基于儲能系統(tǒng)的高速公路服務(wù)區(qū)充電站擴容解決方案

關(guān)鍵詞：高速公路服務(wù)區(qū)；充電站；儲能系統(tǒng)；擴容

中圖分類號：U491.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.03.060

文章編號：1673-4874（2025）03-0214-03

0 引言

近年來，我國新能源汽車持續(xù)爆發(fā)式增長，據(jù)統(tǒng)計，2024年我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別為1288.8萬輛和1286.6萬輛1，至2025年新能源汽車市場零售滲透率將突破 50%^[2] 。據(jù)隨機調(diào)研，廣大新能源汽車車主以及有意向采購新能源汽車的群眾對新能源汽車的長途旅行仍然有較大的顧慮，主要原因就是對長途旅行途中的汽車充電便利性存在一定擔(dān)憂。高速公路服務(wù)區(qū)充電設(shè)施已成為制約電動汽車推廣發(fā)展的阻力之一[3]

目前，以廣西區(qū)內(nèi)而言，充電設(shè)施基本已實現(xiàn)了高速公路服務(wù)區(qū)全覆蓋，但也存在一定的問題，主要表現(xiàn)為：（1）部分充電設(shè)施輸出功率較小，不能滿足大功率及超大功率充電需求，充電時間較長；（2）節(jié)假日車流量較大情況下出現(xiàn)充電排長隊造成服務(wù)區(qū)擁堵。面對此類情況，一般解決方案為對充電站進(jìn)行改擴建，對供配電設(shè)施、充電樁功率、數(shù)量等進(jìn)行擴容。但對供配電設(shè)施進(jìn)行擴容則需要更換變壓器、高低壓柜等一整套的變配電設(shè)備，對一些規(guī)模較大的在役時間較長的服務(wù)區(qū)，新增容量甚至需要對外電線路進(jìn)行改造，其投資較大且工期較長。

為此，本文提出一種基于儲能系統(tǒng)的高速公路服務(wù)區(qū)充電站擴容解決方案，具體為在0.4KV低壓母線上并入儲能設(shè)備，由變流器設(shè)備實現(xiàn)雙向能量流動，通過電池管理系統(tǒng)（BMS）根據(jù)指令完成對儲能系統(tǒng)的充放電控制4]，實現(xiàn)在不改變原有供配電系統(tǒng)情況下，對充電電源系統(tǒng)進(jìn)行擴容，提高充電樁輸出功率、縮短充電時長，達(dá)到對充電站擴容的目的。

1基于儲能系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)充電站擴容方案

1. 1 現(xiàn)實問題

傳統(tǒng)的高速公路服務(wù)區(qū)充電站一般由10KV單電源供電，設(shè)置630KVA或800KVA的變壓器和對應(yīng)的高低壓配電設(shè)備，充電樁和供電電纜，以及必要的監(jiān)控設(shè)施[5]充電樁一般選用為一樁二槍 2×60 KW直流快速充電樁，單槍最大輸出功率為120kW，考慮需要系數(shù)、同時系數(shù)等因素，一臺630KVA變壓器一般可向 6～8 臺快速充電樁供電，一臺800KVA變壓器則可向 8～10 臺快速充電樁供電，如圖1所示。

目前，大多數(shù)在役高速公路服務(wù)區(qū)用地面積為65333.33m2，單側(cè)約 ，用地較為緊張。服務(wù)區(qū)外接電線路一般也較為老舊，隨著附近村鎮(zhèn)用電負(fù)荷的逐年增加，很多架空線路已經(jīng)沒有增加負(fù)載的空間。而充電樁設(shè)備的使用率并不穩(wěn)定，充電樁專用變壓器的輸出功率也不恒定，存在較大的隨機性波動，周末及節(jié)假日期間用電負(fù)荷增長較多，由于使用率的提高，拉低了單槍的輸出功率，導(dǎo)致充電時間延長，由此惡性循環(huán)進(jìn)一步加劇了擁堵。比如在2023春節(jié)期間廣西沿海高速公路某服務(wù)區(qū)，排隊號超過20個，等候時間超過1h，造成較大面積的擁堵，也給駕乘人員帶來了極不愉快的服務(wù)體驗。

1.2基于儲能系統(tǒng)的擴容方案

結(jié)合對廣西多個在役的具有代表性的高速服務(wù)區(qū)充電站用電功率曲線分析，本文提出基于儲能系統(tǒng)的高速公路服務(wù)區(qū)充電站擴容解決方案。該儲能系統(tǒng)主要由儲能變流器、匯流柜、配電柜、儲能電池模組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、消防系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、儲能預(yù)制艙及相關(guān)電氣輔件組成。具體為：在0.4kV低壓母線上并入儲能設(shè)備，由變流器設(shè)備實現(xiàn)雙向能量流動，通過電池管理系統(tǒng)（BMS）根據(jù)指令完成對儲能系統(tǒng)的充放電控制，實現(xiàn)在不改變原有供配電系統(tǒng)情況下，對充電電源系統(tǒng)進(jìn)行擴容，提高充電樁輸出功率、縮短充電時長，達(dá)到對充電站擴容的目的。具體系統(tǒng)方案如圖2所示。

1.3儲能容量與擴容需求的匹配

采用儲能方式對充電站進(jìn)行擴容，儲能容量根據(jù)需求可模塊化增減，由此可實現(xiàn)更精準(zhǔn)的按需擴容。同時，考慮一定的前瞻性，擴容容量可預(yù)留一定的裕量。對廣西在運行的40對高速公路服務(wù)區(qū)充電站的調(diào)研表明，新能源車快速充電功率平時可達(dá)到42KW左右，在節(jié)假日高峰時期平均充電功率下降到約23kW、各服務(wù)區(qū)單輛車平均充電時長在21～29min。除個別較繁忙路段服務(wù)區(qū)，平時基本不存在充電排隊情況；在周末及節(jié)假日期間，有較多服務(wù)區(qū)存在排隊情況，尤其“黃金周”期間排隊較為普遍，排隊數(shù)量在20輛以內(nèi)，排隊時間則多在1h以上。對調(diào)研結(jié)果進(jìn)行分析，綜合充電功率、充電時間、排隊數(shù)量等因素，服務(wù)區(qū)充電站的儲能擴容方案可按表1進(jìn)行配置。

2模擬結(jié)果

為驗證基于儲能系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)充電站擴容方案的有效性，本文結(jié)合絕大多數(shù)服務(wù)區(qū)的實際配置對該方案進(jìn)行模擬計算。如圖3所示為服務(wù)區(qū)充電站典型的一天內(nèi)負(fù)載的波動曲線，取值為某服務(wù)區(qū)在春節(jié)期間某天的充電站用電量。由圖3可知，服務(wù)區(qū)充電站每日的用電量隨時間變化波動較大，白天用電量較大，夜晚則較低，其中白天在中午13：00左右達(dá)到頂峰，深夜至清晨則極少汽車充電。經(jīng)對多個服務(wù)區(qū)進(jìn)行比對，其波動曲線大致相似，只是用電頂峰點的時間每個服務(wù)區(qū)稍有區(qū)別。

本次模擬以該負(fù)載曲線為例進(jìn)行，主要設(shè)備參數(shù)為：變壓器800KVA，原帶載10臺120KW一樁二槍快速充電樁，現(xiàn)擴容為帶2臺240kW一樁二槍超級充電樁 +8 臺120kW一樁二槍快速充電樁，在低壓母線并入2組500KW ? h/250KW儲能設(shè)備。變壓器低壓出線開關(guān)處裝設(shè)電流監(jiān)測，當(dāng)電流超過變壓器二次額定電流 80% 時，儲能系統(tǒng)釋放電能，與市電同時向負(fù)載供電，減小變壓器的負(fù)載壓力，確保變壓器不超載運行，同時能滿足大功率充電樁的短時高功率需求；當(dāng)電流低于變壓器二次額定電流 60% 時，儲能系統(tǒng)進(jìn)入充電模式，給電池組進(jìn)行充電，可在一定時間內(nèi)提高變壓器的負(fù)載率，使得變壓器在經(jīng)濟運行區(qū)間運行，降低損耗，提高效率，獲得最佳的經(jīng)濟效益。經(jīng)過擴容后，假設(shè)負(fù)載與圖3曲線相同，則模擬充電站變壓器輸出的功率及儲能設(shè)備的輸出功率曲線如圖4所示。

由此可見，加入儲能設(shè)備后，變壓器整體帶載能力得到提高，實現(xiàn)了一定的削峰平谷作用。同時，由于提高了短時輸出功率的能力，對于支持大功率充電的新能源汽車，可以大大縮短其充電時間，有效提高充電站的整體服務(wù)能力和效率。擴容前，在充電站滿載運行情況下，單臺充電槍最高平均輸出功率為28.8kW，擴容后，單槍最高平均輸出功率可達(dá) ，對于一臺電池容量50kW·h的新能源汽車，從 30% 電量充至 80% 電量，可以將充電時間由約1h縮短至約 30min ，充電效率提高1倍。

3結(jié)語

隨著新能源汽車占有率的不斷攀升，大量高速公路服務(wù)區(qū)充電站存在不能滿足車輛中途快速補給的需求，已逐漸成為制約新能源汽車中長途旅行的障礙，也限制著人民對美好出行的需求和愿望。如何根據(jù)現(xiàn)實條件對原有充電站系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，因地制宜的解決供需矛盾，是一個值得研究的課題。

本文通過對廣西區(qū)內(nèi)多個在役的具有代表性的高速服務(wù)區(qū)充電站進(jìn)行調(diào)研，提出了一種基于儲能系統(tǒng)的高速公路服務(wù)區(qū)充電站擴容解決方案，經(jīng)過模擬分析，證明該方案是切實可行且有效的。該方案實現(xiàn)了在不改變原有供配電系統(tǒng)情況下，對充電電源系統(tǒng)進(jìn)行了擴容，提高了充電樁輸出功率、縮短了充電時長，達(dá)到了對充電站擴容的目的，在高速公路服務(wù)區(qū)有著廣闊的應(yīng)用空間。 ⑦

參考文獻(xiàn)

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[6]陳春紅.高速公路服務(wù)區(qū)停車場儲能式充電站的解決方案[J].公路，2017（7）：241-243.

收稿日期：2024-11-06