電動汽車集成一體式充電站設計

麥棟明

（海鴻電氣有限公司，廣東 江門 529328）

0 前言

隨著“雙碳”目標的提出以及新能源汽車行業(yè)利好政策不斷，電動汽車的市場占有率不斷提高，截至2022 年已達到25.6%，提前3 年完成國家《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020 年）》提出的到2025 年達到20%的目標。充電樁作為新能源汽車的配套基礎設施，早在2020 年已被納入新基建當中，其需求與新能源汽車的發(fā)展呈正相關。但目前充電樁的建設存在以下問題：城市土地資源緊張，新增充電站用地選址難；電動汽車充電站初始投入大，回報周期長；加裝充電樁周期長，難以配合充電需求靈活擴展；缺少光伏發(fā)電及儲能等功能系統(tǒng)，經(jīng)濟效益低。

因此，針對以上問題，提出一種電動汽車集成一體式充電站的方案，與傳統(tǒng)充電站的對比如表1所示，其具有高度集成、體積小、擴展靈活以及功能配置豐富等特點，主要包括5 部分：高壓部分、變壓器部分、低壓部分、充電部分、光伏部分和儲能部分[1-3]。

表1 電動汽車集成一體式充電站與傳統(tǒng)充電站的對比表

1 關鍵設計

1.1 外箱結構設計

為使充電站的占地面積最小，故須對各個部分采用小型化設計或特殊結構設計。但考慮到可替換性以及經(jīng)濟性，高壓柜、變壓器以及充電設備應采用常規(guī)方案，這樣方便出現(xiàn)設備故障時進行快速更換。而低壓部分由于電壓為0.4 kV，柜內(nèi)帶電體的電氣距離較之于高壓側(cè)小很多，且低壓側(cè)的故障多數(shù)為單個零件的異常，整柜更換的情況較少，因此可對低壓柜進行小型化設計，這樣可以在高度方向縮小尺寸，進而設置變壓器部分在低壓部分的上層，形成外箱的雙層結構。

另外，為使充電設備與充電站集成一體化，外箱的底框設計了相應的底座，便于充電設備的安裝，此外，底框的內(nèi)部還設計了電纜通道，這樣就可以使低壓部分能方便地給充電設備供電，出廠前可以安裝調(diào)試完成，減少現(xiàn)場工作量。對于充電站不能覆蓋的車位，可以設計電纜槽延伸至相應處，并設充電樁在電纜槽上方，這樣無論是前期規(guī)劃充電樁還是后期增加，都無須開挖電纜溝做基礎。

外箱頂蓋設計為覆蓋整個充電站，這樣可以為充電設備提供更好地工況，即使多數(shù)充電設備可戶外使用，但長期暴曬雨淋還是會使其故障率增加；另外，頂蓋設計有光伏組件，頂蓋的面積越大，發(fā)電量也會越大，因此全覆蓋式的頂蓋更適合此充電站，如圖1 所示。

圖1 電動汽車集成一體式充電站外箱結構設計

1.2 光伏設計

光伏系統(tǒng)的設計可分為2 部分，充電站的外箱頂蓋的光伏、充電站車棚的光伏。目前，市場上有多種光伏發(fā)電組件，如單晶硅、多晶硅、HIT、非晶硅、銅銦鎵硒和碲化鎘等，雖然這些組件已標定了功率，但是在相同的運行條件下，實際發(fā)電效率卻有所不同，碲化鎘在太陽輻射量較高，少云或多云地區(qū)有優(yōu)勢，廣東多為此氣候。另外，外箱頂蓋上安裝光伏發(fā)電組件，最好選用體積小、重量輕的組件，避免頂蓋受壓過重而變形。故此，頂蓋上選用碲化鎘光伏發(fā)電玻璃，車棚上的光伏組件的選擇應與頂蓋光伏組件一致，這樣可使逆變器的輸入?yún)?shù)一致，運行更穩(wěn)定。

光伏逆變器的選擇應根據(jù)光伏組件的發(fā)電功率以及充電站的功能需求來選擇。光伏發(fā)電總功率由車位以及充電站設備占地面積所決定，箱式變電站的容量一般在800 kV·A 以下，設直流快充樁（60 kW）12 支和交流慢充樁（7 kW）6 支，可以覆蓋18 個以下的車位，則車位設置在雙側(cè)可以使整個充電站布置最合理，如圖2 所示。碲化鎘光伏發(fā)電玻璃的尺寸為1 200 mm × 600 mm × 6.8 mm，功率為105 W，再加上休息室也加裝光伏發(fā)電，因此整個場站的光伏發(fā)電功率在60 kW 以下，逆變器的選擇功率為60 kW 即可，另外，由于發(fā)電功率不大，可自發(fā)自用，供場站內(nèi)的日常用電以及交流慢充樁用電，故逆變器選用離網(wǎng)逆變器。再加上充電站設置有儲能系統(tǒng)，所以逆變器還須具備給蓄電池充放電的功能，功能架構圖如圖3 所示[4]。

圖2 充電站車位布置圖

圖3 離網(wǎng)逆變器系統(tǒng)架構圖

1.3 儲能設計

儲能系統(tǒng)與箱式變電站一體化設計，安全防護設計為重點。鉛酸電池技術成熟、穩(wěn)定性好，并且可回收利用，市場價格優(yōu)勢明顯，非常適合此方案的設計。儲能電池室設置在高壓室背面，電池規(guī)格為150 A·h/12 V，共設30 節(jié)，可儲大約54 kW·h。針對電池的運行狀態(tài)，配置了電池巡檢儀裝置，包括1 個監(jiān)控裝置屏和2 個電池巡檢裝置模塊，這樣就可以實時監(jiān)測單體電池的狀態(tài)，如圖4 所示[5]。

圖4 儲能電池室設計

此外，為對防火安全進一步提升，對儲能電池室四周側(cè)壁加裝防火水泥板，以及在頂部安裝懸掛式七氟丙烷氣體自動滅火裝置，這樣可以保證即使發(fā)生火災也可以最大限度地阻擋火勢的蔓延。在安防警示方面，設置兩個聲光報警器在充電站頂蓋上，為正在站內(nèi)充電的人員發(fā)出告警驅(qū)離。

2 應用案例

此為電動汽車集成一體式充電站的實際工程驗證，該充電站占地面積約900 m2，設有18 個充電車位，還配置有休息室，道路四周環(huán)繞，進出方便。充電設備采用了充電堆 + 分體式直流充電樁的方案，共設14 支分體式直流充電樁，單樁額定功率250 kW，充電堆功率為600 kW，通過矩陣式柔性分配技術，為分體式直流充電樁輸出最佳充電功率。此外，該充電站還設有4 支7 kW 的交流慢充樁，其電源主要由光伏儲能系統(tǒng)供電，為電動汽車供給綠色電能，提高經(jīng)濟效益的同時實現(xiàn)低碳減排，符合國家“雙碳”的目標，如圖5 所示。

圖5 開平海鴻集成一體式充電站

3 結束語

本文介紹了一種電動汽車集成一體式充電站，其占地面積小，并且集光、儲、充于一體，功能配置豐富，完美解決了傳統(tǒng)電動汽車充電站占地面積大、建設周期長、充電樁擴展難、資源利用率低等問題。另外，一體式設計減少了土建面積，不但降低了投資，還能為充電站增加更多的車位，大大提高了充電站的效益；另一方面，運營商在場站遷移時可對整套設備進行搬遷，大大減少了損失。實際運行案例證明了該設計方案的運行可靠。