風-光-電混合驅動的分布式新能源汽車充電基站的設計研究

陳一帆，王清華，龍澤鏈，羅秀璋，趙永詠

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

我國新能源汽車的產銷量及保有量都進入了持續的快速增長期，截至2021年12月，我國新能源汽車保有量達到了640萬輛，年銷售量達到了352萬輛。而根據我國的《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》，預計到2030年，我國新能源汽車保有量將達6 420萬輛。為此，充電基站不足、清潔電能不足將會成為阻礙我國未來幾年新能源汽車產業發展的重要問題[1-3]。

此外，充電基站對電網的苛刻要求，使基礎建設的不足和偏遠地區充電基站的管理、建設、維護等成本高和經濟效益低之間的沖突不斷增加，也給新能源汽車的發展和使用帶來了很大的困難。為此，建設以清潔能源為基礎，結合電網開發高效、易安裝的新能源汽車充電站的方法，可解決充電樁數量和清潔能源不足等問題，成為新能源汽車產業發展的重要出路。

1 我國新能源汽車充電樁的發展特點

1.1 充電樁數不足

當前我國的新能源汽車充電樁和充電站主要以電網供電為主，且存在嚴重的數量不足的問題。如圖1所示為我國新能源汽車充電樁的建設情況圖。通過對近5年我國新能源汽車充電樁與新能源汽車市場保有量情況進行統計，發現盡管近年來我國新能源汽車充電樁建設數量迅速增加，但是隨著我國新能源汽車保有量的快速增長，充電樁的缺額也在迅速且持續增長。截至 2021年年底，全國新能源汽車公共充電樁數量僅有132萬座，然而車樁比不到3∶1，即便加上私人充電樁也不足2∶1，為此，排隊充電和充電困難的現象也在逐漸增加。預計到2030年，我國新能源汽車保有量將達6 420萬輛，根據政府車樁比1∶1的建設目標，未來10年，我國新能源汽車充電樁建設缺口依舊較大。由此可見，新能源汽車充電基站建設，已經成為當前限制我國新能源汽車發展的重要問題[4]。

圖1 我國充電樁的建設情況曲線圖

1.2 清潔電能占比低

由于新能源汽車保有量的增多，電能的需求也在不斷增加。然而當前我國電能的生產主要還是以熱電為主。如下頁表1所示為2018—2021年我國發電量構成表。由表1可知，熱電占我國總電能的近70%，而可再生電能的占比約為30%，這對于我國實現“碳達峰”和“碳中和”帶來了一定的挑戰[5-11]。此外，隨著新能源汽車的增加，新能源汽車的用電消耗量劇增。根據國家電網下屬的充電網路充電量顯示，2020年新能源汽車充電量達到20.7億kW·h，同比增長近30%。為此，開發清潔能源驅動的分布式新能源汽車充電基站，已成為當前推動我國新能源汽車快速發展的重要方向。

表1 2018—2021年我國發電量構成表

1.3 充電基站對電網的沖擊較大

電動汽車同時快速充電時的瞬時功率會對電網造成嚴重干擾，影響系統安全。如果搭建專用電網，整個工程十分浩大，費用高昂，對于國家電網建設造成了很大的挑戰。為此，李惠玲等[12]從電動汽車充電對配電網的影響及對策進行了研究，發現適宜的充電滲透率、根據電網負荷狀態變化的智能充電模式能有效改善電動汽車充電對電網的沖擊。此外，分布式供能系統也可以有效緩沖用電單元對于電網的沖擊。為此，基于分布式能源系統理論，研究建設新能源汽車充電站。

2 風-光-電混合驅動的新能源汽車充電基站設計

2.1 風能和太陽能發電特性

風能和太陽能是最常見的清潔能源。我國風力資源和太陽能資源豐富，然而對比常規的火力和水力發電，風力發電和太陽能發電在動態出力特性上具有很大的不同，大型風力發電和太陽能發電的穩定性和充電能力一直限制著太陽能和風能發電的入網率。但是如果小型風力和太陽能發電系統配備儲能系統，能有效避免太陽能和風能發電系統的缺點，實現太陽能和風能發電系統的高效利用[13-15]。為此，基于風能和太陽能開發小型新能源汽車充電基站，可以較低的成本滿足偏遠地區新能源汽車的充電需求，緩解充電基站對電網的沖擊，是解決新能源汽車里程焦慮、長途行駛、清潔電能和基建設施升級壓力等問題的有效途徑。

2.2 風-光-電混合驅動的新能源汽車充電站原理設計

考慮到太陽能和風能的不穩定性和充電能力不足等問題，結合新能源汽充電樁的使用特性，對充電站進行設計。充電站結構的基本組成如圖2所示，包括：(1)太陽能、風能發電并網系統，解決清潔電能并網問題，實現充電站具備調峰功能；(2)蓄能系統，解決太陽能和風能發電質量較低問題和汽車充電過程對電網瞬時沖擊的問題，保障充電站調峰功能的實現；(3)功率控制單元，解決電網和太陽發電系統、風能發電系統和蓄能系統之間的功率控制；(4)充電樁及附屬系統，保證充電功能的正常進行和安全。

充電站的基本原理是：

(1)太陽能發電模塊通過太陽能發電控制系統和蓄電穩壓系統進行穩壓調峰后，獲得較穩定的直流電流并將其儲存于蓄電系統。風能發電模塊通過風力發電控制器和穩壓系統進行穩壓調峰后獲得較穩定的直流電流，并將其儲存于蓄電系統。

圖2 風-光-電混合驅動的新能源汽車充電站結構示意圖

(2)蓄能系統儲存采用電容和鋰離子電池混合蓄電，電容蓄電模塊和鋰離子電池蓄電模塊分別由超級電容和鋰離子電池串并聯組成，電容蓄電模塊和鋰離子電池蓄電模塊之間通過電控雙電源自動切換開關連接，用于電能的輸出和輸入。將蓄能模塊和電子控制模塊安裝于地下，電子控制模塊根據各模塊內傳感器信息監控系統的安全性，模塊與周邊環境做絕緣和防水處理，系統采用液體冷卻，冷源采用穩定的地溫，通過地下換熱管網和換熱器實現溫度控制，通過水泵進行冷卻循環，可以較為穩定地解決主蓄能模塊和電子控制模塊的工作溫度穩定性問題。

(3)在充電樁內設置DC/DC轉換器和DC/AC轉換器，可以將電能轉換為不同電壓，滿足不同規格的新能源汽車的充放電需求。在充電模塊內設置安全模塊，未收到充電信號前，充電槍無法拔出，充電模塊無法供電，且處于深度接地模式以保障安全性；設置無線電控制模塊，該模塊會根據電子控制模塊檢測的主蓄能模塊電量情況，向外發布充電站的蓄能情況，同時會接收手機無線充電信息，向電子控制系統發布充電信號。

(4)可以通過后臺控制，實現對充電基站與電網之間電能的交互使用，保障電網和充電基站的安全穩定運行。

2.3 風-光-電混合驅動的新能源汽車充電基站建模設計

通過對風-光-電混合驅動的新能源汽車充電基站的設計思路，利用SolidWorks建模軟件對充電基站進行建模，其基本結構如圖3所示。充電基站圍繞室外停車位進行設計，在車位后端或者側端安裝充電樁系統，頂端安裝太陽能發電系統，車位外側安裝風力發電系統，蓄能單元和電子控制單元安裝在車位下端。此外，考慮到充放電過程蓄能系統和電子控制單元需要散熱的需求，還需要設置冷卻系統。

2.4 風-光-電混合驅動的新能源汽車充電基站參數設計

在確定風-光-電混合驅動的新能源汽車充電基站的基本結構后，還需要對充電基站的各部分參數進行設計。本文首先考慮充電基站的太陽能和風能發電模塊功率。考慮到充電基站主要用于室外停車場和車位，為此，太陽能電池板的尺寸主要以車位大小進行標定，通常室外標準車位尺寸為2.5 m×5.3 m，根據太陽能發電板的發電功率約為2 kW，而風能發電機功率根據基站所處位置的風力特征不同，發電功率可以進行靈活設置，通常在0～1 kW。

圖3 風-光-電混合驅動的新能源汽車充電基站模型圖

在蓄能系統的參數方面，主要根據太陽能和風能發電能力、充電基站的位置、蓄能系統的作用和純電動汽車充電的需求進行設定。為此，當充電基站不能與電網連接時，蓄能系統需要較大功率的電池模塊，通常需要>30 kW的儲能系統才能滿足需求；當充電基站能與電網連接時，則需要根據儲能系統的作用設計儲能系統的功率；當儲能系統的主要作用為調峰電源時，蓄能系統功率需要>30 kW才能滿足需求；當蓄能系統主要以調節充電過程對電網的沖擊作用時，儲能系統功率可以設計為<5 kW。

而在電子控制系統和充電樁等方面，則需要根據儲能系統、發電系統和電網的連接狀態來確定。

2.5 風-光-電混合驅動的新能源汽車充電基站中試試驗

為了驗證基站的運行性能，對基站進行中試試驗。中試試驗的主要部件參數見表2。根據表2所示，考慮到造價成本和試驗的效率，中試試驗采用了200 W、24 V單晶太陽能電池板，200 W、24 V風力發電機及功率控制單元進行試驗。充電站試驗結果顯示：(1)太陽能和風能并網，工作正常，經過5 h試驗顯示并網電量約為1.3 kW；(2)充電樁工作正常，通過充電試驗，無任何不良反應。試驗結果較好。

表2 風-光-電混合驅動的新能源汽車充電基站中試參數表

3 經濟效益分析

對比普通充電站和換電站，本文所研究的充電基站經濟性具有非常明顯的優勢：(1)對比普通基站，太陽能-風能驅動的新能源汽車充電站不需要增設大容量的調壓裝置，可以離網運行，不需要加強電網容量，從短期基建投入和長期運行維護成本的角度來說都具有較大的經濟優勢；(2)對比換電站，一個換電站的建設投入達300～1 000萬元，而太陽能-風能驅動的新能源汽車充電站的建設成本約5～15萬元，建設成本遠低于換電站；(3)從長期運行維護的角度來說，太陽能-風能驅動的新能源汽車充電站可以持續將太陽能、風能轉化為電能，可以持續產生價值，而普通基站和換電站則無法實現。由此可見，該項目經濟效益遠大于普通充電站和換電站。

4 結語

本文通過對當前新能源汽車發展和預期發展帶來的充電樁不足、能源安全和環境污染壓力等問題進行研究發現，當前我國存在且將持續存在一個較大的以清潔電能驅動的新能源汽車充電基站建設需求。

為了解決清潔電能和充電基站不足的問題，本文從清潔電能、充電基站等角度進行了研究，提出一種風-光-電混合驅動的分布式新能源汽車充電基站設計思路，并從理論研究到建模分析對充電基站進行模型設計、參數設計并進行計算。

通過試驗，發現充電基站設計完全符合當前的需求，并通過分析系統效益發現，在城郊使用充電基站，相對于換電站、普通充電樁具有更明顯的經濟效益優勢。