电动汽车充电站的设计与研究

郭国太++黄剑荣

【摘 要】 电动汽车充电站类似于燃油车的加油站，为电动汽车运行提供能量补给，是发展电动汽车所必须的重要配套基础设施。分析研究充电对象、充电机技术、充电方法等，提出了不同类型充电站设计方案，分析了影响充电站设计方案的几方面因素，提高充电站的电能转换效率，选用对电池不会造成伤害的充电控制策略和性能稳定的充电装置，配置与之相应适应的供配电系统和监控系统。

【关键词】 电动汽车 充电站 充电机

在能源危机和气候变暖的双重挑战下，电动汽车成为发展低碳经济、落实节能减排政策的重要途径。电动汽车是实现零排放或极低排放的清洁、高效的交通工具，是缓解我国石油资源紧张、城市大气污染严重问题的重要手段，是推进交通发展模式转变的有效载体。电动是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发的关键因素。电动汽车大规模应用的主问题是初始成本高和续驶里程不理想，而通过建设电动汽车充换电设施网络，实现随时随地方便及时对动力电池进行充电，能够有效延长电动汽车的续驶里程，将更有利于电动汽车产业发展。

1 充电对象和充电技术的分析研究

电动汽车充电站服务对象的分析研究是电动汽车充电站设计的基础。首先需要分析影响充电站的建设规模、充电机选型的因素，主要包括以下几个方面。

1.1 电动汽车的类型

目前开发的电动汽车可分三类：纯电动汽车（pure EV）、混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle：HEV）和燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle：FCV）。只有纯电动汽车必需从电网获取电能作为驱动动力，因此本文中主要研究为纯电动汽车提供电能的充电站设计的研究。

1.2 电动汽车的电池特性

电动汽车的电池特性，包括电池类型、电池容量、充电速率等。目前电动汽车常用电池有铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池和锂离子电池四种。而锂离子电池具有单体电压高、比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点，因此，锂离子电池将是我国新能源汽车产业化发展的主要方向。电池容量决定了电动汽车的续航里程，电动汽车主要车型与电池组配置详见表1.3-1。不同类型电池有着自身固有的充电速率，而充电速率决定了实际的充电功率及充电时间。

1.3 电池充电方法

最基本的充电方法有恒流和恒压两种，在实际应中，在这两种方法的基础上进行了改进，研究了一些新的充电方法。比如恒流充电，恒压充电，恒流恒压充电，智能充电等。

智能充电是目前比较先进的充电方法，其原量是在整个充电过程中动态跟踪蓄电池可接受的充电电流。智能充电要求电池配备BMS，并且要求充电机与BMS间实时通信，实现数据的共享，BMS将电池参数实时地传到充电机，充电机就能根据BMS提供的信息改变充电策略和输出电流，充电机根据电池的充电状态确定充电参数，使充电电流始终保持在电池可接受的充电流曲线（图1.3-1）附近，不仅保护电池，还提高充电效率，大大缩短了充电时间。

1.4 充电机充电方式

1.4.1 常规充电方式

该充电方式一般采用恒压、恒流的传统充电方法对电动汽车进行充电。由交流充电桩为电动汽车的车载充电机提供电源进行充电，充电功率小，充电速度慢，充电时间一般为8～10h，因此也称为慢速充电。

1.4.2 快速充电方式

此充电方式是采用智能充电方法，以100～400A的充电电流在短时间内为电动汽车充电，需建设非车载充电机或充电站，与常规充电方式相比投资成本高。

1.4.3 更换电池充电方式

除了以上充电方式外，还可以采用更换电池组的方式，即是蓄电池电量耗尽时，用充满电的电池组将其更换，再将更换后电池集中充电的方式。由于电池更换过程需机械更换和蓄电池集中充电，所以也称为机械充电。它利用低谷电价对蓄电池进行充电，同时又能在很短时间内完成更换电池过程，但初期建设成本高，占地空间大，更大问题是电池标准难统一，从而制约更换电池充电方式的推广。

2 电动汽车充电站

2.1 充换电设施类型

电动汽车充换电设施是指为电动汽车提供电能的相关设施的总称，一般包括充电站、电池更换站、电池配送中心、集中或分散布置的交流充电桩等。可分为家用充电设施、公共充电设施、专用充电设施。在不同运行模式下，电动汽车对其续驶能力和充电时间要求也不同，直接影响充电站的建设方式和功率需求。私人、公务电动汽车是白天出行，时间短，行驶里程有限，夜间停在小区车位或单位停车位，有足够的时间充电，以家庭、单位自建充电桩慢速充电为主，公共充电设施快速充电为辅；出租车全行几乎都运营，行驶里程长，充电时间有限，一般以公共充电设施快速充电为主；公交、环卫、邮政等社会公共服务用车具有城市区域行驶、停车场地固定、行驶路线固定、行驶里程相关稳定等特征，一般以专用充电设施夜间慢速充电，白天快速充电或换电设施为主。

电动汽车充电站是充换电设施重要组成部分，它采用整车充电模式为电动汽车提供电能的场所。电动汽车充电机系统是充电站的核心系统，它的确认决定了相关供电设备、监控设备的方案。

2.2 充电机类型

电动汽车充电机从供电电源提取能量，以合适的方式传递给动力电池，从而建立了供电电源与动力电池之间的功率转换接口。根据不同的分类分式，可将充电机分成多种类型，见表2.1-1。

2.3 充电系统

2.3.1非车载充电机

非车载充电机也称为直流充电机，其主要参数包括充电机功率、输出电压、输出电流，确定了输出电压和输出电流，自然就确定了充电机功率。

输出电压应根据电动汽车动力蓄电池的特性及电池单体串联数量确定，充电机输出电压（Ur）可按2.3.1-1计算，计算后优先从150V～350V、300V～500V和450V～700V中选择一组最高电压大于或等于Ur。

2.3.1-1式

式中：n—电动汽车动力蓄电池的串联电池单体数量；

Ku—充电机输出电压裕度系数，一般取1.0～1.1；

Ucm—单体电池最高电压（V）。

非车载充电机输出电流应根据电动汽车动力蓄电池的容量和充电速度以及供电能力和设备性价比，在电池BMS系统允许下，确保安全、可靠充电的情况下确定最大充电电流。输出的直流额定电流应优先采用以下值。

2.3.2 交流充电桩

交流充电桩是为配有车载充电机的电动汽车提供充电电源，车载充电机功率小，其电源一般采用单相220V交流供电，一般不大于32A，超过32A一般采用三相四线制380V交流供电。

2.4 充电机配置方案

充电机有效充电功率、电池充电速率决定了电动汽车充电时间和充电效率，有效充电功率是充电机按照电池BMS系统提供的充电电流和充电电压时的功率，根据服务车辆的电池容量、充电速率合理选择充电机功率、输出电压、输出电流，使得有效充电功率无限接近额定功率，提高充电机的充电效率。

2.4.1 公共充电站

公共充电站采用按快速充电方式，服务社会各种车辆，属无固定服务车辆的充电站。目前市面上的电动汽车电池容和充电电压各不相同，且充电电压和充电电流的范围值比较广。此时，如何充电机配置方案合理与否，关系到充电机有效功率大小、充电时间长短，最终也影响充电站投资成本和投资回报率等经济指标。

（1）方案一：全站的充电机选择单一功率、充电电压、充电电流，例：充电机功率为60kW，充电电压：300V～700V，最大充电电流：85A。假如充电机对比亚迪e5充进行充电，充电电压为680V，有效充电功为57.8kW，假如充电机对北汽福田EV200进行充电，充电电压为385V，有效充电功只有32.725 kW。充电机电压低的有效充电功率就会降低，充电时间长，变压器轻载运行。

（2）方案二：全站充电机可选择多种充电机功率、充电电压、充电电流，每一种充电功率、充电电压、充电电流对一种类型的电动汽车充电，充电时司机有可能无法正确选择站内的充电机，需备用工作人员调度管理，这样会提高充电站运营成本。

（3）方案三：选用最大充电电压和最大充电电流多档可调的充电机，即是额定功率不变，选择不同档最大充电压会对应匹配不同最大充电电流，以提高充电机有效充电功率。例：充电机功率为60kW充电电压：300V～500V、500～700，相应最大充电电流：120A、85A。假如充电机对比亚迪e5充进行充电，充电电压为680V，最大充电电流为85A有效充电功为57.8kW；假如充电机对北汽福田EV200进行充电，充电电压为380V，最大充电电流为120A，有效充电功也有46.2kW；比起方案一有效功率得到明显的提高，比起方案二又降低运营成本。

2.4.2 专用充电站

专用充电站一般采用慢快充电和快速充电相结合充电方式，服务某一种车型的车辆，属固定服务车辆的充电站。根据服务车辆的电池容量、充电电压、充电速率，按量体裁衣选择充电机功率、充电电压和充电电流，使用有效充电功率几乎等于充电机功率。

3 结语

充电站设计前应充分调查分析服务车辆电池主要参数及车辆数量，准确定位充电站类型，确定适应的充电方式方法，合理选择充电机功率等主要参数，以提高充电机充电功率，减短服务车辆充电时间，从而提高充电站经济效益。吸引更多的社会资金和力量参与充电站建设，对电动汽车可持续发展极为重要。

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