电动汽车充电站电气系统设计浅谈与应用

胡冠楠

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定

摘要:随着科技的不断发展和进步，大型电车研发并投入到运营当中，能有效满足我国环保工作和清洁能源的使用需求。随着我国大型电车市场保有量的不断增多，相应的充电站配套充电设施也应加强建设，这样才能为不同类型的电动汽车的稳定运行提供充足的电力保障。基于此，本文对大型电动汽车充电站电气系统设计实施深入的分析，为电动汽车充电站的设计和建设提供可靠的参考。

关键词:电动汽车;充电站;电气系统

一、引言

大型电动汽车的设计和研发符合我国清洁能源利用的需求，有利于环境保护工作的落实。大型电动汽车在运行过程中需要利用蓄电池满足其运行需求，可以说电动汽车充电设施的设计和建设是保证其安全运行的前提。随着电动汽车市场保有量的不断增多，充电需求也随之增加，这就需要在全国范围内建立大批的充电站，大型电动汽车充电站中电气系统作为核心基础设施，需要确保设计的科学合理性，从而满足不同类型电动汽车的充电需求。

二、电动汽车充电站系统组成

2.1供配电系统

供配电系统是充电站极为重要的一部分，其主要功能就是借助外部电网设来给电站提供电能，在对该系统进行设计的时候，需要全面考虑，然后分析电站的用电情备，况，并且掌握准确的电容量，根据这些来判定电负荷级别。根据国家相关部门出台的相关政策规范可以得知，不同类型与规模的充电站电量负荷等级是有区别的，并且针对不同负荷级别有不同的建设规定。其中提到，通常情况下，普通规格的充电站，负荷等级都会定性为三级但是如果充电站的建设背景较为特殊，有重大经济价值或政治意义，一旦出现供电问题会严重阻碍社会的正常秩序，那么就要将此类充电站定性为二级负荷级别。

2.2充电系统

充电系统是充电站的最终保障系统，只有该系统处于正常运行状态，电车才能够圆满完成充电任务。充电系统内部主要是由各类充电机构成。充电机的类型主要包括三种，分别为慢速充电机、中速充电机以及快速充电机。在进行充电的时候可根据自己的需求来自行选择，如果充电站的规模较大，充电需求较多，则要同时配备三种充电机，由于快速充电机的使用频率较高，因此不管哪种类型的充电站，首先都应注重快速充电机的配备。

三、供电系统的设计

3.1供电系统的相关设计要求

通常情况下，供电系统由两部分组成，一部分是一次设备，另一部分是二次设备。这些设备都包括谐波调节设备、继电保护器、变压器以及专用配电柜等设备。在对系统进行设计的时候必须遵循科学的设计方法，设计时要重点注意以下几个方面，首先，电动汽车充电站的配电网应选择10KV规格。负责供电的电源必须经过降压处理之后才能进行使用。其次，由于大型电动汽车所用的充电站的电量负荷等级一般都属于二级，为了满足电车的供电需要，其中设置了多种类型的充电桩，在进行设计的时候必须保证供电的可靠性和安全性。

3.2电气设备的选择和配置

这一部分需要注意三个方面。第一，设备主接线的设计。由于我国大型电动汽车的充电站分布数量有限，而充电服务的模式也比较单一，因此对站内可靠性的设计要求较高，主接线的出现数量也比较多。因此设计人员通常会使用单一分段的接线方法，进线部分要选择双回路设计，且要等到降压处理之后再进线。此外，还应注意控制进线时的传输容量，至少要超过最高容量的 70%左右，当充电站处于正常运行的状态时，其中的断路器会直接将开关分隔开来。双回路线此时均处于独立的运行当中。如果其中的一条回路出现了故障，或者进行检修的时候，分段线路中的断路器会快速闭合，而充电则会从运行状态正常的回路中获取电源。第二，要注重变压器的选择。一般情况下，双回路中的变压器在处于正常运行状态的时候，都是独立工作互不干扰。在该种电气系统当中，并没有设置明备用设备，而其中的变压器则作为暗设备来使用。第三，要注意其中无功补偿设备的设置以及滤波装置。对于大型电车充电站来说，其整流器以及逆变器等设备负载电量较大，因此对于无功功率有较大需求，如果不设置无功补偿装置，会给供电效果带来负面影响。但是在使用补偿装置的时候，由于系统还会受到其他众多电子元件的影响，而产生部分谐波，从而降低供电质量。因此技术人员要在该方面做出改进，尽量规避谐波的出现。

四、充电系统的设计

充电系统是由交流充电桩、直流充电桩以及相关附属设备所组成。交流充电桩主要采取充模式，即:电流在10~60A 之间，充电功率在5~20kW之间，一般采用单相220V或者三相 380V电压等级。充电时间长，但是电费较便宜、建设成本较低，适用于公交车、环卫车等社会公共用户。直流充电桩充电电流为150~400A，功率在50~100kW之间，采用三相四线制 380V电压，能够在10~30min内将电池电量由10%提升到90%。直流充电适用用户范围广，充电时间短，故在充电站中广泛采用，然而存在着建设与维护成本高，电费相对较高等不足。充电桩设计应当考虑适应安设地区气象状况，能够在天气下正常工作，因此需要考虑防尘、防雨、放强光照射，同时保证桩体能够正常通风散热。对于充电桩电气部分设计，有如下要求:①设计要基于“一车一桩"原则，即在同一时间内，一辆汽车对应一台充电桩进行充电。②)设备选择需要满足充电桩设计输入功率要求，且留有裕度。充电输入功率为:

P:充电桩输出有功功率;η:充电桩效率;cosφp:充电桩功率因数。③充电桩采用 TN-S 供电接地系统，即将工作零线与保护专用接地线 PE严格区分开。配置带脱扣功能的低电压断路器，断路器应具有短路保护与剩余电流保护功能。确保充电桩金属外壳因故障断电时断路器可以迅速、可靠且有效地将充电桩与供电系统断开，避免造成人身与财产伤害。④由于站内设有单相充电桩与三相充电桩，所以，要通过调度确保三相负荷平衡。

五、充电站电气系统设计解决方案

通过综合考虑充电站的规模、布局、电网配电情况以及访客的充电需求，进行合理的充电设施布局规划、选择适当的充电桩类型和功率规格，以及引入稳定可靠的运营平台管理系统，以提升用户体验和满足日益增长的新能源车辆充电需求。此解决方案具备智能化管理、多样化设备、安全可靠、节能环保、灵活扩展和数据统计等特点，能够为充电站提供高效便捷的充电服务。

图1系统设计图

图2 平台结构图

充电运营管理平台是基于物联网和大数据技术的充电设施管理系统，可以实现对充电桩的监控、调度和管理，提高充电桩的利用率和充电效率，提升用户的充电体验和服务质量。用户可以通过APP或小程序提前预约充电，避免在充电站排队等待的情况，同时也能为充电站提供更准确的充电需求数据，方便后续的调度和管理。通过平台可对充电桩的功率、电压、电流等参数进行实时监控，及时发现和处理充电桩故障和异常情况对充电桩的功率进行控制和管理，确保充电桩在合理的功率范围内充电，避免对电网造成过大的负荷

六、安科瑞充电桩云平台具体的功能

平台除了对充电桩的监控外，还对充电站的光伏发电系统、储能系统以及供电系统进行集中监控和统一协调管理，提高充电站的运行可靠性，降低运营成本，平台系统架构如图3所示。

图2 充电桩运营管理平台系统架构

大屏显示：展示充电站设备统计、使用率排行、运营统计图表、节碳量统计等数据。

图3 大屏展示界面

站点监控：显示设备实时状态、设备列表、设备日志、设备状态统计等功能。

图4 站点监控界面

设备监控：显示设备实时信息、配套设备状态、设备实时曲线、关联订单信息、充电功率曲线等。

图5 设备监控界面

运营趋势统计：显示运营信息查询、站点对比曲线、日月年报表、站点对比列表等功能。

图6 运营趋势界面

收益查询：提供收益汇总、实际收益报表、收益变化曲线、支付方式占比等功能。

图7 收益查询界面

故障分析：提供故障汇总、故障状态饼图、故障趋势分析、故障类型饼图等功能。

图8 故障分析界面

订单记录：提供实时/历史订单查询、订单终止、订单详情、订单导出、运营商应收信息、充电明细、交易流水查询、充值余额明细等功能。

图9 订单查询界面

七、产品选型

安科瑞为广大用户提供慢充和快充两种充电方式，便携式、壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kw/21kw交流充电桩，30kw直流充电桩，60kw/80kw/120kw/180kw直流一体式充电桩来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给，同时为提高公共充电桩的效率和实用性，具有有智能监测：充电桩智能控制器对充电桩具备测量、控制与保护的功能；智能计量：输出配置智能电能表，进行充电计量，具备完善的通信功能；云平台：具备连接云平台的功能，可以实现实时监控，财务报表分析等等；远程升级：具备完善的通讯功能，可远程对设备软件进行升级；保护功能：具备防雷保护、过载保护、短路保护，漏电保护和接地保护等功能；适配车型：满足国标充电接口，适配所有符合国标的电动汽车，适应不同车型的不同功率。下面是具体产品的型号和技术参数。

八、现场图片

九、结论

随后我国电动汽车的不断提高，与之相配套的充电基础设施建设相对缓慢，为了能够有效满足不同类型电动汽车充电的需求，在全国范围内急需构建大规模的充电站建设。在充电站电气系统设计和建设过程中，应充分考虑多方面的因素，尤其是充电安全性和可靠性，尽可能地保留充足的扩建余量，保证电网系统运行稳定性的同时，还能够提高电车充电的高效便捷性。

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