淺談新能源電動汽車充電樁與配電站合建的研究與應用

安科瑞 陳聰

摘要：隨著我國經(jīng)濟社會快速發(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)展的機會，已經(jīng)成為推動綠色低碳循環(huán)發(fā)展、促進生態(tài)文明建設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)的基礎設施較為完善，提供了充足的充電樁，但在充電樁運行之時，有時會發(fā)生通信、安全等方面的技術性問題，不利于對電動汽車的電能補充。因此，應當根據(jù)實際需要的技術問題，運用適宜的充電樁技術，保證充電樁的使用效果。

關鍵詞：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行，充電樁這種將電能從電網(wǎng)轉換到車載電池的設備成為*不可少的保障。在使用電動汽車充電樁時，涉及到多種技術，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行概述，并詳細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)進行連接，而在輸出端口處則通過充電口或感應區(qū)開展充電工作，因此充電樁從技術路線可分為傳導式和無線充電樁。隨著多年技術進步和實踐應用，傳導式充電已經(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式充電樁所涉及的技術。根據(jù)不同地點，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)化充電樁相關技術應用的意義

為了推進我國環(huán)境保護事業(yè)發(fā)展的進程，電動汽車成為當前人們出行的重要交通工具，而此類汽車的能源補給則和充電樁密切相關。如果充電樁的供應存在缺陷，將會對人們及時為汽車充電產(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技術的使用，或技術運用的水平較低，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技術的靈活運用，是我國達成“雙碳”目標、提升環(huán)境質(zhì)量的關鍵一環(huán)。

1.3充電樁充電管理技術

這項技術屬于一類儲能式綜合技術，其核心部分采用DSP控制芯片，通過軟件實現(xiàn)電池電壓、荷電狀態(tài)、電流、充放電溫度的實時監(jiān)測，并實現(xiàn)功率的有效調(diào)節(jié)，從而確保電池能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)充電和放電。通過DSP采集的電反饋信號，可以將其與預先設定的電壓值進行比較，從而根據(jù)誤差信息來控制PI的變化。利用DSP技術，可以將三角載波與PI調(diào)節(jié)模塊相比較，從而產(chǎn)生PWM驅動，這樣就可以在Buck變換設備的幫助下，有效地控制占空比，從而實現(xiàn)穩(wěn)定壓力。在對光耦輸出電路設計之時，需要對PWM光波電路進行了解，對STM32-體式輸出光波電壓進行控制，在正常運行范圍內(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行隔離管理。在通信系統(tǒng)設計上，主要會利用光耦模塊，對于系統(tǒng)內(nèi)的RS485收發(fā)器芯片展開設計，結合電源管理、電源獨立接地線兩個模塊，迅速找到通信功能設計的切入點，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行檢查。在檢查時候，首先需要仔細檢查所有的接口，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的信息，并迅速進行精細的監(jiān)控。為了保證充電的順利進行，建議采用充電電纜來連接充電樁與電動汽車。在進行充電時，還需要記錄充電樁的變化情況，并檢查電壓是否符合標準。通過采用PWM技術，可以準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)境污染日益嚴重，資源浪費也越來越嚴重，我國電力供應面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，尤其是在用電高峰時期，缺電現(xiàn)象更加突出。因此，推動清潔能源的發(fā)展已經(jīng)成為當務之急。

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

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

（4）配電站與電動汽車充電樁合建符合國家政策要求，順應時代潮流，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）配電站的構建

在我國的配電網(wǎng)絡中，主變壓器的容量范圍在10kV之間，進出線的數(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行了電氣配置。鑒于傳統(tǒng)的慢充和應急快充的不同，10kV（20kV）配電站內(nèi)的充電樁（機）設計應當按照表1的要求進行分類，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部分構成。

表 1 結合 10kV(20kV)配電站的充電樁(機)設計方案分類表

3.1電氣部分

在電氣部分中，充電樁配電時，需要對10kV(20kV)配電配電站設置獨立的配電室或配電間，配電室內(nèi)安裝有計量裝置、電能質(zhì)量監(jiān)測儀、繼電保護裝置以及其他輔助設備。為了解決常規(guī)慢充和應急快充的差異，一般選擇1樁1充的方式，并配備了APF單元，這樣可以在當?shù)剡M行補償，而且它的體積更小，可以進行分散安裝[3]。而對應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備選型以及主變?nèi)萘窟@四個內(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。當線路較長時，宜采用雙母線接線形式。10kV(20kV)配電站進線開關柜至負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配電裝置和配變進行重新設計，并在其中加入充電樁。而在短路電流控制水平及主要設備選型中，當10kV(20kV)配電站正常工作時，三相短路電流不應大于額定電流的1.3倍。10kV(20kV)配電站正常工作時，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)配電站高壓側電壓等級選擇時，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載超過了100kW，那么就需要額外設置配電變壓器來滿足需求。

在對應的電氣方案的二次選擇中，可以從以下三個方面進行，首先是對終端的控制時，該充電樁采用了新的人機交互技術，能夠實時顯示多種狀態(tài)的信息，包括運行狀態(tài)、充電電量、計費信息等，每個字符的準確性令人印象深刻，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，如安裝在充電樁內(nèi)的電能表，不僅可以準確地監(jiān)控充電樁的運行狀態(tài)，而且還可以方便快捷地進行實地監(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備進行通信，也能通過IC卡實現(xiàn)對充電過程的監(jiān)測，從而實現(xiàn)對充電費用的準確計算。其次是通信系統(tǒng)中，借助配電站的方式，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的及時上傳。后是接地時，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建中，借助交流充電樁的落地式或者掛壁進行安裝時，能夠使直流充電機采用落地式的方式實現(xiàn)的安裝需求。通常充電樁土建部分的安裝設計可以從以下兩個方面展開，首先是對落地式充電樁基礎設計。為了提高配電站的可靠性，在配電站的外部設置了一個鋼筋混凝土充電樁基礎。這個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，并在其上鋪設了厚度為C15的鋼筋混凝土墊層。同時還需要在基礎內(nèi)預埋了UPVC管，如果地基不良，那么需要進行處理后再進行基礎施工。其次是對壁掛式充電樁基礎設計時，為了確保配電站的安全可靠運行，在配電站外角落位置設置了鋼筋鹼充電樁基礎，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，并且預留了UPVC管穿電纜，以確保充電樁的安全可靠運行

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，每個配電站內(nèi)設置了兩組充電樁，一組用于常規(guī)慢充，另一組用于應急快速充電。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臺直流充電機和1～10臺交流充電機。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，該設備采用220V進線，可以安裝在實體建筑物的底部，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，具有40kW的輸出，能夠為小型電動汽車提供充電服務，電機直接使用380V的直流電源，由于是固定安裝，因此具有方便移動的特點，而在這個過程中，還能夠根據(jù)實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，還可以根據(jù)實際情況進行調(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樁群里。這樣就能夠將充電樁分別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的回路。

5經(jīng)濟比較

以設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)字遠遠小于單建方案的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，又能夠迅速實現(xiàn)，而且還能夠實現(xiàn)環(huán)保，因此具有很高的實施價值，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用表

6安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(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。

6.2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。

6.3系統(tǒng)結構

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)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)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。

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。

6.4.2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。

6.4.3交易管理

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

6.4.4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果上報。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。

6.4.6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、凍結和解綁。

6.4.7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

6.4.8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。

6.5系統(tǒng)硬件配置

7結語

隨著“綠色出行”的推行，充電基礎設施的供求關系出現(xiàn)了嚴重的失衡，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”推廣應用提供了一種可復制的新模式，從而大大擴大了推廣范圍和應用領域。

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