電動汽車充電站換電車間建設的可行性研究

尹華山 趙曉燕

（煙臺電力設計院有限責任公司，山東 煙臺264000）

0 引言

在能源危機和氣候變暖的雙重挑戰下，電動汽車成為發展低碳經濟、落實節能減排政策的重要途徑。電動汽車作為一種新型交通工具，是緩解我國石油資源緊張、 城市大氣污染嚴重等問題的重要手段，是推進交通發展模式轉變的有效載體。電動汽車有著很好的社會效益和環境效益，集中體現在以下幾個方面：

（1）污染小，零排放，無污染，大幅度降低城市噪音；

（2）改善電網負荷，平衡電網峰谷負荷，提高機組利用率；

（3）節約能源，綜合能量利用率遠高于其它能源方式；

（4）是貫徹國家能源戰略，落實節能減排政策的重大戰略舉措。

近年來，圍繞“建設經濟文化強市，打造國際旅游名城”的城市發展戰略，2012 年煙臺市在高新區建設馬山充電站，為試運營的兩條公交線路及潛在的電動車輛提供充電服務， 推動煙臺市電動汽車的發展。

1 建設必要性

遠景規劃：2020 年將建成公交車充換電站5 座、環衛車充換電站10 座、乘用車集中充電站20 座、乘用車充換電站10 座、電池配送站50 座，充電樁4000 臺，電動汽車保有量達到4000 輛。

現狀規模：2012 年，煙臺市馬山充電站一期完工，建設直流充電車位8 個，交流充電車位15 個，僅能滿足部分公交及社會車輛的充電需求，滿足不了電動汽車增加及快速續電能力的客觀要求。 下面以具體充電實例論述：

大型公交車舉例：以一輛大型鋰動力電動大巴為例，配置電池容量700Ah。 最大充電電流210A，最高充電電壓700V，需要充電器的最大輸出功率為245kW。 按最優充電要求對電動汽車充電的充電時間，利用200kW 直流充電機需要3 個小時， 利用60kW 充電機需要7 小時。 對于電動公交車而言，在晚間下班后利用低谷充電，時間5～6 小時。

普通社會車輛：以比亞迪E6 純電動汽車為例，電池類型為磷酸鐵鈷鋰電池，配置電池容量200Ah，標稱電壓316.8V。充電器的輸出功率為192kW。 利用200kW 和60kW 充電機快速充電時間最少分別為1個小時和2 個小時充滿。

通過以上兩例看出，充電站僅具備快、慢充功能已遠遠不能滿足電動汽車快速增長及續電的要求，因此，在充電站內增加電池快速更換即換電車間成為一項必然選擇。

2 項目方案

煙臺馬山充電站位于煙臺高新區馬山工業園， 地塊面積0.9882公頃，其中已經建設直流充電車位8 個，交流充電車位15 個，綜合配電樓一座，其余為公交車停車場地。根據需要，本期增加建設換電車間一座，布置在站區北側。車輛從充換電站東南口進入，電池更換后車輛由西北口駛出車間離開換電車間或停入停車場內。

圖1 充電站平面布置圖

圖2 充電站主接線方案

2.1 服務車輛及能力

建設的換電車間共設置2 個車輛換電工位，適用于大型電動公交車。濱海沿線及市區主干道的單程距離均約35 公里，公交車每天往返四次，每兩次換電一次，下面計算電動公交車的運行情況。

電動公交車單班行駛里程約為70km， 車輛雙次換電行駛時間為5～7 小時。 單工位服務車輛：5 輛/小時*5 小時=25 輛。 本站服務車輛：本期25 輛/工位*2 工位=50 輛。 考慮一定的裕度，取冗余系數為1.2，則換電車間可服務60 輛電動公交車。

2.2 電池充電系統

換電車間內設置備用電池充電系統， 采用直流0.3C 方式為電池充電，正常充電時間2.5h。 根據實際經驗，我們認為可以設定2.5h 為一個更換周期，每周期電池更換能力為14 輛次，即每周期充電能力為14 輛。 根據大型公交車電池配置情況，單工位需配置大小電池14×9=126 箱，本站共計126×2=252 箱。

電池充電采用單箱直接充電方式（大箱）及兩箱串聯充電方式（小箱），擬采用15kW 充電機為電池充電，輸出電壓40～100V、最大充電電流150A。單工位需配置充電機屏14 面，每屏安裝15kW 充電機6～8臺，共計98 臺，本站共計196 臺。

2.3 電池更換系統

電池更換系統組成：由電池更換設備、電池架和電池等組成。

電池更換流程：在單工位的兩側各配置1 套電池更換設備。 每套更換設備為獨立工作，一次動作可以取、放單箱或多箱電池。整個電池更換過程順序為：當需要更換電池的車輛進入站內工位后，更換設備沿著鋪設在車輛與電池架中間的直線軌道根據事先安裝在電池箱上的感應器的信號取下電池架上已充好電的電池，然后取出車輛上的需要充電的電池箱，接著更換設備一邊先將充好電的電池箱送入車輛放電池箱的地方， 接著另一邊將需要充電的電池箱送進電池架上充電，完成單次個電池更換過程。 要求整車電池更換動作時間不超過10 分鐘。電池更換設備采用全自動自旋轉一步式設備，具備全自動、半自動操作模式。

2.4 監控系統建設方案

電動汽車充換電站監控系統采用分層分布式架構，分為：站控層、間隔層、網絡層。 其中站控層部署相關服務器和工作站，負責數據處理、存儲、監視與控制等；間隔層部署具備測控功能的相關設備，負責數據采集、轉發，響應站控層指令，網絡層部署相關設備，負責間隔層與站控層之間的可靠通訊。

監控系統包含充電監控、換電監控、配電監控、安防視頻監控、車輛運行監控、物聯網、計量、運營管理、信息遠傳、站內負荷監控、站內電話等子系統。 各子系統通過多種手段互相連接，實現對整個充換電站的全方位監控。

2.5 配電部分方案

本期新增2000kVA 變壓器一臺，10kV 增加避雷器柜、 饋線柜等各1 臺，完善10kV 單母線分段接線。 0.4kV 側新增低壓配電柜7 臺，完善0.4kV 單母線分段接線。 新上換電車間后電池充換電負荷由0.4kV 兩段母線均勻分配，原一期整車交、直流充電負荷亦由0.4kV 兩段母線均勻分配。 10kV 采用聯絡方法，互為備用。 每路進線可帶兩臺變壓器運行。 兩臺變壓器運行當其中一臺發生故障時，低壓聯絡開關合閘實施互為備用(條件是變壓器負載率小于60%)。

2.6 計量計費

充換電站計量系統包括電網和充電設施之間的計量、充電設施和電動汽車用戶之間的計量兩部分，分別采用交流計量和直流計量。

（1）電網與充電設施：采用高壓側計量，在10kV 進線側配置計量柜；

（2）充電設施和電動汽車用戶：采用低壓側計量，在分箱充電機交流輸入側配置計量表以及電池度計費，在公交車上電池箱輸出側配置直流電能計量表。

站內由用電采集終端負責采集各個關口電表交流電表的實時電量信息，通過本地工業以太網與計費工作站通訊，將整個充換電站的總電量、各充電機的每次充電電量傳送到后臺進行處理，并把電量和計費信息存儲到數據庫服務器中；通過充換電站計量管理機完成與用電信息采集系統或上級監控中心的通信，確保上級系統能夠實時獲取充換電站內的電量信息。

2.7 土建部分

換電車間為一層砼排架大跨雙T 板預應力屋面板結構廠房，平面尺寸為：40.50m×20.50m，柱距8m，跨度20m，車間梁底標高為7.5m，建筑面積830.25m2。 內部功能為電池更換及電池充電架（兩個工位）。

車間在立面設計上運用了現代的設計手法，在滿足內部使用功能要求的前提下，注重與南側變配電中心在建筑風格上的協調，通過外墻面的進退變化，以及幾種飾面材料的組合變化，使建筑立面局部突出，與眾不同，體現了現代工業建筑的時代感和美感。

3 結語

電動汽車大力發展是未來的一個必然趨勢，而充電、換電、維護等設施的配套建設更是電動汽車發展的助推劑。電動汽車充換電站建設對擴大電力終端用電市場， 降低需求側峰谷差，提高電力供需平衡和電力設備負荷效率，具有重要的意義。 本文借助煙臺充電站二期擴建工程，對充電站增加換電功能進行簡要的分析和配置方案論述。其中也存在許多的問題，希望本文能夠拋磚引玉，引起大家對電動汽車發展的關注，共同為節約能源和優化環境貢獻我們的力量。

［1］國家電網公司2010 年電動汽車充電設施建設實施方案[J].國家電網公司,2010,1.

［2］Q/GDW486-2010 電動汽車電池更換站技術導則[S].

［3］Q/GDW488-2010 電動汽車充電站及電池更換站監控系統技術規范[S].