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浅谈新能源电动汽车充电桩与配电站合建的研究与应用

浏览次数：1948次   更新时间：2024-12-17 11:12:51

摘要：随着我国经济社会快速发展，人民生活水平不断提高，并且在近些年来，得益于国家政策的支持，新能源汽车产业得到了迅速发展的机会，已经成为推动绿色低碳循环发展、促进生态文明建设和满足群众出行需求的战略性新兴产业。我国各地都颁布了与电动汽车相关的政策，使得电动汽车的保有量迅速增加。部分地区的基础设施较为完善，提供了充足的充电桩，但在充电桩运行之时，有时会发生通信、安全等方面的技术性问题，不利于对电动汽车的电能补充。因此，应当根据实际需要的技术问题，运用适宜的充电桩技术，保证充电桩的使用效果。

关键词：配网；配电站；电动汽车；充电桩；分布式

0 引言

在我国提倡“双碳”、绿色环保等的环境中，电动汽车符合社会发展实际情况，逐渐走入了大众的视野。为了确保电动汽车的正常行驶和长期运行，充电桩这种将电能从电网转换到车载电池的设备成为必不可少的保障。在使用电动汽车充电桩时，涉及到多种技术，其中对充电桩的配置和安装尤为重要。因此，本文将对电动汽车充电桩进行概述，并详细分析充电桩的配置和安装问题。

1 充电桩的概述

1.1充电桩的功能和分类

目前我国大多数电动汽车充电桩主要安装在公共场所，还有在住宅、小区的停车场也逐渐普及。充电桩可以在墙面、地面等位置上加以固定，便于电动汽车完成充电动作，还能参照不同类型的电动汽车，选择差异性的电压等级，提高了充电的效率和质量。充电桩输入端口处可以同交流电网进行连接，而在输出端口处则通过充电口或感应区开展充电工作，因此充电桩从技术路线可分为传导式和无线充电桩。随着多年技术进步和实践应用，传导式充电已经取得了显著的成效。

效率和成本等方面对无线充电形成了巨大的优势，因此本文主要讨论传导式充电桩所涉及的技术。根据不同地点，充电桩可分为公共、专用两类；根据安装方法，可将其划分为悬空悬吊和墙面悬吊两种类型。如果按照充电方式分类，则主要分为交流式、直流式两种。

1.2优化充电桩相关技术应用的意义

为了推进我国环境保护事业发展的进程，电动汽车成为当前人们出行的重要交通工具，而此类汽车的能源补给则和充电桩密切相关。如果充电桩的供应存在缺陷，将会对人们及时为汽车充电产生不利影响，从而降低电动汽车的普及率和购买率。我国部分地区中现阶段仍然缺少对充电桩及其相关技术的使用，或技术运用的水平较低，造成人们无法尽快找到充电桩，从而阻碍了我国环保工作的开展，也说明了充电桩的普及和充电桩有关技术的灵活运用，是我国达成“双碳”目标、提升环境质量的关键一环。

1.3充电桩充电管理技术

这项技术属于一类储能式综合技术，其核心部分采用DSP控制芯片，通过软件实现电池电压、荷电状态、电流、充放电温度的实时监测，并实现功率的有效调节，从而确保电池能够稳定地实现充电和放电。通过DSP采集的电反馈信号，可以将其与预先设定的电压值进行比较，从而根据误差信息来控制PI的变化。利用DSP技术，可以将三角载波与PI调节模块相比较，从而产生PWM驱动，这样就可以在Buck变换设备的帮助下，有效地控制占空比，从而实现稳定压力。在对光耦输出电路设计之时，需要对PWM光波电路进行了解，对STM32-体式输出光波电压进行控制，在正常运行范围内输出光耦。为了其他光波不会对PWM光波产生影响，还要对光耦电路输出进行隔离管理。在通信系统设计上，主要会利用光耦模块，对于系统内的RS485收发器芯片展开设计，结合电源管理、电源独立接地线两个模块，迅速找到通信功能设计的切入点，使通信系统的安全性得到保证。为了保证充电的安全性，通常需要对充电桩充电进行检查。在检查时候，首先需要仔细检查所有的接口，并确保它们都已经被正常地连接。然后记录下所有与充电连接装置和供电功率有关的信息，并迅速进行精细的监控。为了保证充电的顺利进行，建议采用充电电缆来连接充电桩与电动汽车。在进行充电时，还需要记录充电桩的变化情况，并检查电压是否符合标准。通过采用PWM技术，可以准确控制充电桩的电流，从而有效地提升充电管理的效率，确保充电桩的稳定性和安全性。

2 配电站与电动汽车充电桩合建的必要性及可行性分析

（1）随着环境污染日益严重，资源浪费也越来越严重，我国电力供应面临着严峻的挑战，尤其是在用电高峰时期，缺电现象更加突出。因此，推动清洁能源的发展已经成为当务之急。

（2）电动汽车具有零排放无污染的特点，其使用不仅有利于缓解当前日益严峻的环境压力，还有助于降低石油进口依赖度，增强国际竞争力。

（3）电动汽车的普及离不开配套设施的支撑，其中重要的就是充电设施。然而，现有的公共充电设施数量不足且布局不合理，难以满足人们的日常需要。此外，私人充电桩价格昂贵，普通居民很难负担得起。因此，加快充电基础设施建设迫在眉睫。

（4）配电站与电动汽车充电桩合建符合国家政策要求，顺应时代潮流，具备良好的市场前景。

（5）配电站与电动汽车充电桩合建充分利用了配电站原有场地，节省了大量成本投入，有效地提升了企业效益。

3针对10kV（20kV）配电站的构建

在我国的配电网络中，主变压器的容量范围在10kV之间，进出线的数量为1～2回，而低压出线的数量则为4～8回。为了满足电动汽车充电桩的需求，在保持配电站建筑面积不变的前提下进行了电气配置。鉴于传统的慢充和应急快充的不同，10kV（20kV）配电站内的充电桩（机）设计应当按照表1的要求进行分类，以确保充电的安全性和可靠性。而在具有充电功能的10kV（20kV）配电站中，配电站通常由电气和充电桩土建这两个部分构成。

表 1 结合 10kV(20kV)配电站的充电桩(机)设计方案分类表

3.1电气部分

在电气部分中，充电桩配电时，需要对10kV(20kV)配电配电站设置独立的配电室或配电间，配电室内安装有计量装置、电能质量监测仪、继电保护装置以及其他辅助设备。为了解决常规慢充和应急快充的差异，一般选择1桩1充的方式，并配备了APF单元，这样可以在当地进行补偿，而且它的体积更小，可以进行分散安装[3]。而对应的电气方案的一次选择中，一般可以分为电源接入方案、电气主接线接入、短路电流控制水平及主要设备选型以及主变容量这四个内容。在电源接入方案中，10kV(20kV)配电站宜采用单母线分段接线形式。当线路较长时，宜采用双母线接线形式。10kV(20kV)配电站进线开关柜至负荷中心距离不宜超过6km。使用10kV高压配电系统，并通过220V/380V交流输入。在电气主接线接入中，为了提高配电系统的可靠性和安全性，则需要将10kV配电装置和配变进行重新设计，并在其中加入充电桩。而在短路电流控制水平及主要设备选型中，当10kV(20kV)配电站正常工作时，三相短路电流不应大于额定电流的1.3倍。10kV(20kV)配电站正常工作时，单相接地故障电流不大于允许值。380V短路电流水平分别按50kA考虑。在主变容量中，10kV(20kV)配电站高压侧电压等级选择时，如果变电站位于海拔较低的地方，那么可以使用11OkV或35kV电压等级。主变压器的容量一般在2000kVA之间，但如果充电桩的总负载超过了100kW，那么就需要额外设置配电变压器来满足需求。

在对应的电气方案的二次选择中，可以从以下三个方面进行，首先是对终端的控制时，该充电桩采用了新的人机交互技术，能够实时显示多种状态的信息，包括运行状态、充电电量、计费信息等，每个字符的准确性令人印象深刻，此外，还支持手动调整参数和控制，让操作变得更加简单、高效。采用技术，如安装在充电桩内的电能表，不仅可以准确地监控充电桩的运行状态，而且还可以方便快捷地进行实地监控。对于IC卡读卡装置位于充电桩的底座，可以与外接的电力设备进行通信，也能通过IC卡实现对充电过程的监测，从而实现对充电费用的准确计算。其次是通信系统中，借助配电站的方式，可以实现对数据的及时上传。后是接地时，为了确保充电桩的安全性，采用了N-S系统，并且要求所有金属外壳都具备可靠的接地。此外，采用了落地式或壁挂式安装方式，有利于确保充电桩的稳定性。

3.2充电桩土建部分

充电桩土建部分的构建中，借助交流充电桩的落地式或者挂壁进行安装时，能够使直流充电机采用落地式的方式实现的安装需求。通常充电桩土建部分的安装设计可以从以下两个方面展开，首先是对落地式充电桩基础设计。为了提高配电站的可靠性，在配电站的外部设置了一个钢筋混凝土充电桩基础。这个桩需要保持外部尺寸为0.8米0.8mx1.0m米，基坑的地面高度是0.5m，地面下方的净深是1.0m。而基础做法则是为了保证沟壁和沟底的稳定性，采用了厚度为0.3m的C30钢筋混凝土，并在其上铺设了厚度为C15的钢筋混凝土垫层。同时还需要在基础内预埋了UPVC管，如果地基不良，那么需要进行处理后再进行基础施工。其次是对壁挂式充电桩基础设计时，为了确保配电站的安全可靠运行，在配电站外角落位置设置了钢筋硷充电桩基础，并在其上安装了壁挂式充电桩，其外包尺寸为0.6mx1.0m，基坑地面高度为0.5m，地面以下净深为1.0m，并且预留了UPVC管穿电缆，以确保充电桩的安全可靠运行

4 10kV(20kV)配电站充电桩合建中的配置

4.1充电桩的配置

在本工程中，需要配置了7台10kV（20kV）配电站，每个配电站内设置了两组充电桩，一组用于常规慢充，另一组用于应急快速充电。为了满足不同的用电需求，通常需要在10kV室内配电站中配置了1～3台直流充电机和1～10台交流充电机。其中1台拥有7kW的交流充电桩，旨在满足小型电动汽车的充电需求，该设备采用220V进线，可以安装在实体建筑物的底部，也可以安装在室内墙面上，并尽可能接近汽车的停放位置[4]。而另外1台一体化直流充电机，具有40kW的输出，能够为小型电动汽车提供充电服务，电机直接使用380V的直流电源，由于是固定安装，因此具有方便移动的特点，而在这个过程中，还能够根据实际情况放置在停车场的边缘。

4.2充电桩的布置

在10kV（20kV）配电站中，不仅可以在不影响建筑外观的情况下，安装1～8台交流壁挂式充电机，还可以根据实际情况进行调整。另外，采用落地式充电桩，不管是高压还是低压，均可以轻松实现。为了提高效率，将落地式交流充电桩的数量减少到少，并将它们集中到一个桩群里。这样就能够将充电桩分别放到不同的充电桩上，但由于充电桩的数量很多，所以也可以使用单独的回路。

5经济比较

以设5台7kW交流充电桩，1台40kW直流充电桩为例。10kV室内配电站与分布式电动汽车充电桩合建和单建充电桩电源材料费用如表2所示。由此可见，10kV（20kV）配电站与分布式电动汽车充电桩合建方案的成本明显低于单建方案，这一数字远远小于单建方案的10%，这一明显的差距使得合建方案的成本更加合理。另外，由于合建方案减少了占地

面积，因此也节省了土地资源。[5]经过分析，10kV（20kV）配电站和分布式电动汽车充电桩的合建方案具有显著的优势，它既能够节约成本，又能够迅速实现，而且还能够实现环保，因此具有很高的实施价值，值得被普遍采纳。

表2 10kV（20kV）配电站分布式电动汽车充电桩合建材料费用表

6安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

6.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

6.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

6.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

6.4安科瑞充电桩云平台系统功能

6.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

6.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

6.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

6.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

6.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

6.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

6.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

6.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

6.5系统硬件配置

7结语

随着“绿色出行”的推行，充电基础设施的供求关系出现了严重的失衡，为此，本文提出了一种新型的配电站与电动汽车充电桩合建模式，它不仅可以充分利用现有配电站资源，节约投资，减少占地面积，而且还可以有效解决电动汽车无序充电带来的安全隐患问题。“绿色出行”电动汽车充电桩的需求分布广泛，但不集中，因此，建设10kV室内配电站和分布式电动汽车充电桩台可以有效解决电源短缺、土地紧张以及分布范围广泛等问题，为“绿色出行”推广应用提供了一种可复制的新模式，从而大大扩大了推广范围和应用领域。