（铜川市王益区王家河工业园区管委会 陕西铜川 727000）
摘要：电动汽车的发展给汽车行业带来新的活力，其零尾气排放和舒适的驾乘体验深受消费者喜爱。但是电动汽车的能源补给中心-电动汽车充电站配套并不完善，这给电动汽车的推广使用带来阻碍。目前建成使用的电动汽车充电站，无法满足用户方便快捷充电的需求，因此急需推广规范化的充电站建设。
本文以某地区计划建设的一座电动汽车充电站为例，详细介绍了该充电站的设计，重点分析了主配电线路设计和信息管理系统的设计，讨论了各关键设备的选型，监控系统设计以及信息管理系统的数据库设计等。相关经验可以在其他充电站建设中推广。
关键词：充电站设计；元器件选择；系统管理。
绪论：
科技的飞速发展改变了人们的生活方式，我们生活水平日益提高的同时，也加大了对能源的掠取和对自然环境的破坏。如今人们生活中的一切衣食住行活动都需要消耗能源，而人类活动对自然环境的破坏在近些年日益明显，如全球的气温升高，雾霭天气的日益增多，厄尔尼诺现场引发的自然灾害的增多等等。对能源的消耗主要面向石油、煤炭以及天然气资源，而引发环境问题的主要因素，主要也是对石化能源的燃烧。石化能源作为一种不可再生能源，将逐渐使用殆尽，国际能源机构2013年统计，未来100年内，石油能源将消耗殆尽。
汽车作为目前普及率最高的交通工具，每天都消耗着大量的石油资源，汽车尾气也是造成大气污染的首要因素。开发使用新能源替代石化能源是解决石油短缺与环境污染问题的关键。如今已经发展出了燃气汽车、油气混合汽车、纯电动汽车、油电混合动力汽车等。这其中，电动汽车是尾气排放最小的新能源汽车，几乎实现了零排放。因此电动汽车的发展受到世界各国的重视。同时电能的来源可以通过光伏发电、风能发电、潮汐发电、水力发电、地热发电等多种形式产生，这些能源都是取自自然界，能源可再生并且使用过程没有任何污染，将汽车的发展和使用带到全新的高度，因此电动汽车是未来汽车发展的趋势，并且终将会取代传统能源汽车。
1.选题的背景及意义
电动汽车的发展不仅要使得电动汽车本身性能和舒适度提高以满足用户使用，更重要的是配套的基础设施的健全，使得电动汽车的使用方便快捷。这其中最主要的基础设施即电动汽车的能源补给中心-电动汽车充电站。传统能源汽车以柴油和汽油为主要燃料，广泛建设的加油站为汽车的能源补给带来方便。电动汽车充电的便捷程度如果能够达到像传统能源汽车那样，则其必将被消费者普遍接受。
目前电动汽车本身的技术发展水平较高，电动汽车的安全性、稳定性、舒适度都较高，电池的续航里程也较长，同时电动汽车本身的价格也相对合理，这些条件都普遍满足消费者的需求，但是电动汽车充电站的发展严重滞后，无法满足电动汽车消费者方便快捷充电的要求。以大连地区位列，大连地区目前建成使用的电动汽车充电站仅有8座，分布在6个辖区内，无法满足方便快捷充电的需求，目前电动汽车消费者多是使用车载充电器在民用电基础上进行充电。
通过调研大连地区已建成的电动汽车充电站发现，目前电动汽车充电站无论配套设施、还是管理方面都严重不足。如输配电方面没有进行冗余设计，因此当输配电变压器故障或是进行检修维护时，充电站将停止运转；充电站和电网之间没有加装滤波装置，充电机产生的谐波电流将会污染电网；充电站的运行监控不完善，缺少统一的安防监控和充电设备运行监控；充电站缺乏信息发布终端，无法进行充电预约或是查询目前充电站排队充电汽车的数量等等。因此本文对电动汽车充电站设计研究具有重要意义。体现在如下几方面：
（1）规范化充电站设计，提高使用安全性
充电站以10KV母线为输配电主线，经过10KV/0.4KV变压器转换后在充电站内部使用，因此充电站建设必须满足标准化要求，同时考虑未来的发展要求，适当增加变压器容量，在输配电变压器等关键设备方面进行冗余设计，以提高电动汽车充电站的安全性和稳定性。
（2）合理设计充电容量，提高使用的便捷性
充电容量直接关系到充电站的负荷能力，设计时应该留有充足的容量，以备未来扩容的需求。在建设前期，考虑到电动汽车的市场占有量较少，则充电站的充电机数量可以较少，但是随着电动汽车保有量的增加，充电站内部应该能够稳步增加充电机，以满足充电要求。这要求充电站的面积、相关设备的选择以及各种接口都应该进行预留，以方便扩充。同时充电站应该提高信息化程度，提供手机APP实时查询和预约功能，以提高使用的便捷性。
（3）节约能源、降低环境污染
合理的充电站设计能够提高消费者对电动汽车使用的吸引力，加大电动汽车的推广使用，进而减少传统能源汽车使用，实现节约能源、降低环境污染的效果。
2、电动汽车及其充电站的国内外发展现状
我国的电动汽车及其充电设施的发展相对较晚。在2008年以前，我国的电动汽车和充电站建设多是以示范工程为主。2008年的北京奥运会是我国电动汽车及其相关行业发展的转折点。为了实现绿色奥运，建设了服务于奥运的电动汽车充电站，推出了全自主知识产权的电动汽车，参与研发电动汽车的单位包括清华大学、同济大学等高校，也包括了东风汽车、上海大众以及北汽福田等汽车企业。在完美的完成奥运服务之时，也检验了电动汽车的安全性和可靠性，使得电动汽车的发展逐渐深入民心。
在日本则较为注重集中大型充电站的应用。日本国土资源较小，人口密集，资源短缺，因此必须在有限的空间上获得更大的效益。日本政府非常重视电动汽车的发展，并大力支持电动汽车充电站的建设，早在2009年就建成使用了100多座电动汽车充电站，截止2015年底，已经建成2000多座充电站。法国推广使用电动汽车最早可以追溯到1970年，截止2008年底，投入使用的充电站已经达到200多座，到2015年底，充电站使用数量达到1000多座。在法国充电站和交流充电桩的发展并驾齐驱，这一方面得益于政府对电动汽车发展的支持，对其配套基础设施的大力建设，同时电动汽车用户也有足够的空间和能力建设独立的交流充电桩。
3、电动汽车充电站的系统组成
要合理的规划和设计电动汽车充电站，首先要对充电站的功能以及各个部分的组成有明确的认识。从功能上分析，电动汽车充电站必须要能够满足给电动汽车充电的要求，因此，需要有一定的场地要求，需要有供配电要求，需要有充电设备的要求，需要有电池存储与维护的要求。在基本功能实现的基础上，还必须有相关的配套设施，如消防安全设施、设备的运行监控设施等。再此基础上，为了保证充电站能够更好的服务，还需要有站内信息实时发布系统，方便充电用户的预约和查询。
（1）充电系统
充电系统是实现电动车充电的最终机构，由各种充电机组成。充电机有不同类型，如快速充电、慢速充电以及中速充电等，消费者根据不同的需求选择不同类型的充电机，因此作为一个多功能大型充电站，必须配备这三种充电机，但是根据对消费者的消费行为和数理统计分析，应该有所侧重，大型充电站中应该更多配置快速充电机。
在充电机的选择方面，为了方便充电站的整体监控管理，充电机应该配备外部通信接口，并且具有通信功能，能够将运行中的各种数据实时传输到充电站的运行管理中心。
（2）电池更换和维护系统
电池更换和维护系统主要针对电池进行更换和维护，它与充电系统功能类似。相比与充电系统，该系统需要更大的空间和占地面积。首先电动汽车的电池组体积和质量都较大，因此在电池的存储方面通常需要设计电池存储架，以规范电池的存储，电池架上同时需要配电充电系统，能够对电池进行慢速充电，选择慢速充电是因为这种充电方式不损坏电池。其次，电池的搬运需要配备专用的机械手或是搬运机器人，以节省人力成本。
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（3）监控系统
作为大型充电站，其必须配备完善的监控系统，以保证充电站安全稳定的运行。监控系统即要对变电站各个设备的运行状态监控，也要对站内的安防内容进行监控，如视频监控、防火防盗监控等。
（4）信息发布系统
信息发布系统是为了节约用户排队等待时间，方便用户使用。随着生活节奏的日益加快，电动汽车的日益增多，充电站将出现供不应求的局面，同时因为充电时间相比与传统的加油时间较长，因此在高峰时刻将出现排队充电现象，而信息发布系统可以实时的将充电站内闲充电机数量或者排队等候车辆数量通过网络发送出去，用户可以通过手机客户端进行查询。同时也提供充电预约等功能，给用户更好的充电体验。
4、充电站配备容量的计算
充电站设计中最重要的设计内容是计算充电站的配电容量。电能是充电站运行的基础，不仅充电机需要供电，其他的照明、信息系统、监控系统等都需要供电，通过合理准确的计算配电容量才能最终获得变压器的配备参数。如下将重点分析充电站配电容量的计算。
配电容量的决定性因素是充电站的充电能力和充电站的建设规模。在容量计算中，主要考虑两方面的内容，其一是充电容量，设其为P1，其二是其他配套设施的用电功率，设其为P2，则充电站配电容量的公式为：
P=P1+P2
配套设施的用电功率P2的计算：
配套设施的用电功率取决于充电站的建设规模，其中包括所有的照明设备功率，办公用电功率，各种空调设备功率。
充电容量P1的计算：
电容量的计算取决于如下因素：①充电机数量，②充电机同时工作的系数，③充电机功率因素，④充电站的最佳负荷率等。具体公式如下所示：
上式中P0代表充电设备的最大输出功率，η代表充电设备的工作效率，cos代表充电设备的功率因数，K 代表充电设备的同时利用系数。
5、充电站引起的电能质量问题及其治理方法
充电机工作的谐波分析：充电机是充电站的最主要工作设备，其内部结构和工作原理如下图所示。大功率充电机通常采用380V交流电作为动力电源，动力电源接入后首先经过三项桥式整流电路，将交流电变换为直流电，然后经过电容等滤波器件对其滤波，经过滤波后其直流电相对平稳，后经过频率较高的功率变换装置，输出满足充电要求的直流电，最后经过滤波后送给电动汽车充电。
电动汽车充电站谐波问题的治理：（1）从谐波源处降低谐波含量。从谐波源处降低谐波含量是从充电机端采取措施，抑制谐波的产生。从上小结分析可知，充电机工作时产生的谐波主要来自整流部分，因此可以引进多脉动整流技术抑制谐波产生。这种方法在源端抑制谐波产生，是最为积极的治理方法，而其余方法都是在谐波产生后通过增加滤波设备抑制谐波，属于被动的谐波抑制。多脉动整流技术采用的方法包括多相整流、脉宽调制整流、功率因数校正等。（2）增加谐波滤除装置属于被动的滤波方法。这种方法是在动力电源和充电站主线之间增加一种滤波装置，实现谐波抑制，这也是最为常用的谐波抑制方式。电力滤波装置有无源滤波、有源滤波装置、动态电压恢复器、静止无功发生器以及统一电能质量调节器几种。
6、主接线设计要求
主接线设计要综合考虑各种因素，即满足功能实现要求，又要保证建设的经济合理性，同时要考虑未来的扩展需求。本文设计的甘井子充电站属于大型充电站，按照国家标准，该大型充电站的进线端为10KV需要经过变压器将其转换为380V的交流动力电。
设计中，增加了直流电源柜装置。因为充电站内部的应急照明设备、安防设备、远程控制设备等需要24V等直流电压，如果每一个设备端都采用交流转直流电源，则电源模块会使用很多，成本较高，因此采用统一的直流电源柜装置。
7.变压器选择
油浸式变压器冷却介质采用绝缘油，冷却方式可以采用油浸自冷、油浸风冷、强迫油循环水冷却和强迫油循环风冷却等方式，并可以通过增设潜油泵加快绝缘油的散热，因此散热速度快，冷却效果最好，其变压器容量也非常大，三相最大额定容量能够达到2500k VA 以上，能够应用在35KV的供配电网络中。
干式变压器通常采用自冷方式或是风冷方式，没有绝缘油等冷却介质，因此散热效果相比于油浸式变压器较差，这也造成其变压器容量较低，通常在1600k VA以下，适用电压等级在10KV以下的配电网中。但是因为结构设计中没有绝缘油，因此其防火防爆的安全性较高，安全系数较高。
考虑到变压器运行的安全性以及充电站的防火等级的要求，设计采用10KV 的干式变压器。
8.断路器选择
断路器是充电站供电线路中重要的保护和控制设备，当电路中负荷过大或者发生短路故障时，断路器能够通过可靠的切断主电路，以保护变压器和线路上其他设备，防止其损毁。因此断路器对于供电回路运行的稳定性至关重要。
在大负荷供电回路中，断路器工作时面对的主要问题是产生电弧，因此断路器的灭弧设计是衡量断路器性能的重要标准。断路器灭弧通常采用灭弧介质实现，按照灭弧介质的不同，断路器可以分为SF6 断路器、多油（少油）断路器、压缩空气断路器以及真空断路器等。
9.结论
通过查阅大量有关电动汽车充电站建设的相关文献，结合大连地区电动汽车充电站的建设需求，本文介绍了大连甘井子电动汽车充电站设计。该充电站是大连地区目前建设规格最高的一座，充电容量大、充电机最多。占地面积最大。在输配电方面采用了双路冗余备份方式，避免主变压维护或者故障时造成充电站停运，在监控系统方面，配备了充电设备运行监控、安防监控和视频监控等全方位、立体化的监控设备。
论文首先分析了电动汽车充电站建设的相关技术，通过查阅相关文献并结合目前科技发展和无人值守充电站的要求，确定了充电站的系统组成，包括供配电系统、充电系统、电池更换和维护系统以及监控系统。通过对比分析平面充电站和立体式充电站的各种优缺点，结合大连市政府对该充电站的规划占地，最终选定平面式充电站设计，这能够有效降低建设成本。论文讨论了充电站的配电容量计算和充电站产生的谐波问题，并重点分析了谐波问题的治理方法。作为配电网的一部分，充电站产生的谐波将回馈到电网中，对电网产生污染，因此本设计中通过加装APF滤波器方法，有效滤除谐波。设计中确定了关键设备的选型，包括干式变压器的确定、SF6 断路器的选择、充电机的选择，监控设备的选择等。其中成套设备的选定是在方案对比分析和招投标结果上确定。
在电动汽车充电站的监控系统和信息管理系统设计方面，创新了充电站信息发布管理和充电预约功能。在目前移动互联技术的发展前提下，通过移动客户端可以发布充电站的等候排队汽车数量，并给用户提供预约充电功能，可以节约用户排队等候时间，给用户更好的充电体验。只针对主配电电路设计、关键设备选型以及充电站信息管理系统和监控系统设计等问题进行讨论。这其中，多数是通过对不同设备厂商的对比和招标，确定系统集成方案和厂家，作者并没有从事其中的硬件设备的设计工作，也没有对土建部分进行描述。
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作者简介：
刘明放，男，汉族，陕西铜川人，出生于1967年2月15日。1991年7月毕业于西安建筑科技大学自动控制系工业电气自动化专业；大学，电气工程师；现任陕西省铜川市王益区王家河工业园区管理委员会总工程师。
论文作者:刘明放
论文发表刊物:《河南电力》2018年19期
论文发表时间:2019/4/15
标签：充电站论文; 电动汽车论文; 谐波论文; 断路器论文; 充电机论文; 设备论文; 容量论文; 《河南电力》2018年19期论文;