電動汽車充電站設計難點分析與解決方案

郭國太

（廈門電力勘察設計院有限公司，福建 廈門 361009）

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。充電站建設處在迅速擴張階段，但由于充電站設計方案不合理，出現了充電站投資高、受益低的尷尬境地，其對充電站重點中的難點進行剖析，尋找更優充電站設計方案迫在眉睫。

電動汽車充電站設計重點包括：充電站總平布置、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。其充電站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充電站設計中的難點。

1 充電站總平布置

充電站包括站內建筑、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。

充電站充電車位布置和站內交通組織與停車場（庫）設計極為相似，但也有充電站自身特點，其兩者相同和不同對比分析見表1。

表1 充電站與停車場（庫）對比表

從表1中可以看出，充電站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，在充電站設計中，服務車輛充電接口位置成為充電站總平布置中的難點。

充電站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充電站總平自然地形情況，選擇適合停車方式、交通組織及充電站出入口，其方案選擇見表2。

2 充電機選擇

充電站按服務車輛類型不同可分公共充電站、專用充電站。專用充電站屬固定服務車輛的充電站，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，專用充電站充電機選擇較為簡單。公共充電站屬無固定服務車輛的充電站，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，公共充電站充電機的選擇更為復雜，且不確定性。因此，本文重點對公共充電站充電機選擇進行分析。

表2 充電站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。充電電壓/V

表3 廈門充電站的車充電參數表

最大充電流/A

充電功率/kW

最大負荷系數300～750 80 52 0.86 300～750 80 26 0.43 300～750 80 28 0.46

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，公共充電站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 充電站配電變壓器容量選擇

1）充電機需要系數選取

充電機的額定容量 Pe是指這個設備的輸出容量，其與輸入容量之間有一個效率ηs；充電機不一定滿載工作，存在一個負荷系數Ks；充電機組的全部設備并不同時運行，存在有同時運行系數Kt；向用電設備供電的線路有損耗，存在線路效率ηL。所以充電機的有功功率需要量為

令需要系數

通常來說，DC-DC變換器的效率ηs高于96%，可認為是理想變換器將其損耗忽略不計，線路效率ηL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，廈門島內交通便利充電站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，公共充電站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

廈門現有充電站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，廈門目前充電站的充電熱度（充電量）排在全國前8位，廈門島內的華榮充電站和雙涵充電站的充量車輛經常出現排隊現象，但這兩個站充電站的變壓器負載率卻不高。其運行數據見表6。

表6 充電站配電變壓器運行數據表

綜合上述充電站運行數據、充電參數及充電曲線分析，公共充電站充電機負荷系數可取 0.37～0.44，根據式（2），考慮充電機效率ηs、同時運行系數Kt、線路效率ηL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

充電機自帶APF單元，補償后功率因數應達到0.95以上，計算時功率因數取0.95，充電機需要系數可根據充電機數量和擬選擇變壓器容量大小，選取0.45～0.7，變壓器負載率取0.8，按式（3）計算視在功率Sjs后再選取變壓器容量，即

式中，Sjs為計算視功率；Kx為充電機需要系數；Pe為充電機組有功功率；cos? 為充電機功率因數；β為變壓器負荷率。

4 結論

通過對充電站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，提高充電站充電效率。

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）通過對廈門現有充電站的充電機參數和充電主力車型充電參數的分析，提出公共充電站可選擇2～3種規格恒功率充電機。

3）通過對充電站的充電機負荷系數、變壓器運行數據進行分析，給出公共充電站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充電站重點中的難點，優化充電站設計方案，才能提高充電站的投資效益，吸引更多的社會資金和力量參與充電站建設。

參考文獻

[1] 國務院. 國務院辦公廳關于印發能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)的通知[Z]. 北京, 2014.

[2] JGJ/100—2015. 車庫建筑設計規范[S].

[3] GB/T 31466—2015. 電動汽車高壓系統電壓等級[S].[4] GB 50966—2014. 電動汽車充電站設計規范[S].

[5] GB/T 18487.1—2015. 電動汽車傳導充電系統 第1部分: 通用要求[S].

[6] GB/T 20234.2—2015. 電動汽車傳導充電用連接裝置 第3部分: 直流充電接口[S].

[7] 郭國太. 電動汽車充電站建設可行性分析[J]. 電氣技術, 2017, 18(3): 120-124.

[8] 郭國太, 黃劍榮. 電動汽車充電站的設計與研究[J].中國科技縱橫, 2016(10): 137-138.

[9] 張帝, 姜久春, 張維戈, 等. 電動出租車充電樁優化配置[J]. 電工技術學報, 2015, 30(18): 181-188.

[10] 肖湘寧, 溫劍鋒, 陶順, 等. 電動汽車充電基礎設施規劃中若干關鍵問題的研究和建議[J]. 電工技術學報, 2014, 29(8): 1-10.

[11] 楊帆, 喬艷龍, 甘德剛, 等. 不同充電模式對鋰離子電池極化特性影響[J]. 電工技術學報, 2017, 32(12):171-178.

[12] 陳希強, 劉志欣, 李興波. 基于組合預測模型的電動汽車充電站短期負荷預測研究[J]. 電氣技術,2017, 18(2): 59-64.

[13] 許少倫, 嚴正, 馮冬涵, 等. 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, 2014,34(11): 7-13.