风-光-电混合驱动的分布式新能源汽车充电基站的设计研究

陈一帆，王清华，龙泽链，罗秀璋，赵永咏

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

我国新能源汽车的产销量及保有量都进入了持续的快速增长期，截至2021年12月，我国新能源汽车保有量达到了640万辆，年销售量达到了352万辆。而根据我国的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》，预计到2030年，我国新能源汽车保有量将达6 420万辆。为此，充电基站不足、清洁电能不足将会成为阻碍我国未来几年新能源汽车产业发展的重要问题[1-3]。

此外，充电基站对电网的苛刻要求，使基础建设的不足和偏远地区充电基站的管理、建设、维护等成本高和经济效益低之间的冲突不断增加，也给新能源汽车的发展和使用带来了很大的困难。为此，建设以清洁能源为基础，结合电网开发高效、易安装的新能源汽车充电站的方法，可解决充电桩数量和清洁能源不足等问题，成为新能源汽车产业发展的重要出路。

1 我国新能源汽车充电桩的发展特点

1.1 充电桩数不足

当前我国的新能源汽车充电桩和充电站主要以电网供电为主，且存在严重的数量不足的问题。如图1所示为我国新能源汽车充电桩的建设情况图。通过对近5年我国新能源汽车充电桩与新能源汽车市场保有量情况进行统计，发现尽管近年来我国新能源汽车充电桩建设数量迅速增加，但是随着我国新能源汽车保有量的快速增长，充电桩的缺额也在迅速且持续增长。截至 2021年年底，全国新能源汽车公共充电桩数量仅有132万座，然而车桩比不到3∶1，即便加上私人充电桩也不足2∶1，为此，排队充电和充电困难的现象也在逐渐增加。预计到2030年，我国新能源汽车保有量将达6 420万辆，根据政府车桩比1∶1的建设目标，未来10年，我国新能源汽车充电桩建设缺口依旧较大。由此可见，新能源汽车充电基站建设，已经成为当前限制我国新能源汽车发展的重要问题[4]。

图1 我国充电桩的建设情况曲线图

1.2 清洁电能占比低

由于新能源汽车保有量的增多，电能的需求也在不断增加。然而当前我国电能的生产主要还是以热电为主。如下页表1所示为2018—2021年我国发电量构成表。由表1可知，热电占我国总电能的近70%，而可再生电能的占比约为30%，这对于我国实现“碳达峰”和“碳中和”带来了一定的挑战[5-11]。此外，随着新能源汽车的增加，新能源汽车的用电消耗量剧增。根据国家电网下属的充电网路充电量显示，2020年新能源汽车充电量达到20.7亿kW·h，同比增长近30%。为此，开发清洁能源驱动的分布式新能源汽车充电基站，已成为当前推动我国新能源汽车快速发展的重要方向。

表1 2018—2021年我国发电量构成表

1.3 充电基站对电网的冲击较大

电动汽车同时快速充电时的瞬时功率会对电网造成严重干扰，影响系统安全。如果搭建专用电网，整个工程十分浩大，费用高昂，对于国家电网建设造成了很大的挑战。为此，李惠玲等[12]从电动汽车充电对配电网的影响及对策进行了研究，发现适宜的充电渗透率、根据电网负荷状态变化的智能充电模式能有效改善电动汽车充电对电网的冲击。此外，分布式供能系统也可以有效缓冲用电单元对于电网的冲击。为此，基于分布式能源系统理论，研究建设新能源汽车充电站。

2 风-光-电混合驱动的新能源汽车充电基站设计

2.1 风能和太阳能发电特性

风能和太阳能是最常见的清洁能源。我国风力资源和太阳能资源丰富，然而对比常规的火力和水力发电，风力发电和太阳能发电在动态出力特性上具有很大的不同，大型风力发电和太阳能发电的稳定性和充电能力一直限制着太阳能和风能发电的入网率。但是如果小型风力和太阳能发电系统配备储能系统，能有效避免太阳能和风能发电系统的缺点，实现太阳能和风能发电系统的高效利用[13-15]。为此，基于风能和太阳能开发小型新能源汽车充电基站，可以较低的成本满足偏远地区新能源汽车的充电需求，缓解充电基站对电网的冲击，是解决新能源汽车里程焦虑、长途行驶、清洁电能和基建设施升级压力等问题的有效途径。

2.2 风-光-电混合驱动的新能源汽车充电站原理设计

考虑到太阳能和风能的不稳定性和充电能力不足等问题，结合新能源汽充电桩的使用特性，对充电站进行设计。充电站结构的基本组成如图2所示，包括：(1)太阳能、风能发电并网系统，解决清洁电能并网问题，实现充电站具备调峰功能；(2)蓄能系统，解决太阳能和风能发电质量较低问题和汽车充电过程对电网瞬时冲击的问题，保障充电站调峰功能的实现；(3)功率控制单元，解决电网和太阳发电系统、风能发电系统和蓄能系统之间的功率控制；(4)充电桩及附属系统，保证充电功能的正常进行和安全。

充电站的基本原理是：

(1)太阳能发电模块通过太阳能发电控制系统和蓄电稳压系统进行稳压调峰后，获得较稳定的直流电流并将其储存于蓄电系统。风能发电模块通过风力发电控制器和稳压系统进行稳压调峰后获得较稳定的直流电流，并将其储存于蓄电系统。

图2 风-光-电混合驱动的新能源汽车充电站结构示意图

(2)蓄能系统储存采用电容和锂离子电池混合蓄电，电容蓄电模块和锂离子电池蓄电模块分别由超级电容和锂离子电池串并联组成，电容蓄电模块和锂离子电池蓄电模块之间通过电控双电源自动切换开关连接，用于电能的输出和输入。将蓄能模块和电子控制模块安装于地下，电子控制模块根据各模块内传感器信息监控系统的安全性，模块与周边环境做绝缘和防水处理，系统采用液体冷却，冷源采用稳定的地温，通过地下换热管网和换热器实现温度控制，通过水泵进行冷却循环，可以较为稳定地解决主蓄能模块和电子控制模块的工作温度稳定性问题。

(3)在充电桩内设置DC/DC转换器和DC/AC转换器，可以将电能转换为不同电压，满足不同规格的新能源汽车的充放电需求。在充电模块内设置安全模块，未收到充电信号前，充电枪无法拔出，充电模块无法供电，且处于深度接地模式以保障安全性；设置无线电控制模块，该模块会根据电子控制模块检测的主蓄能模块电量情况，向外发布充电站的蓄能情况，同时会接收手机无线充电信息，向电子控制系统发布充电信号。

(4)可以通过后台控制，实现对充电基站与电网之间电能的交互使用，保障电网和充电基站的安全稳定运行。

2.3 风-光-电混合驱动的新能源汽车充电基站建模设计

通过对风-光-电混合驱动的新能源汽车充电基站的设计思路，利用SolidWorks建模软件对充电基站进行建模，其基本结构如图3所示。充电基站围绕室外停车位进行设计，在车位后端或者侧端安装充电桩系统，顶端安装太阳能发电系统，车位外侧安装风力发电系统，蓄能单元和电子控制单元安装在车位下端。此外，考虑到充放电过程蓄能系统和电子控制单元需要散热的需求，还需要设置冷却系统。

2.4 风-光-电混合驱动的新能源汽车充电基站参数设计

在确定风-光-电混合驱动的新能源汽车充电基站的基本结构后，还需要对充电基站的各部分参数进行设计。本文首先考虑充电基站的太阳能和风能发电模块功率。考虑到充电基站主要用于室外停车场和车位，为此，太阳能电池板的尺寸主要以车位大小进行标定，通常室外标准车位尺寸为2.5 m×5.3 m，根据太阳能发电板的发电功率约为2 kW，而风能发电机功率根据基站所处位置的风力特征不同，发电功率可以进行灵活设置，通常在0～1 kW。

图3 风-光-电混合驱动的新能源汽车充电基站模型图

在蓄能系统的参数方面，主要根据太阳能和风能发电能力、充电基站的位置、蓄能系统的作用和纯电动汽车充电的需求进行设定。为此，当充电基站不能与电网连接时，蓄能系统需要较大功率的电池模块，通常需要>30 kW的储能系统才能满足需求；当充电基站能与电网连接时，则需要根据储能系统的作用设计储能系统的功率；当储能系统的主要作用为调峰电源时，蓄能系统功率需要>30 kW才能满足需求；当蓄能系统主要以调节充电过程对电网的冲击作用时，储能系统功率可以设计为<5 kW。

而在电子控制系统和充电桩等方面，则需要根据储能系统、发电系统和电网的连接状态来确定。

2.5 风-光-电混合驱动的新能源汽车充电基站中试试验

为了验证基站的运行性能，对基站进行中试试验。中试试验的主要部件参数见表2。根据表2所示，考虑到造价成本和试验的效率，中试试验采用了200 W、24 V单晶太阳能电池板，200 W、24 V风力发电机及功率控制单元进行试验。充电站试验结果显示：(1)太阳能和风能并网，工作正常，经过5 h试验显示并网电量约为1.3 kW；(2)充电桩工作正常，通过充电试验，无任何不良反应。试验结果较好。

表2 风-光-电混合驱动的新能源汽车充电基站中试参数表

3 经济效益分析

对比普通充电站和换电站，本文所研究的充电基站经济性具有非常明显的优势：(1)对比普通基站，太阳能-风能驱动的新能源汽车充电站不需要增设大容量的调压装置，可以离网运行，不需要加强电网容量，从短期基建投入和长期运行维护成本的角度来说都具有较大的经济优势；(2)对比换电站，一个换电站的建设投入达300～1 000万元，而太阳能-风能驱动的新能源汽车充电站的建设成本约5～15万元，建设成本远低于换电站；(3)从长期运行维护的角度来说，太阳能-风能驱动的新能源汽车充电站可以持续将太阳能、风能转化为电能，可以持续产生价值，而普通基站和换电站则无法实现。由此可见，该项目经济效益远大于普通充电站和换电站。

4 结语

本文通过对当前新能源汽车发展和预期发展带来的充电桩不足、能源安全和环境污染压力等问题进行研究发现，当前我国存在且将持续存在一个较大的以清洁电能驱动的新能源汽车充电基站建设需求。

为了解决清洁电能和充电基站不足的问题，本文从清洁电能、充电基站等角度进行了研究，提出一种风-光-电混合驱动的分布式新能源汽车充电基站设计思路，并从理论研究到建模分析对充电基站进行模型设计、参数设计并进行计算。

通过试验，发现充电基站设计完全符合当前的需求，并通过分析系统效益发现，在城郊使用充电基站，相对于换电站、普通充电桩具有更明显的经济效益优势。