淺談新能源電動汽車充電樁與配電站合建的研究與應(yīng)用

安科瑞 陳聰

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，并且在近些年來，得益于國家政策的支持，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展的機(jī)會，已經(jīng)成為推動綠色低碳循環(huán)發(fā)展、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和滿足群眾出行需求的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。我國各地都頒布了與電動汽車相關(guān)的政策，使得電動汽車的保有量迅速增加。部分地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，提供了充足的充電樁，但在充電樁運(yùn)行之時(shí)，有時(shí)會發(fā)生通信、安全等方面的技術(shù)性問題，不利于對電動汽車的電能補(bǔ)充。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要的技術(shù)問題，運(yùn)用適宜的充電樁技術(shù)，保證充電樁的使用效果。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)；配電站；電動汽車；充電樁；分布式

0 引言

在我國提倡“雙碳”、綠色環(huán)保等的環(huán)境中，電動汽車符合社會發(fā)展實(shí)際情況，逐漸走入了大眾的視野。為了確保電動汽車的正常行駛和長期運(yùn)行，充電樁這種將電能從電網(wǎng)轉(zhuǎn)換到車載電池的設(shè)備成為*不可少的保障。在使用電動汽車充電樁時(shí)，涉及到多種技術(shù)，其中對充電樁的配置和安裝尤為重要。因此，本文將對電動汽車充電樁進(jìn)行概述，并詳細(xì)分析充電樁的配置和安裝問題。

1 充電樁的概述

1.1充電樁的功能和分類

目前我國大多數(shù)電動汽車充電樁主要安裝在公共場所，還有在住宅、小區(qū)的停車場也逐漸普及。充電樁可以在墻面、地面等位置上加以固定，便于電動汽車完成充電動作，還能參照不同類型的電動汽車，選擇差異性的電壓等級，提高了充電的效率和質(zhì)量。充電樁輸入端口處可以同交流電網(wǎng)進(jìn)行連接，而在輸出端口處則通過充電口或感應(yīng)區(qū)開展充電工作，因此充電樁從技術(shù)路線可分為傳導(dǎo)式和無線充電樁。隨著多年技術(shù)進(jìn)步和實(shí)踐應(yīng)用，傳導(dǎo)式充電已經(jīng)取得了顯著的成效。

效率和成本等方面對無線充電形成了巨大的優(yōu)勢，因此本文主要討論傳導(dǎo)式充電樁所涉及的技術(shù)。根據(jù)不同地點(diǎn)，充電樁可分為公共、專用兩類；根據(jù)安裝方法，可將其劃分為懸空懸吊和墻面懸吊兩種類型。如果按照充電方式分類，則主要分為交流式、直流式兩種。

1.2優(yōu)化充電樁相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的意義

為了推進(jìn)我國環(huán)境保護(hù)事業(yè)發(fā)展的進(jìn)程，電動汽車成為當(dāng)前人們出行的重要交通工具，而此類汽車的能源補(bǔ)給則和充電樁密切相關(guān)。如果充電樁的供應(yīng)存在缺陷，將會對人們及時(shí)為汽車充電產(chǎn)生不利影響，從而降低電動汽車的普及率和購買率。我國部分地區(qū)中現(xiàn)階段仍然缺少對充電樁及其相關(guān)技術(shù)的使用，或技術(shù)運(yùn)用的水平較低，造成人們無法盡快找到充電樁，從而阻礙了我國環(huán)保工作的開展，也說明了充電樁的普及和充電樁有關(guān)技術(shù)的靈活運(yùn)用，是我國達(dá)成“雙碳”目標(biāo)、提升環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。

1.3充電樁充電管理技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)屬于一類儲能式綜合技術(shù)，其核心部分采用DSP控制芯片，通過軟件實(shí)現(xiàn)電池電壓、荷電狀態(tài)、電流、充放電溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)功率的有效調(diào)節(jié)，從而確保電池能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)充電和放電。通過DSP采集的電反饋信號，可以將其與預(yù)先設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，從而根據(jù)誤差信息來控制PI的變化。利用DSP技術(shù)，可以將三角載波與PI調(diào)節(jié)模塊相比較，從而產(chǎn)生PWM驅(qū)動，這樣就可以在Buck變換設(shè)備的幫助下，有效地控制占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定壓力。在對光耦輸出電路設(shè)計(jì)之時(shí)，需要對PWM光波電路進(jìn)行了解，對STM32-體式輸出光波電壓進(jìn)行控制，在正常運(yùn)行范圍內(nèi)輸出光耦。為了其他光波不會對PWM光波產(chǎn)生影響，還要對光耦電路輸出進(jìn)行隔離管理。在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，主要會利用光耦模塊，對于系統(tǒng)內(nèi)的RS485收發(fā)器芯片展開設(shè)計(jì)，結(jié)合電源管理、電源獨(dú)立接地線兩個(gè)模塊，迅速找到通信功能設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，使通信系統(tǒng)的安全性得到保證。為了保證充電的安全性，通常需要對充電樁充電進(jìn)行檢查。在檢查時(shí)候，首先需要仔細(xì)檢查所有的接口，并確保它們都已經(jīng)被正常地連接。然后記錄下所有與充電連接裝置和供電功率有關(guān)的信息，并迅速進(jìn)行精細(xì)的監(jiān)控。為了保證充電的順利進(jìn)行，建議采用充電電纜來連接充電樁與電動汽車。在進(jìn)行充電時(shí)，還需要記錄充電樁的變化情況，并檢查電壓是否符合標(biāo)準(zhǔn)。通過采用PWM技術(shù)，可以準(zhǔn)確控制充電樁的電流，從而有效地提升充電管理的效率，確保充電樁的穩(wěn)定性和安全性。

2 配電站與電動汽車充電樁合建的必要性及可行性分析

（1）隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，資源浪費(fèi)也越來越嚴(yán)重，我國電力供應(yīng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是在用電高峰時(shí)期，缺電現(xiàn)象更加突出。因此，推動清潔能源的發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

（2）電動汽車具有*排放無污染的特點(diǎn)，其使用不僅有利于緩解當(dāng)前日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，還有助于降低石油進(jìn)口依賴度，增強(qiáng)國際競爭力。

（3）電動汽車的普及離不開配套設(shè)施的支撐，其中重要的就是充電設(shè)施。然而，現(xiàn)有的公共充電設(shè)施數(shù)量不足且布局不合理，難以滿足人們的日常需要。此外，私人充電樁價(jià)格昂貴，普通居民很難負(fù)擔(dān)得起。因此，加快充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迫在眉睫。

（4）配電站與電動汽車充電樁合建符合國家政策要求，順應(yīng)時(shí)代潮流，具備良好的市場前景。

（5）配電站與電動汽車充電樁合建充分利用了配電站原有場地，節(jié)省了大量成本投入，有效地提升了企業(yè)效益。

3針對10kV（20kV）配電站的構(gòu)建

在我國的配電網(wǎng)絡(luò)中，主變壓器的容量范圍在10kV之間，進(jìn)出線的數(shù)量為1～2回，而低壓出線的數(shù)量則為4～8回。為了滿足電動汽車充電樁的需求，在保持配電站建筑面積不變的前提下進(jìn)行了電氣配置。鑒于傳統(tǒng)的慢充和應(yīng)急快充的不同，10kV（20kV）配電站內(nèi)的充電樁（機(jī)）設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)按照表1的要求進(jìn)行分類，以確保充電的安全性和可靠性。而在具有充電功能的10kV（20kV）配電站中，配電站通常由電氣和充電樁土建這兩個(gè)部分構(gòu)成。

表 1 結(jié)合 10kV(20kV)配電站的充電樁(機(jī))設(shè)計(jì)方案分類表

3.1電氣部分

在電氣部分中，充電樁配電時(shí)，需要對10kV(20kV)配電配電站設(shè)置獨(dú)立的配電室或配電間，配電室內(nèi)安裝有計(jì)量裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測儀、繼電保護(hù)裝置以及其他輔助設(shè)備。為了解決常規(guī)慢充和應(yīng)急快充的差異，一般選擇1樁1充的方式，并配備了APF單元，這樣可以在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行補(bǔ)償，而且它的體積更小，可以進(jìn)行分散安裝[3]。而對應(yīng)的電氣方案的一次選擇中，一般可以分為電源接入方案、電氣主接線接入、短路電流控制水平及主要設(shè)備選型以及主變?nèi)萘窟@四個(gè)內(nèi)容。在電源接入方案中，10kV(20kV)配電站宜采用單母線分段接線形式。當(dāng)線路較長時(shí)，宜采用雙母線接線形式。10kV(20kV)配電站進(jìn)線開關(guān)柜至負(fù)荷中心距離不宜超過6km。使用10kV高壓配電系統(tǒng)，并通過220V/380V交流輸入。在電氣主接線接入中，為了提高配電系統(tǒng)的可靠性和安全性，則需要將10kV配電裝置和配變進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并在其中加入充電樁。而在短路電流控制水平及主要設(shè)備選型中，當(dāng)10kV(20kV)配電站正常工作時(shí)，三相短路電流不應(yīng)大于額定電流的1.3倍。10kV(20kV)配電站正常工作時(shí)，單相接地故障電流不大于允許值。380V短路電流水平分別按50kA考慮。在主變?nèi)萘恐校?0kV(20kV)配電站高壓側(cè)電壓等級選擇時(shí)，如果變電站位于海拔較低的地方，那么可以使用11OkV或35kV電壓等級。主變壓器的容量一般在2000kVA之間，但如果充電樁的總負(fù)載超過了100kW，那么就需要額外設(shè)置配電變壓器來滿足需求。

在對應(yīng)的電氣方案的二次選擇中，可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行，首先是對終端的控制時(shí)，該充電樁采用了新的人機(jī)交互技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)顯示多種狀態(tài)的信息，包括運(yùn)行狀態(tài)、充電電量、計(jì)費(fèi)信息等，每個(gè)字符的準(zhǔn)確性令人印象深刻，此外，還支持手動調(diào)整參數(shù)和控制，讓操作變得更加簡單、高效。采用技術(shù)，如安裝在充電樁內(nèi)的電能表，不僅可以準(zhǔn)確地監(jiān)控充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，而且還可以方便快捷地進(jìn)行實(shí)地監(jiān)控。對于IC卡讀卡裝置位于充電樁的底座，可以與外接的電力設(shè)備進(jìn)行通信，也能通過IC卡實(shí)現(xiàn)對充電過程的監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)對充電費(fèi)用的準(zhǔn)確計(jì)算。其次是通信系統(tǒng)中，借助配電站的方式，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的及時(shí)上傳。后是接地時(shí)，為了確保充電樁的安全性，采用了N-S系統(tǒng)，并且要求所有金屬外殼都具備可靠的接地。此外，采用了落地式或壁掛式安裝方式，有利于確保充電樁的穩(wěn)定性。

3.2充電樁土建部分

充電樁土建部分的構(gòu)建中，借助交流充電樁的落地式或者掛壁進(jìn)行安裝時(shí)，能夠使直流充電機(jī)采用落地式的方式實(shí)現(xiàn)的安裝需求。通常充電樁土建部分的安裝設(shè)計(jì)可以從以下兩個(gè)方面展開，首先是對落地式充電樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。為了提高配電站的可靠性，在配電站的外部設(shè)置了一個(gè)鋼筋混凝土充電樁基礎(chǔ)。這個(gè)樁需要保持外部尺寸為0.8米0.8mx1.0m米，基坑的地面高度是0.5m，地面下方的凈深是1.0m。而基礎(chǔ)做法則是為了保證溝壁和溝底的穩(wěn)定性，采用了厚度為0.3m的C30鋼筋混凝土，并在其上鋪設(shè)了厚度為C15的鋼筋混凝土墊層。同時(shí)還需要在基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋了UPVC管，如果地基不良，那么需要進(jìn)行處理后再進(jìn)行基礎(chǔ)施工。其次是對壁掛式充電樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保配電站的安全可靠運(yùn)行，在配電站外角落位置設(shè)置了鋼筋鹼充電樁基礎(chǔ)，并在其上安裝了壁掛式充電樁，其外包尺寸為0.6mx1.0m，基坑地面高度為0.5m，地面以下凈深為1.0m，并且預(yù)留了UPVC管穿電纜，以確保充電樁的安全可靠運(yùn)行

4 10kV(20kV)配電站充電樁合建中的配置

4.1充電樁的配置

在本工程中，需要配置了7臺10kV（20kV）配電站，每個(gè)配電站內(nèi)設(shè)置了兩組充電樁，一組用于常規(guī)慢充，另一組用于應(yīng)急快速充電。為了滿足不同的用電需求，通常需要在10kV室內(nèi)配電站中配置了1～3臺直流充電機(jī)和1～10臺交流充電機(jī)。其中1臺擁有7kW的交流充電樁，旨在滿足小型電動汽車的充電需求，該設(shè)備采用220V進(jìn)線，可以安裝在實(shí)體建筑物的底部，也可以安裝在室內(nèi)墻面上，并盡可能接近汽車的停放位置[4]。而另外1臺一體化直流充電機(jī)，具有40kW的輸出，能夠?yàn)樾⌒碗妱悠囂峁┏潆姺?wù)，電機(jī)直接使用380V的直流電源，由于是固定安裝，因此具有方便移動的特點(diǎn)，而在這個(gè)過程中，還能夠根據(jù)實(shí)際情況放置在停車場的邊緣。

4.2充電樁的布置

在10kV（20kV）配電站中，不僅可以在不影響建筑外觀的情況下，安裝1～8臺交流壁掛式充電機(jī)，還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。另外，采用落地式充電樁，不管是高壓還是低壓，均可以輕松實(shí)現(xiàn)。為了提高效率，將落地式交流充電樁的數(shù)量減少到少，并將它們集中到一個(gè)樁群里。這樣就能夠?qū)⒊潆姌斗謩e放到不同的充電樁上，但由于充電樁的數(shù)量很多，所以也可以使用單獨(dú)的回路。

5經(jīng)濟(jì)比較

以設(shè)5臺7kW交流充電樁，1臺40kW直流充電樁為例。10kV室內(nèi)配電站與分布式電動汽車充電樁合建和單建充電樁電源材料費(fèi)用如表2所示。由此可見，10kV（20kV）配電站與分布式電動汽車充電樁合建方案的成本明顯低于單建方案，這一數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單建方案的10%，這一明顯的差距使得合建方案的成本更加合理。另外，由于合建方案減少了占地

面積，因此也節(jié)省了土地資源。[5]經(jīng)過分析，10kV（20kV）配電站和分布式電動汽車充電樁的合建方案具有顯著的優(yōu)勢，它既能夠節(jié)約成本，又能夠迅速實(shí)現(xiàn)，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)保，因此具有很高的實(shí)施價(jià)值，值得被普遍采納。

表2 10kV（20kV）配電站分布式電動汽車充電樁合建材料費(fèi)用表

6安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)選型方案

6.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)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。

6.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

6.3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(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)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(fèi)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(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

6.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

6.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)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(shè)備使用率，合理分配資源。

6.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)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。

6.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)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(xì)信息。

6.4.4故障管理

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

6.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

6.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

6.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

6.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)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。

6.5系統(tǒng)硬件配置

7結(jié)語

隨著“綠色出行”的推行，充電基礎(chǔ)設(shè)施的供求關(guān)系出現(xiàn)了嚴(yán)重的失衡，為此，本文提出了一種新型的配電站與電動汽車充電樁合建模式，它不僅可以充分利用現(xiàn)有配電站資源，節(jié)約投資，減少占地面積，而且還可以有效解決電動汽車無序充電帶來的安全隱患問題。“綠色出行”電動汽車充電樁的需求分布廣泛，但不集中，因此，建設(shè)10kV室內(nèi)配電站和分布式電動汽車充電樁臺可以有效解決電源短缺、土地緊張以及分布范圍廣泛等問題，為“綠色出行”推廣應(yīng)用提供了一種可復(fù)制的新模式，從而大大擴(kuò)大了推廣范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]李彩紅.配電站與電動汽車充電樁合建的應(yīng)用研究.

[2]李忠虎,王瀟霈.基于虛擬儀器的便攜式非車載直流充電樁檢測裝置設(shè)計(jì)[J].電子制

作,2022,30(1):82-84.

[3]李浩,陳鈺,俞璐,等.實(shí)際數(shù)據(jù)驅(qū)動的純電動汽車途中充電潛在偏好行為分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,50(1):104-113.

[4]陳黎軍,宋遠(yuǎn)軍,王坤,等.考慮參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的電動汽車有序充電研究[J].電力需求側(cè)管理,2022,24(1):34-41.

[5]魏一凡,韓雪冰,盧蘭光,等.面向碳中和的新能源汽車與車網(wǎng)互動技術(shù)展望[J].汽車工

程,2022,44(4):449-464.

[6]楊璧浩,景瑋婕,李慧琳,等.電動汽車電樁建設(shè)發(fā)展困境及治理機(jī)制研究[J].物流工程與管理,2022,44(4):33-35.

[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05版