電動汽車充電站的設計與研究

郭國太++黃劍榮

【摘 要】 電動汽車充電站類似于燃油車的加油站，為電動汽車運行提供能量補給，是發展電動汽車所必須的重要配套基礎設施。分析研究充電對象、充電機技術、充電方法等，提出了不同類型充電站設計方案，分析了影響充電站設計方案的幾方面因素，提高充電站的電能轉換效率，選用對電池不會造成傷害的充電控制策略和性能穩定的充電裝置，配置與之相應適應的供配電系統和監控系統。

【關鍵詞】 電動汽車 充電站 充電機

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。電動汽車是實現零排放或極低排放的清潔、高效的交通工具，是緩解我國石油資源緊張、城市大氣污染嚴重問題的重要手段，是推進交通發展模式轉變的有效載體。電動是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發的關鍵因素。電動汽車大規模應用的主問題是初始成本高和續駛里程不理想，而通過建設電動汽車充換電設施網絡，實現隨時隨地方便及時對動力電池進行充電，能夠有效延長電動汽車的續駛里程，將更有利于電動汽車產業發展。

1 充電對象和充電技術的分析研究

電動汽車充電站服務對象的分析研究是電動汽車充電站設計的基礎。首先需要分析影響充電站的建設規模、充電機選型的因素，主要包括以下幾個方面。

1.1 電動汽車的類型

目前開發的電動汽車可分三類：純電動汽車（pure EV）、混合動力電動汽車（Hybrid Electric Vehicle：HEV）和燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle：FCV）。只有純電動汽車必需從電網獲取電能作為驅動動力，因此本文中主要研究為純電動汽車提供電能的充電站設計的研究。

1.2 電動汽車的電池特性

電動汽車的電池特性，包括電池類型、電池容量、充電速率等。目前電動汽車常用電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰離子電池四種。而鋰離子電池具有單體電壓高、比能量大、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應等優點，因此，鋰離子電池將是我國新能源汽車產業化發展的主要方向。電池容量決定了電動汽車的續航里程，電動汽車主要車型與電池組配置詳見表1.3-1。不同類型電池有著自身固有的充電速率，而充電速率決定了實際的充電功率及充電時間。

1.3 電池充電方法

最基本的充電方法有恒流和恒壓兩種，在實際應中，在這兩種方法的基礎上進行了改進，研究了一些新的充電方法。比如恒流充電，恒壓充電，恒流恒壓充電，智能充電等。

智能充電是目前比較先進的充電方法，其原量是在整個充電過程中動態跟蹤蓄電池可接受的充電電流。智能充電要求電池配備BMS，并且要求充電機與BMS間實時通信，實現數據的共享，BMS將電池參數實時地傳到充電機，充電機就能根據BMS提供的信息改變充電策略和輸出電流，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流曲線（圖1.3-1）附近，不僅保護電池，還提高充電效率，大大縮短了充電時間。

1.4 充電機充電方式

1.4.1 常規充電方式

該充電方式一般采用恒壓、恒流的傳統充電方法對電動汽車進行充電。由交流充電樁為電動汽車的車載充電機提供電源進行充電，充電功率小，充電速度慢，充電時間一般為8～10h，因此也稱為慢速充電。

1.4.2 快速充電方式

此充電方式是采用智能充電方法，以100～400A的充電電流在短時間內為電動汽車充電，需建設非車載充電機或充電站，與常規充電方式相比投資成本高。

1.4.3 更換電池充電方式

除了以上充電方式外，還可以采用更換電池組的方式，即是蓄電池電量耗盡時，用充滿電的電池組將其更換，再將更換后電池集中充電的方式。由于電池更換過程需機械更換和蓄電池集中充電，所以也稱為機械充電。它利用低谷電價對蓄電池進行充電，同時又能在很短時間內完成更換電池過程，但初期建設成本高，占地空間大，更大問題是電池標準難統一，從而制約更換電池充電方式的推廣。

2 電動汽車充電站

2.1 充換電設施類型

電動汽車充換電設施是指為電動汽車提供電能的相關設施的總稱，一般包括充電站、電池更換站、電池配送中心、集中或分散布置的交流充電樁等。可分為家用充電設施、公共充電設施、專用充電設施。在不同運行模式下，電動汽車對其續駛能力和充電時間要求也不同，直接影響充電站的建設方式和功率需求。私人、公務電動汽車是白天出行，時間短，行駛里程有限，夜間停在小區車位或單位停車位，有足夠的時間充電，以家庭、單位自建充電樁慢速充電為主，公共充電設施快速充電為輔；出租車全行幾乎都運營，行駛里程長，充電時間有限，一般以公共充電設施快速充電為主；公交、環衛、郵政等社會公共服務用車具有城市區域行駛、停車場地固定、行駛路線固定、行駛里程相關穩定等特征，一般以專用充電設施夜間慢速充電，白天快速充電或換電設施為主。

電動汽車充電站是充換電設施重要組成部分，它采用整車充電模式為電動汽車提供電能的場所。電動汽車充電機系統是充電站的核心系統，它的確認決定了相關供電設備、監控設備的方案。

2.2 充電機類型

電動汽車充電機從供電電源提取能量，以合適的方式傳遞給動力電池，從而建立了供電電源與動力電池之間的功率轉換接口。根據不同的分類分式，可將充電機分成多種類型，見表2.1-1。

2.3 充電系統

2.3.1非車載充電機

非車載充電機也稱為直流充電機，其主要參數包括充電機功率、輸出電壓、輸出電流，確定了輸出電壓和輸出電流，自然就確定了充電機功率。

輸出電壓應根據電動汽車動力蓄電池的特性及電池單體串聯數量確定，充電機輸出電壓（Ur）可按2.3.1-1計算，計算后優先從150V～350V、300V～500V和450V～700V中選擇一組最高電壓大于或等于Ur。

2.3.1-1式

式中：n—電動汽車動力蓄電池的串聯電池單體數量；

Ku—充電機輸出電壓裕度系數，一般取1.0～1.1；

Ucm—單體電池最高電壓（V）。

非車載充電機輸出電流應根據電動汽車動力蓄電池的容量和充電速度以及供電能力和設備性價比，在電池BMS系統允許下，確保安全、可靠充電的情況下確定最大充電電流。輸出的直流額定電流應優先采用以下值。

2.3.2 交流充電樁

交流充電樁是為配有車載充電機的電動汽車提供充電電源，車載充電機功率小，其電源一般采用單相220V交流供電，一般不大于32A，超過32A一般采用三相四線制380V交流供電。

2.4 充電機配置方案

充電機有效充電功率、電池充電速率決定了電動汽車充電時間和充電效率，有效充電功率是充電機按照電池BMS系統提供的充電電流和充電電壓時的功率，根據服務車輛的電池容量、充電速率合理選擇充電機功率、輸出電壓、輸出電流，使得有效充電功率無限接近額定功率，提高充電機的充電效率。

2.4.1 公共充電站

公共充電站采用按快速充電方式，服務社會各種車輛，屬無固定服務車輛的充電站。目前市面上的電動汽車電池容和充電電壓各不相同，且充電電壓和充電電流的范圍值比較廣。此時，如何充電機配置方案合理與否，關系到充電機有效功率大小、充電時間長短，最終也影響充電站投資成本和投資回報率等經濟指標。

（1）方案一：全站的充電機選擇單一功率、充電電壓、充電電流，例：充電機功率為60kW，充電電壓：300V～700V，最大充電電流：85A。假如充電機對比亞迪e5充進行充電，充電電壓為680V，有效充電功為57.8kW，假如充電機對北汽福田EV200進行充電，充電電壓為385V，有效充電功只有32.725 kW。充電機電壓低的有效充電功率就會降低，充電時間長，變壓器輕載運行。

（2）方案二：全站充電機可選擇多種充電機功率、充電電壓、充電電流，每一種充電功率、充電電壓、充電電流對一種類型的電動汽車充電，充電時司機有可能無法正確選擇站內的充電機，需備用工作人員調度管理，這樣會提高充電站運營成本。

（3）方案三：選用最大充電電壓和最大充電電流多檔可調的充電機，即是額定功率不變，選擇不同檔最大充電壓會對應匹配不同最大充電電流，以提高充電機有效充電功率。例：充電機功率為60kW充電電壓：300V～500V、500～700，相應最大充電電流：120A、85A。假如充電機對比亞迪e5充進行充電，充電電壓為680V，最大充電電流為85A有效充電功為57.8kW；假如充電機對北汽福田EV200進行充電，充電電壓為380V，最大充電電流為120A，有效充電功也有46.2kW；比起方案一有效功率得到明顯的提高，比起方案二又降低運營成本。

2.4.2 專用充電站

專用充電站一般采用慢快充電和快速充電相結合充電方式，服務某一種車型的車輛，屬固定服務車輛的充電站。根據服務車輛的電池容量、充電電壓、充電速率，按量體裁衣選擇充電機功率、充電電壓和充電電流，使用有效充電功率幾乎等于充電機功率。

3 結語

充電站設計前應充分調查分析服務車輛電池主要參數及車輛數量，準確定位充電站類型，確定適應的充電方式方法，合理選擇充電機功率等主要參數，以提高充電機充電功率，減短服務車輛充電時間，從而提高充電站經濟效益。吸引更多的社會資金和力量參與充電站建設，對電動汽車可持續發展極為重要。

參考文獻：

[1]胡江溢，賈俊國，武斌，等.電動汽車充電站設計規范GB 50966-2014[S].北京：中國計劃出版社.2013.

[2]賈俊國，武斌，吳尚潔，等.電動汽車充電站通用要求GB/T 29781-2013[S] 北京：中國計劃出版社，2013.

[3]李加洪，楊國勝，施巨嶺，等.視頻安防監控系統工程設計規范GB 50395-2007[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[4]劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010：304-310.

[5]許少倫，嚴正，馮冬涵，張良.基于多智能體的電動汽車充電協同控制策略[J].電力自動化設備，第34卷第11期：2014年11月：7-13.

[6]許璐，袁越，王敏，劉冠群.含電動汽充電的配電網諧波潮流計算[J].現代電力，第31卷第2期：2014年4月：21-26.