淺談新能源的充電樁供配電設(shè)計(jì)與運(yùn)維管理

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，但是針對環(huán)境的影響較大。為能進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境，各行業(yè)都在倡導(dǎo)節(jié)能減排。新能源汽車的出現(xiàn)，是減少汽車尾氣排放的重要措施。因此，研究新能源汽車的實(shí)際發(fā)展情況，并了解充電樁供配電設(shè)計(jì)對策十分重要。基于此，文章對新能源汽車的發(fā)展瓶頸進(jìn)行分析，簡述高壓直掛多能互補(bǔ)超充電站，以及傳統(tǒng)充電站的類別和結(jié)構(gòu)組成，詳細(xì)分析充電樁供配電設(shè)計(jì)，以及充電樁運(yùn)營管理對策，并就新能源適用問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：新能源；充電樁；供配電設(shè)計(jì)；供配電管理

0引言 在我國相關(guān)政策中明確，要加強(qiáng)應(yīng)用新能源汽車，完善充電樁等配套設(shè)施，以進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車行業(yè)向前發(fā)展。充電樁作為新能源汽車的組成，要注重研究充電樁安裝技術(shù)，提高充電樁安裝水平，讓新能源汽車行業(yè)帶動(dòng)充電樁行業(yè)發(fā)展。在“雙碳"目標(biāo)下，我國2021年的新能源汽車保有量達(dá)到7840000臺(tái)，占據(jù)我國總體汽車的2.6%。根據(jù)預(yù)測到2025年，新能源汽車的保有量將達(dá)到26000000輛，占據(jù)總車輛的7%，同時(shí)對應(yīng)的充電樁數(shù)量在2025年將突破10000000臺(tái)，在這種情況下就需要更多穩(wěn)定的充電樁。

1 新能源汽車的發(fā)展瓶頸

從目前的新能源汽車發(fā)展上能看出，新能源汽車所存在的問題可以分為三點(diǎn)，分別是充電難、充電慢和維護(hù)難，充電難是指目前所具備的充電樁數(shù)量與新能源汽車數(shù)量不匹配，車樁比為2.6∶1，公共充電樁大約為1600000臺(tái)，市場上所具備的充電樁約為4000000條。充電慢是指現(xiàn)有的充電樁往往都為60kW，缺少120kW的直流充電，導(dǎo)致車輛所需要停留的時(shí)間過長。維護(hù)難在于充電樁的故障率較高，需要在后期支出一定的維護(hù)成本。

在這種情況下，為解決充電慢的問題，高壓快充技術(shù)成為未來發(fā)展的關(guān)鍵。從實(shí)際技術(shù)應(yīng)用上能看出，提高充電電流或者提高充電電壓是能解決充電慢的重要方法，充電電流的提升針對熱管理要求較高，同時(shí)在推廣上也有著較大的難度。充電電壓的提升，不僅能減少質(zhì)量，還能節(jié)約空間，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)快速充電，因此，在未來發(fā)展上以提高充電電壓為基礎(chǔ)的高壓快充技術(shù)成為重要發(fā)展形勢。與此同時(shí)，應(yīng)用新技術(shù)來升級(jí)充電樁也是關(guān)鍵，比如利用技術(shù)來強(qiáng)化管理能源，完善監(jiān)控，能將充電樁、汽車和運(yùn)營商三個(gè)方面的數(shù)據(jù)進(jìn)一步整合，能實(shí)現(xiàn)樁與樁之間的有效管理。通過利用大數(shù)據(jù)方式來匹配車主和充電樁資源，能確保新能源汽車車主有效的找到充電樁，便于合理利用，提高充電樁的利用率。

2傳統(tǒng)充電站概述2.1傳統(tǒng)充電站的類別

一種是申請10kW的外線作為充電樁電源，另外一種是用戶預(yù)留電源，并不需要申請外線。傳統(tǒng)充電站從結(jié)構(gòu)方面可以分為一體式和分體式，一體式在樁體內(nèi)布置充電模塊，分體式在電源堆箱體中集成充電模塊控制系統(tǒng)，在樁體中只有交互和槍頭。

2.2 傳統(tǒng)充電樁存在的問題

對于傳統(tǒng)的充電樁來說，在直流電源輸出功率上存在問題，功率可達(dá)360 kW，功率轉(zhuǎn)換耗損超過10%，在轉(zhuǎn)換能源時(shí)的耗損嚴(yán)重。此外，交流測電能質(zhì)量存在問題，因?yàn)楣β蕰?huì)波動(dòng)，導(dǎo)致直流電源效率受到影響，回路引起的諧振過電流會(huì)影響內(nèi)部系統(tǒng)正常運(yùn)行，導(dǎo)致線路被毀。同時(shí)，新能源還會(huì)滲透電網(wǎng)功率，導(dǎo)致功率降低。接入新能源方面，則會(huì)因?yàn)樾履茉醋陨淼奶攸c(diǎn)，導(dǎo)致電能的實(shí)際利用率較差。

3 高壓直掛多能互補(bǔ)超充電站的結(jié)構(gòu)

高壓直掛多能互補(bǔ)超充電樁迎合時(shí)代發(fā)展、應(yīng)用當(dāng)前的信息技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，通過對大數(shù)據(jù)的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行[5]。同時(shí)，其充電功率能達(dá)到360 W/ 槍，而且是直流配電，并沒有交流過程，能有效降低成本。高壓直掛多能互補(bǔ)超充電樁在安裝完成后，商家可以利用手機(jī)App來控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與管理，安裝時(shí)也方便，能根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r自由組合，具有高度集成化的特點(diǎn)。 高壓直掛多能互補(bǔ)快速充電站拓?fù)鋱D如圖1 所示，采用高壓進(jìn)入充電站箱變，輸出充電槍頭通過電動(dòng)牽引車輛。

4 充電樁的類型

充電樁根據(jù)電壓來劃分，可以分為單相充電和三相充電，其中的單相充電電壓為220 V，三相充電電壓為380 V。 充電樁根據(jù)電流來劃分，可以分為直流型和交流型，其中交流型是依靠在新能源汽車上安裝車載充電方式來充電，電流并不大，而且所需要充滿的時(shí)間較長，屬于充電速度慢的充電樁，往往更加適合居民區(qū)。直流充電樁可以將交流轉(zhuǎn)為直流，但是需要新能源汽車上存在充電單元。這一類充電池的電流大，對應(yīng)的充電時(shí)間較短，較為適合公共場所[6]。正常情況下，這類充電樁的電壓為380 V，并且輸出功率各不相同。需要明確的是，雖然這類充電樁能有效縮短充電時(shí)間，但是需要更加注重設(shè)施安全。 交流充電樁外界環(huán)境應(yīng)在-20 ～ 50 ℃，海拔高度不能超過1 km。在電氣方面，要連接好插座和插頭，為插座供電，安裝漏保裝置。一旦發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)能立即使用監(jiān)察裝置，并切斷故障電路。在照明配電線路中，插座和照明不能使用同一套回路來供電。

直流充電樁輸入電壓應(yīng)為三相四線， 電壓為380 V AC，頻率為50 Hz，應(yīng)滿足電池負(fù)載要求，以直流輸出電為主。直流充電樁充電分為快充和普通兩種，其中普通充電充滿要5 h 左右，而快速充電則能在1 h內(nèi)完成充電。

充電樁應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來針對性配備操作設(shè)備，讓用戶能自己根據(jù)實(shí)際情況對應(yīng)選擇適合的充電方式，并能讓充電順利完成。同時(shí)，在充電上，應(yīng)能直觀地顯示電池電量，實(shí)現(xiàn)無人管理目標(biāo)。充電池應(yīng)能充分監(jiān)控整個(gè)充電流程，一旦出現(xiàn)問題能1時(shí)間處理。充電池應(yīng)能監(jiān)控汽車的電池狀態(tài)，以電壓和溫度為監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)調(diào)整內(nèi)部電壓、電流。此外，充電樁還應(yīng)從實(shí)際入手來配備相應(yīng)的風(fēng)冷裝置。

5 充電樁的供配電設(shè)計(jì)

在民用建筑中，中斷供電會(huì)影響公共安全的設(shè)施，會(huì)影響公共交通的設(shè)置，其供電負(fù)荷不能低于二級(jí)。如果是充電樁不具備單獨(dú)安裝變壓器的情況，而是與其他用電設(shè)施同時(shí)使用變壓器，就需要充分考慮輸入功率的差距，并遵循配電等級(jí)越低對應(yīng)供電穩(wěn)定的原則選擇二級(jí)配電模式。通過變壓器電壓母線來試配配電箱，再由配電箱來供電。針對輸入功率較大的充電樁，則通過母線來直接供電。

因?yàn)橹绷鞒潆姌兜墓β蚀螅栽趯?shí)際安裝上也需要充分考慮變壓器。在安裝變壓器時(shí)的容量設(shè)計(jì)，是對應(yīng)充電樁的需求，并非與其他的需求綜合。比如，儲(chǔ)能型的充電樁隨著數(shù)量的不斷增加，其變壓器容量也逐漸穩(wěn)定，而增加容量的目的是解決電流對于變壓器的實(shí)際影響。非儲(chǔ)能充電樁因?yàn)闀?huì)受到中間環(huán)節(jié)的影響，采取隔離式變壓器來減少外界電流的影響，隨著安裝直流充電樁的數(shù)量增多，對應(yīng)的變壓器容量也需要增加。

根據(jù)實(shí)際資料調(diào)查分析能得出，要想明確直流充電樁的實(shí)際系數(shù)，要根據(jù)實(shí)際情況有效分析，并按照當(dāng)?shù)毓╇姴块T和項(xiàng)目情況進(jìn)行科學(xué)合理調(diào)整。在選擇變壓器容量上，需要考慮項(xiàng)目的正常用電需求，并適當(dāng)?shù)亓粲幸欢ǖ娜萘靠臻g，滿足后續(xù)充電樁發(fā)展。同時(shí)，采取控制器對充電樁的能源使用情況加以控制，在峰值期間能減少充電樁使用，降低直流充電樁的實(shí)際功率輸入，以此讓系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在峰值期間管理能源，按照充電樁類型來選擇。對于儲(chǔ)能直流充電樁應(yīng)采取分時(shí)充電原則，根據(jù)電價(jià)變化情況來充電，進(jìn)一步減少成本投入。此外，還要控制好充放電方法，進(jìn)一步延長設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，需要充分考慮防火性能，要將直流充電安裝在室外。直流充電和變配電室放在一起，以減少在線路方面的電能耗損。針對充電樁的回路，應(yīng)針對性設(shè)置好電流保護(hù)，并去除一些不必要的設(shè)備，做好接地防護(hù)，保證設(shè)備的正常使用。

6 新能源適用分析

新能源是補(bǔ)充傳統(tǒng)能源的重要方法，因?yàn)槠鋵Νh(huán)境友好的特點(diǎn)，被人們所重視。隨著當(dāng)前技術(shù)水平的提高，新能源已經(jīng)在民用建筑中得以廣泛應(yīng)用。針對民用建筑來說，常用的新能源有風(fēng)能、地?zé)崮堋⑻柲艿取Ｆ渲校L(fēng)能利用建筑主體優(yōu)化布局，確保建筑與外界通風(fēng)適合，減少能源消耗。通過風(fēng)能來發(fā)電，不考慮工程造價(jià)，會(huì)發(fā)電時(shí)產(chǎn)生較大噪聲，而且在城市中的風(fēng)能資源有限。如果是利用地?zé)崮茉磥戆l(fā)電，由于地?zé)崮芤矊儆谔烊荒茉矗枰獏^(qū)域內(nèi)有地?zé)崮埽缓笸ㄟ^地?zé)釤岜眉夹g(shù)來加熱水，實(shí)現(xiàn)建筑和供暖和制冷。太陽能則是通過太陽光線來發(fā)電，不會(huì)受到場地因素的影響。目前，利用光伏板來發(fā)電的技術(shù)成熟，以后還會(huì)不斷優(yōu)化，能進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率。隨著技術(shù)的發(fā)展，初期的成本投入也會(huì)降低，能為充電樁使用太陽能打下基礎(chǔ)。常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)中有充放電裝置、儲(chǔ)能裝置和光伏列陣等，而所選擇的容量可以根據(jù)光伏板輸出功率、面積和轉(zhuǎn)換效率等決定。當(dāng)前，因?yàn)槭艿郊夹g(shù)影響，所以光伏板的實(shí)際輸出功率一般在150 W/m2 左右，效率不低于70%。

針對民用建筑，可以利用離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種，主要考慮實(shí)際的用電量。如果安裝120 kW 左右的光伏系統(tǒng)，并不能有效滿足實(shí)際的用電需求；如果是利用離網(wǎng)型單一類型，則需要增加蓄電池的容量，目前主要是應(yīng)用并網(wǎng)型系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)為避免出現(xiàn)“孤島"效應(yīng)，及時(shí)采取相應(yīng)措施，比如設(shè)置防逆流控制裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器的電流與電壓，以此保證光伏系統(tǒng)的電量能小于實(shí)際的用電負(fù)荷，避免系統(tǒng)反送電能。

7 充電樁運(yùn)營管理對策7.1 構(gòu)建一體化服務(wù)體系

從實(shí)際情況入手來加強(qiáng)服務(wù)，為車主、企業(yè)和部門等提供綜合服務(wù)。在構(gòu)建一體化服務(wù)體系時(shí)，可以以當(dāng)?shù)氐墓芾聿块T為基礎(chǔ)，設(shè)置控制**，然后將充電樁連接在一起，加強(qiáng)運(yùn)營與管理，構(gòu)建一體化管理服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。迎合時(shí)代發(fā)展應(yīng)用信息化技術(shù)，建設(shè)數(shù)據(jù)庫，確保數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)更新，在服務(wù)體系中有充電樁、用戶、賬戶和汽車等多方面要素，讓用戶能及時(shí)明確充電樁的位置，提高服務(wù)質(zhì)量。7.2 增強(qiáng)車主意識(shí)

在實(shí)際管理中，應(yīng)增強(qiáng)車主的自身安全意識(shí)，減少事故的發(fā)生。充電樁的安裝和生產(chǎn)企業(yè)可以從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)充電樁在使用時(shí)的注意事項(xiàng)來設(shè)置活動(dòng)，也可以在車主充電時(shí)為其提供視頻學(xué)習(xí)，便于提高車主正確使用充電樁意識(shí)，減少事故發(fā)生。同時(shí)，還應(yīng)能將責(zé)任落到實(shí)處，針對充電樁的使用單位和負(fù)責(zé)單位都應(yīng)明確責(zé)任，并簽署合同，以此規(guī)范充電樁的安全使用要求和責(zé)任，提高使用人員自身的責(zé)任感，規(guī)范充電樁的使用方法。

8 安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

8.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)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。

8.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

8.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)**層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)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(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

8.4 安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

8.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)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(shè)備使用率，合理分配資源。

8.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)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。

8.4.3交易管理

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

8.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

8.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

8.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、 凍結(jié)和解綁。

8.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

8.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)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。

8.5系統(tǒng)硬件配置

9 結(jié)束語

大力推廣應(yīng)用新能源汽車的目的是減少對**能源的依賴。在充電樁中應(yīng)用新能源技術(shù)能減少對環(huán)境的污染，從而使新能源技術(shù)成為這一行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)。從當(dāng)前實(shí)際情況能看出，要想應(yīng)用新能源技術(shù)，依然需要較高的成本，在未來仍需不斷研究，降低成本，同時(shí)減少對環(huán)境的污染，推動(dòng)新能源汽車和充電樁更好地發(fā)展。

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[6] 蘇元偉.基于新能源的充電樁供配電設(shè)計(jì)與運(yùn)營管理對策研究

作者簡介

任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。