郭國(guó)太++黃劍榮

【摘 要】 電動(dòng)汽車充電站類似于燃油車的加油站，為電動(dòng)汽車運(yùn)行提供能量補(bǔ)給，是發(fā)展電動(dòng)汽車所必須的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施。分析研究充電對(duì)象、充電機(jī)技術(shù)、充電方法等，提出了不同類型充電站設(shè)計(jì)方案，分析了影響充電站設(shè)計(jì)方案的幾方面因素，提高充電站的電能轉(zhuǎn)換效率，選用對(duì)電池不會(huì)造成傷害的充電控制策略和性能穩(wěn)定的充電裝置，配置與之相應(yīng)適應(yīng)的供配電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】 電動(dòng)汽車 充電站 充電機(jī)

在能源危機(jī)和氣候變暖的雙重挑戰(zhàn)下，電動(dòng)汽車成為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、落實(shí)節(jié)能減排政策的重要途徑。電動(dòng)汽車是實(shí)現(xiàn)零排放或極低排放的清潔、高效的交通工具，是緩解我國(guó)石油資源緊張、城市大氣污染嚴(yán)重問題的重要手段，是推進(jìn)交通發(fā)展模式轉(zhuǎn)變的有效載體。電動(dòng)是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的主問題是初始成本高和續(xù)駛里程不理想，而通過建設(shè)電動(dòng)汽車充換電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地方便及時(shí)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，能夠有效延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，將更有利于電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 充電對(duì)象和充電技術(shù)的分析研究

電動(dòng)汽車充電站服務(wù)對(duì)象的分析研究是電動(dòng)汽車充電站設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。首先需要分析影響充電站的建設(shè)規(guī)模、充電機(jī)選型的因素，主要包括以下幾個(gè)方面。

1.1 電動(dòng)汽車的類型

目前開發(fā)的電動(dòng)汽車可分三類：純電動(dòng)汽車（pure EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（Hybrid Electric Vehicle：HEV）和燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle：FCV）。只有純電動(dòng)汽車必需從電網(wǎng)獲取電能作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，因此本文中主要研究為純電動(dòng)汽車提供電能的充電站設(shè)計(jì)的研究。

1.2 電動(dòng)汽車的電池特性

電動(dòng)汽車的電池特性，包括電池類型、電池容量、充電速率等。目前電動(dòng)汽車常用電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰離子電池四種。而鋰離子電池具有單體電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，鋰離子電池將是我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要方向。電池容量決定了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，電動(dòng)汽車主要車型與電池組配置詳見表1.3-1。不同類型電池有著自身固有的充電速率，而充電速率決定了實(shí)際的充電功率及充電時(shí)間。

1.3 電池充電方法

最基本的充電方法有恒流和恒壓兩種，在實(shí)際應(yīng)中，在這兩種方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，研究了一些新的充電方法。比如恒流充電，恒壓充電，恒流恒壓充電，智能充電等。

智能充電是目前比較先進(jìn)的充電方法，其原量是在整個(gè)充電過程中動(dòng)態(tài)跟蹤蓄電池可接受的充電電流。智能充電要求電池配備BMS，并且要求充電機(jī)與BMS間實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，BMS將電池參數(shù)實(shí)時(shí)地傳到充電機(jī)，充電機(jī)就能根據(jù)BMS提供的信息改變充電策略和輸出電流，充電機(jī)根據(jù)電池的充電狀態(tài)確定充電參數(shù)，使充電電流始終保持在電池可接受的充電流曲線（圖1.3-1）附近，不僅保護(hù)電池，還提高充電效率，大大縮短了充電時(shí)間。

1.4 充電機(jī)充電方式

1.4.1 常規(guī)充電方式

該充電方式一般采用恒壓、恒流的傳統(tǒng)充電方法對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。由交流充電樁為電動(dòng)汽車的車載充電機(jī)提供電源進(jìn)行充電，充電功率小，充電速度慢，充電時(shí)間一般為8～10h，因此也稱為慢速充電。

1.4.2 快速充電方式

此充電方式是采用智能充電方法，以100～400A的充電電流在短時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車充電，需建設(shè)非車載充電機(jī)或充電站，與常規(guī)充電方式相比投資成本高。

1.4.3 更換電池充電方式

除了以上充電方式外，還可以采用更換電池組的方式，即是蓄電池電量耗盡時(shí)，用充滿電的電池組將其更換，再將更換后電池集中充電的方式。由于電池更換過程需機(jī)械更換和蓄電池集中充電，所以也稱為機(jī)械充電。它利用低谷電價(jià)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)又能在很短時(shí)間內(nèi)完成更換電池過程，但初期建設(shè)成本高，占地空間大，更大問題是電池標(biāo)準(zhǔn)難統(tǒng)一，從而制約更換電池充電方式的推廣。

2 電動(dòng)汽車充電站

2.1 充換電設(shè)施類型

電動(dòng)汽車充換電設(shè)施是指為電動(dòng)汽車提供電能的相關(guān)設(shè)施的總稱，一般包括充電站、電池更換站、電池配送中心、集中或分散布置的交流充電樁等?？煞譃榧矣贸潆娫O(shè)施、公共充電設(shè)施、專用充電設(shè)施。在不同運(yùn)行模式下，電動(dòng)汽車對(duì)其續(xù)駛能力和充電時(shí)間要求也不同，直接影響充電站的建設(shè)方式和功率需求。私人、公務(wù)電動(dòng)汽車是白天出行，時(shí)間短，行駛里程有限，夜間停在小區(qū)車位或單位停車位，有足夠的時(shí)間充電，以家庭、單位自建充電樁慢速充電為主，公共充電設(shè)施快速充電為輔；出租車全行幾乎都運(yùn)營(yíng)，行駛里程長(zhǎng)，充電時(shí)間有限，一般以公共充電設(shè)施快速充電為主；公交、環(huán)衛(wèi)、郵政等社會(huì)公共服務(wù)用車具有城市區(qū)域行駛、停車場(chǎng)地固定、行駛路線固定、行駛里程相關(guān)穩(wěn)定等特征，一般以專用充電設(shè)施夜間慢速充電，白天快速充電或換電設(shè)施為主。

電動(dòng)汽車充電站是充換電設(shè)施重要組成部分，它采用整車充電模式為電動(dòng)汽車提供電能的場(chǎng)所。電動(dòng)汽車充電機(jī)系統(tǒng)是充電站的核心系統(tǒng)，它的確認(rèn)決定了相關(guān)供電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備的方案。

2.2 充電機(jī)類型

電動(dòng)汽車充電機(jī)從供電電源提取能量，以合適的方式傳遞給動(dòng)力電池，從而建立了供電電源與動(dòng)力電池之間的功率轉(zhuǎn)換接口。根據(jù)不同的分類分式，可將充電機(jī)分成多種類型，見表2.1-1。

2.3 充電系統(tǒng)

2.3.1非車載充電機(jī)

非車載充電機(jī)也稱為直流充電機(jī)，其主要參數(shù)包括充電機(jī)功率、輸出電壓、輸出電流，確定了輸出電壓和輸出電流，自然就確定了充電機(jī)功率。

輸出電壓應(yīng)根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池的特性及電池單體串聯(lián)數(shù)量確定，充電機(jī)輸出電壓（Ur）可按2.3.1-1計(jì)算，計(jì)算后優(yōu)先從150V～350V、300V～500V和450V～700V中選擇一組最高電壓大于或等于Ur。

2.3.1-1式

式中：n—電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池的串聯(lián)電池單體數(shù)量；

Ku—充電機(jī)輸出電壓裕度系數(shù)，一般取1.0～1.1；

Ucm—單體電池最高電壓（V）。

非車載充電機(jī)輸出電流應(yīng)根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池的容量和充電速度以及供電能力和設(shè)備性價(jià)比，在電池BMS系統(tǒng)允許下，確保安全、可靠充電的情況下確定最大充電電流。輸出的直流額定電流應(yīng)優(yōu)先采用以下值。

2.3.2 交流充電樁

交流充電樁是為配有車載充電機(jī)的電動(dòng)汽車提供充電電源，車載充電機(jī)功率小，其電源一般采用單相220V交流供電，一般不大于32A，超過32A一般采用三相四線制380V交流供電。

2.4 充電機(jī)配置方案

充電機(jī)有效充電功率、電池充電速率決定了電動(dòng)汽車充電時(shí)間和充電效率，有效充電功率是充電機(jī)按照電池BMS系統(tǒng)提供的充電電流和充電電壓時(shí)的功率，根據(jù)服務(wù)車輛的電池容量、充電速率合理選擇充電機(jī)功率、輸出電壓、輸出電流，使得有效充電功率無(wú)限接近額定功率，提高充電機(jī)的充電效率。

2.4.1 公共充電站

公共充電站采用按快速充電方式，服務(wù)社會(huì)各種車輛，屬無(wú)固定服務(wù)車輛的充電站。目前市面上的電動(dòng)汽車電池容和充電電壓各不相同，且充電電壓和充電電流的范圍值比較廣。此時(shí)，如何充電機(jī)配置方案合理與否，關(guān)系到充電機(jī)有效功率大小、充電時(shí)間長(zhǎng)短，最終也影響充電站投資成本和投資回報(bào)率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（1）方案一：全站的充電機(jī)選擇單一功率、充電電壓、充電電流，例：充電機(jī)功率為60kW，充電電壓：300V～700V，最大充電電流：85A。假如充電機(jī)對(duì)比亞迪e5充進(jìn)行充電，充電電壓為680V，有效充電功為57.8kW，假如充電機(jī)對(duì)北汽福田EV200進(jìn)行充電，充電電壓為385V，有效充電功只有32.725 kW。充電機(jī)電壓低的有效充電功率就會(huì)降低，充電時(shí)間長(zhǎng)，變壓器輕載運(yùn)行。

（2）方案二：全站充電機(jī)可選擇多種充電機(jī)功率、充電電壓、充電電流，每一種充電功率、充電電壓、充電電流對(duì)一種類型的電動(dòng)汽車充電，充電時(shí)司機(jī)有可能無(wú)法正確選擇站內(nèi)的充電機(jī)，需備用工作人員調(diào)度管理，這樣會(huì)提高充電站運(yùn)營(yíng)成本。

（3）方案三：選用最大充電電壓和最大充電電流多檔可調(diào)的充電機(jī)，即是額定功率不變，選擇不同檔最大充電壓會(huì)對(duì)應(yīng)匹配不同最大充電電流，以提高充電機(jī)有效充電功率。例：充電機(jī)功率為60kW充電電壓：300V～500V、500～700，相應(yīng)最大充電電流：120A、85A。假如充電機(jī)對(duì)比亞迪e5充進(jìn)行充電，充電電壓為680V，最大充電電流為85A有效充電功為57.8kW；假如充電機(jī)對(duì)北汽福田EV200進(jìn)行充電，充電電壓為380V，最大充電電流為120A，有效充電功也有46.2kW；比起方案一有效功率得到明顯的提高，比起方案二又降低運(yùn)營(yíng)成本。

2.4.2 專用充電站

專用充電站一般采用慢快充電和快速充電相結(jié)合充電方式，服務(wù)某一種車型的車輛，屬固定服務(wù)車輛的充電站。根據(jù)服務(wù)車輛的電池容量、充電電壓、充電速率，按量體裁衣選擇充電機(jī)功率、充電電壓和充電電流，使用有效充電功率幾乎等于充電機(jī)功率。

3 結(jié)語(yǔ)

充電站設(shè)計(jì)前應(yīng)充分調(diào)查分析服務(wù)車輛電池主要參數(shù)及車輛數(shù)量，準(zhǔn)確定位充電站類型，確定適應(yīng)的充電方式方法，合理選擇充電機(jī)功率等主要參數(shù)，以提高充電機(jī)充電功率，減短服務(wù)車輛充電時(shí)間，從而提高充電站經(jīng)濟(jì)效益。吸引更多的社會(huì)資金和力量參與充電站建設(shè)，對(duì)電動(dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展極為重要。

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