摘要：近年来，我国相继发布电动汽车和充电站建设补贴政策，充电站建设处在迅速扩张阶段，但由于充电站设计方案不合理，出现了充电站投资高、效率低的尴尬境地。本文对充电站总平布置、充电机的选择、变压器容量选择中的难点进行分析：通过对充电车位的停车方式和站区交通组织分析，针对充电站建设位置不同、使用车辆不同和不同站区自然地形等概况，提出了合理的充电站总平布置方案。通过对广州XX公交车充电站的设计，充电机参数，广州公交、乘用车主要车型充电参数分析，提出了充电选型方案对比分析，给出充电机配置机型的优化方案。通过对充电站的充电机负荷系数、变压器运行数据进行分析，给出适合公共充电站的充电机需要系数值，最终合理选择充电站配电变压器容量。
关键词：充电站；总平布置；充电机配置机型；变压器容量选择
电动汽车充电站设计重点包括：充电站总平布置、充电系统、供配电系统、监控系统及通信、视频安防、土建及消防、辅助功能区等。其充电站总布置涉及站区充电停车位布置和交通组织、充电系统中涉及充电机配置机型选择、供配电系统中配电变压器容量选择是充电站设计中的难点。
1.电动汽车充电设施布局规划的影响要素
1.1充电环境
电动汽车所处的环境易影响充放电效果，尤其是环境温度，它造成的干扰最明显。在低温环境下，电池电量不容易释放出来，电动汽车的充放电效率较低，因此在充电过程中应确保充电的环境温度较稳定。
1.2充电时间
不同充电运行模式下，电动汽车的充电时间有着相对较大的区别，因此必须采用不同的充电方法。对于充电要求相对较低的电动汽车，可选择在停运时间段内给汽车充电；对于充电要求特别严格的电动汽车，必须通过更换电池组的办法进行快速换电；对于运营类车辆要求停站时间短、需快速充电又不换电池的情况下，选择大功率快速充电的方式。
1.3电动汽车运行模式
目前，根据市场上电动汽车的运行模式的不同，充电时间及续航都有一定的差别，针对不同的用户可区分为：公交车，汽车租赁，网约车，未来新能源汽车将进一步扩大试点领域，向城市物流车、环卫车、商用车和工程车等公共服务领域拓展。根据实用充电实际情况可分为慢速充电、快速充电、超级快速充电、换电等充电方式。
1.4电动汽车的充电总量
电动汽车的充电总量的数据能直接反应出地区电动汽车的运营状态和增长趋势等，只有在充电量累计到一定规模后，这个地区才增设充电站；充电站的设置受到电动汽车充电总量的影响。除此之外，电动汽车的保有量及行驶里程，直接关系着充电总量，因此要计算好各区域电动汽车的实际充电总量，能更好实现对充电站布局建设做出科学合理的规划。
2.充电机设备组成
通过对目前充电桩产品的架构分析，结合未来的技术发展趋势，新型充电桩产品架构分为电气控制单元和认证结算单元两个部分，硬件采用两块独立的板卡设计，其中一块板卡负责充电桩的充电控制部分，另一块板卡负责充电桩的交易服务。交易服务又叫认证结算单元需要进行强制独立认证，这样做的好处是利用不同厂家充电桩运营服务的标准化，减少不同厂家充电产品结算运营等差异性，提高充电系统产品协同性、稳定性。建立统一标准的交易结算模式，有利于提高了电动汽车充电用户操作的便利性与交易的安全性。
认证结算单元板卡负责完成包括人机界面、读卡器和EASM认证、通信模块及增值服务等部分功能；其中通信模块负责同时与电气控制单元部分、监控运营平台系统及电度计量等设备进行信息交互。电气控制单元板卡负责完成包括充电控制器及充电单元等部分功能。采用此种架构设计的充电桩，实现了充电技术与充电业务的分离，有利于充电桩进行标准化设计，任何用户业务需求的变动无需改动充电桩底层电气控制部分，利用充电桩产品的后期升级维护，降低充电桩运维成本。
2.1充电设施技术特点及选型
新能源汽车充电设施一般可以分为慢充和快充两种模式。慢充模式是指充电设施为交流充电设备，输入的是单相交流电，而输出的同样是交流电，不能直接为新能源汽车的蓄电池充电，而是需要通过新能源汽车配备的车载充电机，才能实现充电功能。慢充模式的充电设施一般适用于公用型和家庭型两种电动汽车充电，充电设施的最大输出功率控制在7kW以内，需要的充电时间相对较长，其优点是设计相对简单，施工操作简单，投资成本较低，且很多的新能源汽车售卖点提供赠送服务，因此比较受欢迎。快充模式是指采用直流充电，充电设备内部安装有整流设备，可以直接为新能源汽车提供直流电源，为蓄电池充电。直流快充的充电设施生产厂家不同，其最大的输出功率有所不同，但一般不低于30kW，最高不高于360kW。通常质量较高品牌的直流快充设施，其对应的输出电流和电压的变化范围较大（直流输出200~750VDC），可以适应不同类型的新能源汽车，满足不同的充电需要。一般情况下，新能源汽车快充设施的安装方式为落地式。对于新能源汽车充电设施的选择，则需要根据建筑物的设计、用途，总结附近人群以及使用建筑物的人群特点、使用新能源汽车的类型和特点，合理选择充电设施。通常情况下充电设施会选择快充和慢充合理组合设计、共同拥有的形式，以便满足不同用户的需求。
2.2直流充电机功率自动分配介绍
以组合式直流充电机一机一桩四枪的结构型式为例说明：充电机为主机，直流充电桩为辅机，各带有2把充电枪，共4把充电枪，可同时满足4辆电动汽车同时充电，也可以单枪最大功率充电，同时能满足2枪同时给一辆电动汽车2个充电口充电的方式。每个充电口根据直流充电机与车辆BMS通信，按车辆BMS信息需求自动调整充电参数，包括充电电压、充电电流等。每个充电接口可以实现功率智能自动分配的功能，具体分配原则详见如下：
1）直流充电机系统内由多台电源模块并联冗余输出组成，各个电源模块输出均接至一套负荷分配模块单元板，功率分配单元板具有输出4路直流母线，4路母线分别接致到A充电口、B充电口、C充电口、D充电口，每个充电口均可以根据车辆BMS通信信息需求使各充电口输出相对应的电压、电流；当监控充电机系统检测到BMS需求信号时，会控制系统内的负荷分配模块单元板调节输出切换致相对应需求的充电枪口对车辆进行充电；
2）充电机可以设计为按时间先后需求优选或按充电口同时充优先的选择方式，满足客户对车辆充电的实际运营需求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆按时间先后需求优先即为根据车辆先到先充的模式，车辆到了与对应的充电接口正常连接通信后按需求正常充电，充电机剩余的容量可根据后来车辆分配给后面的车辆充电，满足按时间上的主次充电模式；当充电机系统设计为同时充电优先的模式充电时，即当第一辆车过来需要大功率需求充电时，可以满足第一辆车需求充电，当后接着来车充电时，充电机剩余容量不够后面充电车辆需求时，则充电机系统会自动切换第一辆车的充电功率分配至其它充电口充电，最终达到4个充电口同时输出功率至各个充电枪充电的模式。充电接口单元划分越多系统配置越复杂，会降低系统的可靠性和安全性。
2.3充电设施配电系统设计
第一，需要根据充电设施的使用场所、新能源汽车蓄电池的容量以及充电设施的类型等因素，确定配电系统设计需要的参考数据。充电设施使用的场所不同，其充电高峰期的需求和时间也有所不同，因此，需要考虑变压器工作的载荷情况，确定配电系统系数。此外，若是需要改建或是扩建，则重点审核变压器的容量和载荷情况，确定其是否满足改建、扩建的需求。第二，确定配电系统的负荷等级。通常情况下政府部门的充电设施可看作是二级负荷，而民用建筑的负荷等级则为三级，相关的监控系统和计量系统可以看作是二级负荷。此外，对于有特殊用途的场所则需要根据实际情况确定负荷等级。第三，充电设施配电箱的设计。新能源汽车的充电设施需要按照区域配电，而配电箱提供的配电范围则不宜过大，应以不跨越防火分区为主，线路的回路设计最好不超出十回，安装时配电箱最好与地面保持约30cm的距离，并结合相应的防护等级实施安装。配电箱一般安装在车库等室外场所（充电设施附近），根据实际所场则需要安装一定的防护措施，避免撞击等损坏配电箱，影响新能源汽车充电设施的安全使用。
3.目前电动汽车充电设施运营方式的分析
目前电动汽车充电基础设施建设运营的商业模式主要有电动汽车制造厂商主导模式、电网企业主导模式和第三方建设运营企业主导模式，以下将针对这三种模式选取典型案列进行分析。
3.1特斯拉超级充电站
特斯拉超级充电站是由电动汽车制造厂商主导的模式，它由特斯拉公司自已投资建设“超级充电站”，站点主要建设在位于大城市之间的高速公路旁的服务中心和城市商业中心附近，它只为其自己旗下的电动汽车提供充电服务，且该服务为永久免费服务，目前特斯拉已在全球建设了500余个超级充电站，其中在中国就投资建设了100余个超级充电站，是特斯拉除美国以外的最大充电网络。另外，作为补充特斯拉还向消费者随车附送了一台壁挂式交流充电桩，用户只需要拥有一个固定车位，与物业沟通后即可由第三方团队有偿安装。该模式的优势在于能够充分保证充电服务的质量，给客户提供更佳的服务体验，但服务对象仅限购买该品牌汽车的客户，客户群较为狭小。
3.2青岛公交换电站
青岛换电公交模式是由电网企业主导的模式，它由国家电网青岛供电公司负责投资，委托许继集团进行总承包建设，采用“主业管理、运维外包”的运营模式，即站点建设完成后，继续交由许继集团成立专业运维团队进行充换电设施的运行和维护，不仅缓解了电网企业的用工压力，也保证了充换电设施维护的专业性。
该模式的优势在于电力企业可以充分发挥其在上游电力能源生产环节和电力传输网络上的优势，可以最大程度发掘电力资源较汽油的价格优势，同时，电力企业在充电技术和充电标准上也更具行业经验，但其劣势在于电网企业缺少终端销售网络和充电站的运营经验。
3.3深圳公交充电站
深圳公交充电站是由第三方建设运营企业主导的模式，深圳市政府通过特许经营的方式，将中国普天作为运营商引入，深圳的公交充电站均由普天公司投资建设并负责运营维护，目前该公司已在深圳投入了超过10亿元建设了74座充电站，主要客户为深圳的公交公司和出租车公司。普天公司通过“燃油对价”的方式赚取同里程下形成的油电差价，即公交公司按照传统燃油大巴的标准，计算行驶里程所需的等价燃油费支付给普天公司。该模式的优势在于第三方建设运营企业通过获取优质的公交公司和出租车公司等客户资源，保证了长期稳定的收益，但该模式需第三方运营企业有足够强大的资金实力作为支撑。
3.4电动汽车有序充电模式
基于最优经济运行的有序充电主要针对充电站充电桩设备的利用，部分文献也以负荷波动或充电成本最小为优化目标。研究结果表明，这些优化策略除了减小功率损失外，同时可降低峰荷需求，提高负荷率，在一定程度上减小了充电对系统可靠性、经济运行的负面影响。基于最优市场机制和商业运营模式，则从降低系统峰谷差、节约车主充电成本、避免配网过载阻塞、引导有序均衡充电等方面给出了对应的调控机制和运营策略，对于车辆集中统一充电调控也给出了一些建设性的意见，一定程度上也便于对充电谐波污染进行集中治理优化，提高电能质量。基于时空维度的有序充电，则突出了系统侧对充电负面影响的应对策略，从时间、空间2个维度进行调控，提出了控制充电时间、电价政策引导、充电站最优选址定容等一系列措施，同样可以减小峰谷差，降低功率损耗和电压偏移，最小化充电成本，实现充电站间的有序均衡充电等，对于系统可靠性、运行经济性和电能质量都有所帮助，也是电力系统应对大量电动汽车充电接入的必要措施。
结论：
近年来，我国电动汽车发展和充电设施的建设都取得长期进步，特别是充电机宽输出电压范围、恒功率段充电模式、功率自动分配充电模式的实现，一机多桩式充电站的实现使得充电设备在充电质量和设计方式有了很大的提高，但电动汽车厂商推出电动汽车动力电池参数差异较大及充电接口位置不同，电动汽车车辆的设计不够规范等因素制约行业的健康发展，只有同类型电动汽车动力电池参数趋于标准化，充电机产品的标准化，运营平台的标准化等才能有效消除了因为车辆充电电流电压和充电接口位置差异等不确定因素。因此，现有阶段只能通过深度剖析充电站重点中的难点，优化充电站设计方案，才能提高充电站的投资效益，吸引更多的社会资金和力量参与充电站建设。
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[7]郭国太，黄剑荣.电动汽车充电站的设计与研究[J].中国科技纵横，2016（10）：137-138.
论文作者:周发强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/3/28
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