电动汽车集成一体式充电站设计

麦栋明

（海鸿电气有限公司，广东 江门 529328）

0 前言

随着“双碳”目标的提出以及新能源汽车行业利好政策不断，电动汽车的市场占有率不断提高，截至2022 年已达到25.6%，提前3 年完成国家《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020 年）》提出的到2025 年达到20%的目标。充电桩作为新能源汽车的配套基础设施，早在2020 年已被纳入新基建当中，其需求与新能源汽车的发展呈正相关。但目前充电桩的建设存在以下问题：城市土地资源紧张，新增充电站用地选址难；电动汽车充电站初始投入大，回报周期长；加装充电桩周期长，难以配合充电需求灵活扩展；缺少光伏发电及储能等功能系统，经济效益低。

因此，针对以上问题，提出一种电动汽车集成一体式充电站的方案，与传统充电站的对比如表1所示，其具有高度集成、体积小、扩展灵活以及功能配置丰富等特点，主要包括5 部分：高压部分、变压器部分、低压部分、充电部分、光伏部分和储能部分[1-3]。

表1 电动汽车集成一体式充电站与传统充电站的对比表

1 关键设计

1.1 外箱结构设计

为使充电站的占地面积最小，故须对各个部分采用小型化设计或特殊结构设计。但考虑到可替换性以及经济性，高压柜、变压器以及充电设备应采用常规方案，这样方便出现设备故障时进行快速更换。而低压部分由于电压为0.4 kV，柜内带电体的电气距离较之于高压侧小很多，且低压侧的故障多数为单个零件的异常，整柜更换的情况较少，因此可对低压柜进行小型化设计，这样可以在高度方向缩小尺寸，进而设置变压器部分在低压部分的上层，形成外箱的双层结构。

另外，为使充电设备与充电站集成一体化，外箱的底框设计了相应的底座，便于充电设备的安装，此外，底框的内部还设计了电缆通道，这样就可以使低压部分能方便地给充电设备供电，出厂前可以安装调试完成，减少现场工作量。对于充电站不能覆盖的车位，可以设计电缆槽延伸至相应处，并设充电桩在电缆槽上方，这样无论是前期规划充电桩还是后期增加，都无须开挖电缆沟做基础。

外箱顶盖设计为覆盖整个充电站，这样可以为充电设备提供更好地工况，即使多数充电设备可户外使用，但长期暴晒雨淋还是会使其故障率增加；另外，顶盖设计有光伏组件，顶盖的面积越大，发电量也会越大，因此全覆盖式的顶盖更适合此充电站，如图1 所示。

图1 电动汽车集成一体式充电站外箱结构设计

1.2 光伏设计

光伏系统的设计可分为2 部分，充电站的外箱顶盖的光伏、充电站车棚的光伏。目前，市场上有多种光伏发电组件，如单晶硅、多晶硅、HIT、非晶硅、铜铟镓硒和碲化镉等，虽然这些组件已标定了功率，但是在相同的运行条件下，实际发电效率却有所不同，碲化镉在太阳辐射量较高，少云或多云地区有优势，广东多为此气候。另外，外箱顶盖上安装光伏发电组件，最好选用体积小、重量轻的组件，避免顶盖受压过重而变形。故此，顶盖上选用碲化镉光伏发电玻璃，车棚上的光伏组件的选择应与顶盖光伏组件一致，这样可使逆变器的输入参数一致，运行更稳定。

光伏逆变器的选择应根据光伏组件的发电功率以及充电站的功能需求来选择。光伏发电总功率由车位以及充电站设备占地面积所决定，箱式变电站的容量一般在800 kV·A 以下，设直流快充桩（60 kW）12 支和交流慢充桩（7 kW）6 支，可以覆盖18 个以下的车位，则车位设置在双侧可以使整个充电站布置最合理，如图2 所示。碲化镉光伏发电玻璃的尺寸为1 200 mm × 600 mm × 6.8 mm，功率为105 W，再加上休息室也加装光伏发电，因此整个场站的光伏发电功率在60 kW 以下，逆变器的选择功率为60 kW 即可，另外，由于发电功率不大，可自发自用，供场站内的日常用电以及交流慢充桩用电，故逆变器选用离网逆变器。再加上充电站设置有储能系统，所以逆变器还须具备给蓄电池充放电的功能，功能架构图如图3 所示[4]。

图2 充电站车位布置图

图3 离网逆变器系统架构图

1.3 储能设计

储能系统与箱式变电站一体化设计，安全防护设计为重点。铅酸电池技术成熟、稳定性好，并且可回收利用，市场价格优势明显，非常适合此方案的设计。储能电池室设置在高压室背面，电池规格为150 A·h/12 V，共设30 节，可储大约54 kW·h。针对电池的运行状态，配置了电池巡检仪装置，包括1 个监控装置屏和2 个电池巡检装置模块，这样就可以实时监测单体电池的状态，如图4 所示[5]。

图4 储能电池室设计

此外，为对防火安全进一步提升，对储能电池室四周侧壁加装防火水泥板，以及在顶部安装悬挂式七氟丙烷气体自动灭火装置，这样可以保证即使发生火灾也可以最大限度地阻挡火势的蔓延。在安防警示方面，设置两个声光报警器在充电站顶盖上，为正在站内充电的人员发出告警驱离。

2 应用案例

此为电动汽车集成一体式充电站的实际工程验证，该充电站占地面积约900 m2，设有18 个充电车位，还配置有休息室，道路四周环绕，进出方便。充电设备采用了充电堆 + 分体式直流充电桩的方案，共设14 支分体式直流充电桩，单桩额定功率250 kW，充电堆功率为600 kW，通过矩阵式柔性分配技术，为分体式直流充电桩输出最佳充电功率。此外，该充电站还设有4 支7 kW 的交流慢充桩，其电源主要由光伏储能系统供电，为电动汽车供给绿色电能，提高经济效益的同时实现低碳减排，符合国家“双碳”的目标，如图5 所示。

图5 开平海鸿集成一体式充电站

3 结束语

本文介绍了一种电动汽车集成一体式充电站，其占地面积小，并且集光、储、充于一体，功能配置丰富，完美解决了传统电动汽车充电站占地面积大、建设周期长、充电桩扩展难、资源利用率低等问题。另外，一体式设计减少了土建面积，不但降低了投资，还能为充电站增加更多的车位，大大提高了充电站的效益；另一方面，运营商在场站迁移时可对整套设备进行搬迁，大大减少了损失。实际运行案例证明了该设计方案的运行可靠。