儲能式電動汽車充電樁設計與應用

邊慧萍，魏邦達

（1.許繼電源有限公司，河南 許昌 461000；2.重慶大學 電氣學院，重慶 401331）

0 引 言

節能環保一直是我國關注的重要問題之一。汽車作為現代社會的必需品，從使用到維護也應該遵循節約環保原則。相對于以往的汽車，新能源汽車有效改善了因為傳統汽車尾氣的排放所導致的大氣污染問題和人體健康問題，受到了各界的關注[1]。節能環保產業作為我國“十三五”時期重點培育的戰略性新興產業，電動汽車成為各家各戶的優先選擇。為了解決電動汽車充電不方便和充電耗時長的問題，儲能式電動汽車充電樁應運而生。

儲能式電動汽車充電樁的設計采用了交流電輸入配置，同時有漏電保護開關來保證用戶和電動汽車的安全，很好地解決了電流在輸入和輸出過程中可能出現的短路問題和漏電問題[2]。此外，交流電的輸入配置還具有防雷功能。當儲能式電動汽車充電樁設置在公共場合或漏天場景下時，能夠有效防止雷電對儲能式電動汽車充電樁造成損壞。

1 儲能式電動汽車充電樁的設計

儲能式電動汽車充電樁的功能和傳統的汽車需要加油類似，只是把汽車動能換成了清潔的電力能源。儲能式電動汽車充電樁既可以長時間豎立在地面或者固定在墻壁上，也可以安裝在公共場所或者公共建筑上，如安裝在居民樓、寫字樓、大型商場、停車場等地方，同時可以根據儲能式電動汽車充電樁不同的電壓等級為各種型號的電動汽車充電，方便居民的生活。儲能式電動汽車充電樁的電流輸入端與交流電網是直接相連的，而在輸出端則裝有配套的充電插頭用于車主為電動汽車充電[3]。儲能式電動汽車充電樁一般有兩種充電方式，即常規充電和快速充電。使用過程中，人們可以通過特定的充電卡在儲能式電動汽車充電樁所提供的操作界面上進行刷卡使用或進行所需要的操作。儲能式電動汽車充電樁的顯示屏可以顯示車主的電動汽車的充電量、費用、充電時間等數據，也可以根據需要打印相關數據。表1為電動汽車銷售量2017年和2018年同期的同比增長情況。

表1 電動汽車銷售量同比增長表

根據表1可以知道，不同的電動汽車雖然有著不同的性能，但是在銷售量上呈現出普遍增長的現象。電動汽車作為新興的汽車類型，通過銷售量的上升可以看出，大家普遍能夠接受這種新興的汽車，既環保又能節省油費，是人們出行非常好的選擇。

1.1 硬件設計

儲能式電動汽車的充電樁是指為電動汽車專門設計的用于充電的設備。儲能式電動汽車的充電樁與現在的加油站具有相同的作用。儲能式電動汽車的充電樁的組成劃分為四個部分：配電系統、充電系統、電池調度系統以及充電站監控系統[4]。儲能式電動汽車的充電樁給汽車充電的方式根據充電的快慢一般可以分為兩種：普通充電和快速充電。普通充電模式一般為交流電直接為電動汽車充電，可以直接使用220 V或380 V的電壓給電動汽車充電。快速充電的方法是直接對電動汽車進行直流充電，更加快速便捷。儲能式電動汽車的充電樁包含的設備主要有充電樁、有源濾波裝置和電能監控系統三部分。

在不同的充電方式中，慢充樁對汽車輸入的是220 V的交流電，充電主要靠車載的充電機完成充電。它需要連接充電線路，聯通儲能式電動汽車的充電樁與電動汽車通信溝通的電路進行充電。所用的充電設備體積不大，所以慢充樁不用很大。而快充樁輸出的是380 V的直流電，是直接對電池組進行充電，所以電動汽車充電的快慢需要看樁的功率大小來決定。慢充與快充則不同，不管在什么地方，儲能式電動汽車充電樁充電都是一樣的。

不同的電流與直流母線的關系是不同的。交流電網與直流母線是相互控制的關系，電池組和直流母線是相互轉換的關系，通過把電流轉化為儲存的電能加以備用。儲能電池組與直流母線的關系是通聯關系，通過儲能電池，用戶可以在沒有儲能式電動汽車充電樁時也可以用儲能電池組進行充電。

1.2 軟件設計

儲能式電動汽車的充電樁除了必備的硬件設備外，軟件設備也必不可少。在新能源的創新和發展上，太陽能、光能的儲存成為新能源界的熱詞，而“光儲充”逐漸成為新能源發展的趨勢。隨著科學技術的進步和發展，光伏、儲存能量、充電樁成為了一個電網系統。隨著儲能式電動汽車充電樁的普遍應用，可以實現電動汽車清潔能源的自給自足，形成一個多元互補的發電系統，實現經濟效益的最大化。此外，儲能式電動汽車充電樁可以有效減少和抑制電網對電動汽車的負荷沖擊，降低線路成本，產生了良好的社會效益。儲能式電動汽車充電樁源于電能，而電能不可隨時隨地進行補充，所以需要在可以儲存能源的時候盡可能儲存電能，以備不時之需。

隨著時間的發展和推進，電能利用率逐步提高。近些年，隨著儲能式電動汽車充電樁的逐步普及，人們對電能的需求越來越高，清潔能源逐步代替傳統能源，成為未來發展的必然趨勢。

2 實驗論證分析

為保證提出的儲能式電動汽車的充電樁設計方法的有效性，在此進行實驗論證。實驗論證采用相同充電類型的具有不同儲存性能的充電柱，進行儲能式電動汽車充電樁使用的論證實驗。為保證實驗的嚴謹性，采用傳統的充電方法，即通過傳統的充電插頭對電動汽車進行充電，然后運用提出的儲能式電動汽車的充電樁為電動汽車充電作為實驗論證對比，并統計充電速度和充電成本。實驗論證結果曲線，如圖1所示。

圖1 實驗論證結果曲線

圖1 代表兩種方法的充電方法充電耗時的曲線，其中橫軸為充電時長，縱軸為充電量，用百分比表示。隨著時間的推進，充電量逐步提高。根據圖1可以得出，儲能式電動汽車的充電樁與傳統的電動汽車充電有著明顯區別。開始充電時，儲能式電動汽車充電樁充電法優勢不明顯，但是在某些環境下，提出的儲能式電動汽車充電樁充電法優勢明顯。從耗時上看，儲能式電動汽車充電樁充電法具有明顯優勢，特別當充電時間持續9 h以上時，儲能式電動汽車充電樁充電法優勢突出，不僅節省了時間和大量的充電成本，還保護了環境，節約了能源，減少了電能的流失和浪費。儲能式電動汽車充電樁充電時，可以根據數據的實時反饋，達到對電能儲存量的了解，同時清晰了解電動汽車的剩余電量，有效控制充電時間。通過與傳統的充電方法進行對比分析可知，提出的儲能式電動汽車充電樁充電法較傳統的充電法降低了耗時，有效節約了成本。

3 結 論

隨著電動汽車的使用率急劇增長，電動汽車充電樁的不同步匹配、數量少問題，成為限制電動汽車普及的主要問題。電動汽車的使用受電能儲量的限制，無法做到隨時補充，所以目前購買電動汽車的用戶只能把電動汽車用于較短的行程或者僅僅在市內通勤。電動汽車的普及需要充電樁在建設、創新和數量等方面緊跟人們的需求進度，以促進我國電動汽車的普及和發展。