電動汽車蓄電池充電機設計難點分析與解決方案
2018-6-27 9:51:59??????點擊：
近年來，我國相繼發布電動汽車和充電建設補貼政策，蓄電池充電機建設處在迅速擴張階段，但由于蓄電池充電機設計方案不合理，出現了蓄電池充電機投資高、效率低的尷尬境地。
本文對蓄電池充電機總平布置、充電機的選擇、變壓器容量選擇中的難點進行分析：通過對充電車位的停車方式和站區交通組織分析，針對充電接中位置不同車輛和不同站區自然地形，提出了合理的蓄電池充電機總平布置方案。
通過對廈門蓄電池充電機的充電機參數、廈門市乘用車主要車型充電參數分析，提出了充電選型方案對比分析，給出充電機選擇的優化方案。通過對蓄電池充電機的充電機負荷系數、變壓器運行數據進行分析，給出適合公共蓄電池充電機的充電機需要系數值，最終合理選擇蓄電池充電機配電變壓器容量。
我國能源發展堅持“節約、清潔、安全”的戰略方針，加快構建清潔、高效、安全、可持續的現代能源體系，重點實施節約優先、立足國內、綠色低碳、創新驅動四大戰略[1]。
車用能源的穩定、清潔供應成為我國經濟社會發展的戰略問題，也日益成為人民群眾關注的焦點。發展電動汽車、實現汽車能源動力系統的電氣化，推動傳統汽車產業的戰略轉型，已經形成了潮流。
我國相繼發布電動汽車發展戰略和國家計劃，發布電動汽車和充電設施建設的補貼政策，進一步為產業發展指明方向。蓄電池充電機建設處在迅速擴張階段，但由于蓄電池充電機設計方案不合理，出現了蓄電池充電機投資高、受益低的尷尬境地，其對蓄電池充電機重點中的難點進行剖析，尋找更優蓄電池充電機設計方案迫在眉睫。
電動汽車蓄電池充電機設計重點包括：蓄電池充電機總平布置、充電系統、供配電系統、監控系統及通信、土建及消防、輔助功能區等。其蓄電池充電機總布置涉及站區充電車位布置和交通組織、充電系統中涉及充電機選擇、供配電系統中配電變壓器容量選擇是蓄電池充電機設計中的難點。
1 蓄電池充電機總平布置
蓄電池充電機包括站內建筑、站內外行車道、充電區、臨時停車區及供配電設施等。站區總布置應滿足總體規劃要求，并應符合站內工藝布置合理、功能區分區合理明確、充電高峰時的交通組織應安全、便捷、順暢。
蓄電池充電機充電車位布置和站內交通組織與停車場（庫）設計極為相似，但也有蓄電池充電機自身特點，其兩者相同和不同對比分析見表1。
表1 蓄電池充電機與停車場（庫）對比表
從表1中可以看出，蓄電池充電機建設不僅要考慮常規停車場（庫）設計標準，而且還要考慮服務電動汽車充電接口位置、充電機類型、供配電設備布置及電纜管溝布置等，在蓄電池充電機設計中，服務車輛充電接口位置成為蓄電池充電機總平布置中的難點。
蓄電池充電機服務車輛的充電接口位置決定停車方式，而停車方式又決定了通（停）車道最小寬度和交通組織。根據服務車輛的充電接口位置和蓄電池充電機總平自然地形情況，選擇適合停車方式、交通組織及蓄電池充電機出入口，其方案選擇見表2。
2 充電機選擇
蓄電池充電機按服務車輛類型不同可分公共蓄電池充電機、專用蓄電池充電機。專用蓄電池充電機屬固定服務車輛的蓄電池充電機，充電機選擇可按服務車輛電池參數，準確地選擇充電機額定功率、充電電壓和充電電流，充電機的有效充電功率近乎等于充電機額定功率。因此，專用蓄電池充電機充電機選擇較為簡單。
公共蓄電池充電機屬無固定服務車輛的蓄電池充電機，必須能夠滿足進入市場的各種電壓等級的電動汽車充電需求[7]。文獻[3]規定電動汽車高壓系統標準電壓：144V、288V、317V、346V、400V、576V，但各汽車廠商分布許多非標準電壓的電動汽車，這樣，公共蓄電池充電機充電機的選擇更為復雜，且不確定性。因此，本文重點對公共蓄電池充電機充電機選擇進行分析。
表2 蓄電池充電機充電車位及交通組織方案表
目前廈門市乘用車充電主力是出租和網約車：比亞迪e5、北汽EV200、吉利帝豪EV，其車輛充電參數見表3。
表3 廈門蓄電池充電機的車充電參數表
從表3中可看出，采用同一恒電流充電機對3種不同充電電壓車型充電時，充電電壓越高充電功率越高，充電電壓越低充電功率越低。由此可見，倘若能準確選擇充電機的充電電壓，或者充電機能恒功率充電，就能提高充電功率，其具體方案分析如下。
1）方案一：選擇2～3個充電電壓的充電機，一個規格對一種車型或充電參數相近的幾種車型充電[7]，但充電區域應設車輛引導充電標識，但該方案可能出現充電機配比與實時充電車輛不匹配，造成部分充電機閑置，充電車輛卻在排隊。
2）方案二：選用恒功率充電機。由于現階段的恒功率電壓范小，充電功率提高有限。例如選擇60kW充電機，充電電壓：300～600V，600～750V（恒功率），最大充電電流：100A。這樣還是會出現部分充電車輛的充電功率偏低的現象。
文獻[4]規定充電機額定電流和額定電壓。文獻[5]規定充電機輸出電壓和電流。文獻[6]規定直流充電接口的額定值，3個文獻規定的額定值見表4。
綜合上述分析與規定，公共蓄電池充電機充電機選擇可采用表中方案一和方案二中優點進行組合配置，即是：①選擇部分充電功率：60kW，充電電壓：200～400V，400～500V，最大充電電流：150A，以滿足類似于北汽EV200的充電電壓較低的乘用車快速充電需求；②選擇部分充電機功率：60kW，充電電壓：300～600V，600～750V（恒功率），最大充電電流：100A，以滿足類似于比亞迪的充電電壓高的乘用車快速充電需求，充電高峰時作為似于北汽EV200的充電電壓較低的乘用車充電補充。
表4 直流充電機的充電電壓和充電電流值
3 蓄電池充電機配電變壓器容量選擇
1）充電機需要系數選取
通常來說，DC-DC變換器的效率?s高于96%，可認為是理想變換器將其損耗忽略不計，線路效率?L的一般為0.95～0.98，且供電線路較短，其損耗可忽略不計。
負荷系數Ks與充電機類型、服務車輛需求有關，從充電機的選擇分析中可以看出，專用充電機的負荷系數Ks相對比較高，公共充電機的負荷系數Ks較低。
同時，運行系數Kt與電動汽車的充電需求及車樁比有關，充電需求與電動車的續駛里程、日行駛里程、開始充電時間有關。
廈門現階段主要充電車是出租車和網約車。出租車采用兩班制運營方式，每天日行駛里程在300km左右，車每天充電2～4次，主要是飯間、休息和換班前快充補電[9]；網約車每天行駛里程在200km左右，每天充電2～3次，主要是飯間、休息及出行低谷期。
因此，充電時間集中，廈門島內交通便利蓄電池充電機出現爆滿排隊充電現象，此類的充電高峰期無法錯開，其同時運行系數Kt應取1。
綜合上述分析，公共蓄電池充電機需要系數主要取決于充電機負荷系數Ks，除了上述與充電機類型、服務車輛需求有關外，從表5中可看出，同一功率配置不同充電電壓和充電流，對同一車類型充電時最大的負荷系數是不同的。
表5 電動汽車充電參數表
從圖1中可看出，實際充電曲線是由充電電流曲線和充電電壓曲線組成，其整個充電過程中動態跟蹤蓄電池可接受的充電電流，即充電機根據電池的充電狀態確定充電參數，使充電電流始終保持在電池可接受的充電電流曲線附近。
從圖1中還可看出，充電過程一般分為4個階段：①SOC在0～10%時，充電電流較大，充電電壓先有一小幅跳變后急劇上升；②SOC在10%～80%時，充電電流繼續保持，充電電壓緩慢升高；③SOC在80%～98%時，充電電流急劇下降，充電電壓繼續逐步升高；④SOC在98%～100%時，充電電流微小保持，充電電壓又再次急劇升高；表5中最大充電功率在實際充電過程中不會出現。
同時，在充電過程中，充電電流電壓還受到電池溫度和環境溫度影響，某一車型在同一充電機上每一次充電時的負荷系數Ks是不同的。
圖1 電動汽車的充電曲線
廈門現有蓄電池充電機的變壓器運行數據也驗證上述分析。根據國網車聯網平臺統計，廈門目前蓄電池充電機的充電熱度（充電量）排在全國前8位，廈門島內的華榮蓄電池充電機和雙涵蓄電池充電機的充量車輛經常出現排隊現象，但這兩個站蓄電池充電機的變壓器負載率卻不高。其運行數據見表6。
表6 蓄電池充電機配電變壓器運行數據表
綜合上述蓄電池充電機運行數據、充電參數及充電曲線分析，公共蓄電池充電機充電機負荷系數可取0.37～0.44，根據式（2），考慮充電機效率?s、同時運行系數Kt、線路效率?L后，充電機的需要系數可取0.45，考慮今后充電機真正實現恒功率，可提高充電機負荷系數，充電機需要系數上限可取0.7。
2）變壓器容量選擇
4 結論
通過對蓄電池充電機設計重點中的難點分析，提出現階段行之有效的設計方案，以降低項目投資，提高蓄電池充電機充電效率。
1）通過對充電車位的停車方式和站區交通組織分析，針對充電接中位置不同車輛和不同站區自然地形，選擇不同停車方式和交通組織方案，以合理確定總平布置。
2）通過對廈門現有蓄電池充電機的充電機參數和充電主力車型充電參數的分析，提出公共蓄電池充電機可選擇2～3種規格恒功率充電機。
3）通過對蓄電池充電機的充電機負荷系數、變壓器運行數據進行分析，給出公共蓄電池充電機的充電機需要系數可取0.45～0.7，以合理選擇變壓器容量。
近年來，我國電動汽車發展和蓄電池充電機充電設施的建設都取得長足進步，但電動汽車廠商推出電動汽車動力電池參數差異較大及充電接口位置不同，充電機還未真正實現全范圍恒功率等因素制約行業的健康發展，只有同類型電動汽車動力電池參數趨于標準化，充電機真正實現恒功率，才能有效消除了因為車輛充電電流電壓和充電接口位置差異等不確定因素。
因此，現有階段只能通過深度剖析蓄電池充電機重點中的難點，優化蓄電池充電機設計方案，才能提高蓄電池充電機的投資效益，吸引更多的社會資金和力量參與蓄電池充電機建設。
本文對蓄電池充電機總平布置、充電機的選擇、變壓器容量選擇中的難點進行分析：通過對充電車位的停車方式和站區交通組織分析，針對充電接中位置不同車輛和不同站區自然地形，提出了合理的蓄電池充電機總平布置方案。
通過對廈門蓄電池充電機的充電機參數、廈門市乘用車主要車型充電參數分析，提出了充電選型方案對比分析，給出充電機選擇的優化方案。通過對蓄電池充電機的充電機負荷系數、變壓器運行數據進行分析，給出適合公共蓄電池充電機的充電機需要系數值，最終合理選擇蓄電池充電機配電變壓器容量。
我國能源發展堅持“節約、清潔、安全”的戰略方針，加快構建清潔、高效、安全、可持續的現代能源體系，重點實施節約優先、立足國內、綠色低碳、創新驅動四大戰略[1]。
車用能源的穩定、清潔供應成為我國經濟社會發展的戰略問題，也日益成為人民群眾關注的焦點。發展電動汽車、實現汽車能源動力系統的電氣化，推動傳統汽車產業的戰略轉型，已經形成了潮流。
我國相繼發布電動汽車發展戰略和國家計劃，發布電動汽車和充電設施建設的補貼政策，進一步為產業發展指明方向。蓄電池充電機建設處在迅速擴張階段，但由于蓄電池充電機設計方案不合理，出現了蓄電池充電機投資高、受益低的尷尬境地，其對蓄電池充電機重點中的難點進行剖析，尋找更優蓄電池充電機設計方案迫在眉睫。
電動汽車蓄電池充電機設計重點包括：蓄電池充電機總平布置、充電系統、供配電系統、監控系統及通信、土建及消防、輔助功能區等。其蓄電池充電機總布置涉及站區充電車位布置和交通組織、充電系統中涉及充電機選擇、供配電系統中配電變壓器容量選擇是蓄電池充電機設計中的難點。
1 蓄電池充電機總平布置
蓄電池充電機包括站內建筑、站內外行車道、充電區、臨時停車區及供配電設施等。站區總布置應滿足總體規劃要求，并應符合站內工藝布置合理、功能區分區合理明確、充電高峰時的交通組織應安全、便捷、順暢。
蓄電池充電機充電車位布置和站內交通組織與停車場（庫）設計極為相似，但也有蓄電池充電機自身特點，其兩者相同和不同對比分析見表1。
表1 蓄電池充電機與停車場（庫）對比表
從表1中可以看出，蓄電池充電機建設不僅要考慮常規停車場（庫）設計標準，而且還要考慮服務電動汽車充電接口位置、充電機類型、供配電設備布置及電纜管溝布置等，在蓄電池充電機設計中，服務車輛充電接口位置成為蓄電池充電機總平布置中的難點。
蓄電池充電機服務車輛的充電接口位置決定停車方式，而停車方式又決定了通（停）車道最小寬度和交通組織。根據服務車輛的充電接口位置和蓄電池充電機總平自然地形情況，選擇適合停車方式、交通組織及蓄電池充電機出入口，其方案選擇見表2。
2 充電機選擇
蓄電池充電機按服務車輛類型不同可分公共蓄電池充電機、專用蓄電池充電機。專用蓄電池充電機屬固定服務車輛的蓄電池充電機，充電機選擇可按服務車輛電池參數，準確地選擇充電機額定功率、充電電壓和充電電流，充電機的有效充電功率近乎等于充電機額定功率。因此，專用蓄電池充電機充電機選擇較為簡單。
公共蓄電池充電機屬無固定服務車輛的蓄電池充電機，必須能夠滿足進入市場的各種電壓等級的電動汽車充電需求[7]。文獻[3]規定電動汽車高壓系統標準電壓：144V、288V、317V、346V、400V、576V，但各汽車廠商分布許多非標準電壓的電動汽車，這樣，公共蓄電池充電機充電機的選擇更為復雜，且不確定性。因此，本文重點對公共蓄電池充電機充電機選擇進行分析。
表2 蓄電池充電機充電車位及交通組織方案表
目前廈門市乘用車充電主力是出租和網約車：比亞迪e5、北汽EV200、吉利帝豪EV，其車輛充電參數見表3。
表3 廈門蓄電池充電機的車充電參數表
從表3中可看出，采用同一恒電流充電機對3種不同充電電壓車型充電時，充電電壓越高充電功率越高，充電電壓越低充電功率越低。由此可見，倘若能準確選擇充電機的充電電壓，或者充電機能恒功率充電，就能提高充電功率，其具體方案分析如下。
1）方案一：選擇2～3個充電電壓的充電機，一個規格對一種車型或充電參數相近的幾種車型充電[7]，但充電區域應設車輛引導充電標識，但該方案可能出現充電機配比與實時充電車輛不匹配，造成部分充電機閑置，充電車輛卻在排隊。
2）方案二：選用恒功率充電機。由于現階段的恒功率電壓范小，充電功率提高有限。例如選擇60kW充電機，充電電壓：300～600V，600～750V（恒功率），最大充電電流：100A。這樣還是會出現部分充電車輛的充電功率偏低的現象。
文獻[4]規定充電機額定電流和額定電壓。文獻[5]規定充電機輸出電壓和電流。文獻[6]規定直流充電接口的額定值，3個文獻規定的額定值見表4。
綜合上述分析與規定，公共蓄電池充電機充電機選擇可采用表中方案一和方案二中優點進行組合配置，即是：①選擇部分充電功率：60kW，充電電壓：200～400V，400～500V，最大充電電流：150A，以滿足類似于北汽EV200的充電電壓較低的乘用車快速充電需求；②選擇部分充電機功率：60kW，充電電壓：300～600V，600～750V（恒功率），最大充電電流：100A，以滿足類似于比亞迪的充電電壓高的乘用車快速充電需求，充電高峰時作為似于北汽EV200的充電電壓較低的乘用車充電補充。
表4 直流充電機的充電電壓和充電電流值
3 蓄電池充電機配電變壓器容量選擇
1）充電機需要系數選取
通常來說，DC-DC變換器的效率?s高于96%，可認為是理想變換器將其損耗忽略不計，線路效率?L的一般為0.95～0.98，且供電線路較短，其損耗可忽略不計。
負荷系數Ks與充電機類型、服務車輛需求有關，從充電機的選擇分析中可以看出，專用充電機的負荷系數Ks相對比較高，公共充電機的負荷系數Ks較低。
同時，運行系數Kt與電動汽車的充電需求及車樁比有關，充電需求與電動車的續駛里程、日行駛里程、開始充電時間有關。
廈門現階段主要充電車是出租車和網約車。出租車采用兩班制運營方式，每天日行駛里程在300km左右，車每天充電2～4次，主要是飯間、休息和換班前快充補電[9]；網約車每天行駛里程在200km左右，每天充電2～3次，主要是飯間、休息及出行低谷期。
因此，充電時間集中，廈門島內交通便利蓄電池充電機出現爆滿排隊充電現象，此類的充電高峰期無法錯開，其同時運行系數Kt應取1。
綜合上述分析，公共蓄電池充電機需要系數主要取決于充電機負荷系數Ks，除了上述與充電機類型、服務車輛需求有關外，從表5中可看出，同一功率配置不同充電電壓和充電流，對同一車類型充電時最大的負荷系數是不同的。
表5 電動汽車充電參數表
從圖1中可看出，實際充電曲線是由充電電流曲線和充電電壓曲線組成，其整個充電過程中動態跟蹤蓄電池可接受的充電電流，即充電機根據電池的充電狀態確定充電參數，使充電電流始終保持在電池可接受的充電電流曲線附近。
從圖1中還可看出，充電過程一般分為4個階段：①SOC在0～10%時，充電電流較大，充電電壓先有一小幅跳變后急劇上升；②SOC在10%～80%時，充電電流繼續保持，充電電壓緩慢升高；③SOC在80%～98%時，充電電流急劇下降，充電電壓繼續逐步升高；④SOC在98%～100%時，充電電流微小保持，充電電壓又再次急劇升高；表5中最大充電功率在實際充電過程中不會出現。
同時，在充電過程中，充電電流電壓還受到電池溫度和環境溫度影響，某一車型在同一充電機上每一次充電時的負荷系數Ks是不同的。
圖1 電動汽車的充電曲線
廈門現有蓄電池充電機的變壓器運行數據也驗證上述分析。根據國網車聯網平臺統計，廈門目前蓄電池充電機的充電熱度（充電量）排在全國前8位，廈門島內的華榮蓄電池充電機和雙涵蓄電池充電機的充量車輛經常出現排隊現象，但這兩個站蓄電池充電機的變壓器負載率卻不高。其運行數據見表6。
表6 蓄電池充電機配電變壓器運行數據表
綜合上述蓄電池充電機運行數據、充電參數及充電曲線分析，公共蓄電池充電機充電機負荷系數可取0.37～0.44，根據式（2），考慮充電機效率?s、同時運行系數Kt、線路效率?L后，充電機的需要系數可取0.45，考慮今后充電機真正實現恒功率，可提高充電機負荷系數，充電機需要系數上限可取0.7。
2）變壓器容量選擇
4 結論
通過對蓄電池充電機設計重點中的難點分析，提出現階段行之有效的設計方案，以降低項目投資，提高蓄電池充電機充電效率。
1）通過對充電車位的停車方式和站區交通組織分析，針對充電接中位置不同車輛和不同站區自然地形，選擇不同停車方式和交通組織方案，以合理確定總平布置。
2）通過對廈門現有蓄電池充電機的充電機參數和充電主力車型充電參數的分析，提出公共蓄電池充電機可選擇2～3種規格恒功率充電機。
3）通過對蓄電池充電機的充電機負荷系數、變壓器運行數據進行分析，給出公共蓄電池充電機的充電機需要系數可取0.45～0.7，以合理選擇變壓器容量。
近年來，我國電動汽車發展和蓄電池充電機充電設施的建設都取得長足進步，但電動汽車廠商推出電動汽車動力電池參數差異較大及充電接口位置不同，充電機還未真正實現全范圍恒功率等因素制約行業的健康發展，只有同類型電動汽車動力電池參數趨于標準化，充電機真正實現恒功率，才能有效消除了因為車輛充電電流電壓和充電接口位置差異等不確定因素。
因此，現有階段只能通過深度剖析蓄電池充電機重點中的難點，優化蓄電池充電機設計方案，才能提高蓄電池充電機的投資效益，吸引更多的社會資金和力量參與蓄電池充電機建設。
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