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。
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
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
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。
表3 厦门充电站的车充电参数表
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：①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；②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
3 充电站配电变压器容量选择
1）充电机需要系数选取
通常来说，DC-DC变换器的效率s高于96%，可认为是理想变换器将其损耗忽略不计，线路效率L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
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：①SOC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；②SOC在10%～80%时，充电电流继续保持，充电电压缓慢升高；③SOC在80%～98%时，充电电流急剧下降，充电电压继续逐步升高；④SOC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
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s、同时运行系数Kt、线路效率L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
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。