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充电桩的介绍与技术经济分析

充电桩其功能类似于加油站里面的加油机,可以固定在地面或墙壁,安装于公共建筑(公共楼宇、商场、公共停车场等)和居民小区停车场或充电站内,可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。充电桩的输入端与交流电网直接连接,输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。充电桩一般提供常规充电和快速充电两种充电方式,人们可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面上刷卡使用,进行相应的充电方式、充电时间、费用数据打印等操作,充电桩显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。

发展历程

截至目前 , 我国电动汽车充电站大多局限于电动公交汽车或内部集团用车 , 还没有建成真正面向不同用户的充电站服务网络 。 已经建成或在建的比较有代表性的充电站有如下内容 。2006 年 , 比亚迪在深圳总部建成深圳首个电动汽车充电站 。

2008 年 , 北京市奥运会期间建设了国内第一个集中式充电站 , 可满足 50 辆纯电动大巴车的动力电池充电需求 。

2009 年 10 月 , 上海市电力公司投资建成上海漕溪电动汽车充电站 , 是国内第一座具有商业运营功能的电动汽车充电站 。2009 年底 , 北京首科集团在健翔桥建设完成了国内第一个包含完整智能微网的北京纯 电动乘用车示范充电站 。

2009 年 12 月 31 日 , 南方电网投产的首批电动汽车充电站 ( 桩 ) 在深圳建成投运 , 建设规模为 2个充电站 、134 个充电桩 。

2010 年 3 月 31 日 , 国家电网公司唐山南湖充电站建成投运 , 是我国首座国家电网典型设计充电站 , 可同时为 10 台电动汽车按快充和慢充两种方式进行充电作业 。

种类介绍

充电桩可分为直流充电桩,交流充电桩和交直流一体充电桩。

建设要求

充电桩

作为电网配用电侧的电动汽车充电桩,其结构的特殊性决定了自动化通信系统的特点是被测点多且分散、覆盖面广、通信距离短。并且随着城市的发展,网络拓扑要求具有灵活性和扩展性的结构,因此,电动汽车充电桩通信方式的选择应考虑如下问题:

(1) 通信的可靠性——通信系统要长期经受恶劣环境和较强的电磁干扰或噪音干扰的考验,并保持通信的畅通。

(2) 建设费用——在满足可靠性的前提下,综合考虑建设费用及长期使用和维护的费用。

(3) 双向通信——不仅能实现信息量的上传,还要实现控制量的下达。

(4) 多业务的数据传输速率——随着以后终端业务量的不断增长,主站到子站、子站到终端之间通信对实现多业务的数据传输速率要求越来越高。

(5) 通信的灵活性和可扩展性——由于充电桩具有控制点面多、面广和分散的特点,要求采用标准的通信协议,随着“ALL IP”网络技术趋势的发展以及电力运营业务的不断增长,需要考虑基于IP的业务承载,同时要求便于安装施工、调试、运行、维护。

充电技术

自19世纪第1辆电动汽车面世至今,均采用可充蓄电池作为其动力源。对于一辆电动汽车来讲,蓄电池充电设备是不可缺少的子系统之一。它的功能是将电网的电能转化为电动汽车车载蓄电池的电能。电动汽车充电装置的分类有不同的方法,总体上可分为车载充电装置和非车载充电装置。充电桩

车载充电装置指安装在电动汽车上的采用地面交流电网和车载电源对电池组进行充电的装置,包括车载充电机、车载充电发电机组和运行能量回收充电装置,将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的充电插座中给蓄电池充电。车载充电装置通常使用结构简单、控制方便的接触式充电器,也可以是感应充电器。它完全按照车载蓄电池的种类进行设计,针对性较强。非车载充电装置,即地面充电装置,主要包括专用充电机、专用充电站、通用充电机、公共场所用充电站等。它可以满足各种电池的各种充电方式。通常非车载充电器的功率、体积和重量均比较大,以便能够适应各种充电方式。

另外,根据对电动汽车蓄电池充电时能量转换的方式不同,充电装置可以分为接触式和感应式。随着电力电子技术和变流控制技术的飞速发展,高精度可控变流技术的成熟和普及,分阶段恒流充电模式已经基本被充电电流和充电电压连续变化的恒压限流充电模式取代。主导充电工艺的还是恒压限流充电模式。接触式充电的最大问题在于它的安全性和通用性。为了使它满足严格的安全充电标准,必须在电路上采用许多措施使充电设备能够在各种环境下安全充电,恒压限流充电和分阶段恒流充电均属于接触式充电技术。新型的电动汽车感应充电技术发展很快。感应充电器是利用高频交流磁场的变压器原理,将电能从离车的原方感应到车载的副方,以达到给蓄电池充电的目的。感应充电的最大优点是安全,这是因为充电器与车辆之间并无直接的点接触,即使车辆在恶劣的气候下,如雨雪天,进行充电也无触电的危险。

技术要求

交流式

交流充电桩(栓)技术要求

1、环境条件要求

 工作环境温度:-20~+50

 相对湿度:5%~95%;

海拔高度:≤1000m;

 安装地点:户外;

 抗震能力:地面水平加速度 0.3g;

地面垂直加速度 0.15g;

设备应能承受同时作用持续三个正弦波,并且安全系数应大于1.67;

2、结构要求

 交流充电桩(栓)壳体应坚固;

 结构上须防止手轻易触及露电部分;

 交流充电桩(栓)应选用厚度1.0以上钢组合结构,表面采用浸塑处理,并充分考虑散热的要求。充电桩(栓)应有良好的防电磁干扰的屏蔽功能;

 充电桩(栓)应有足够的支撑强度,应提供必要设施,以保证能够正确起吊、运输、存放和安装设备,且应提供地脚螺栓孔;

 桩(栓)体底部应固定安装在高于地面不小于200mm的基座上。基座面积不应大于500mm×500mm;

 桩(栓)体外壳应采用抗冲击力强、防盗性能好、抗老化的材质;

 非绝缘材料外壳应可靠接地;

3、电源要求

 输入电压:单相220V;

 输出功率:单相220V/5KW;

 频率:50Hz±2Hz;

 允许电压波动范围为:单相220V±15%;

4、电气要求

 插头与插座正确连接确认成功后,带负载可分合电路方可闭合,实现对插座的供电;

 漏电保护装置应安装在供电电缆进线侧;

 低压配电设备及线路的保护应满足《低压配电设计规范》(GB/50053)中的相关规定;

 对IT系统配电线路,当第一次接地故障时,应由绝缘监察装置发出音响或灯光信号,当发生第二次异相接地故障时应由过电流保护电器或漏电电流动作保护器切断故障电路;

 照明配电系统中,照明和插座回路不宜由同一回路供电。插座回路的电源侧应设置剩余 电流动作保护装置,其额定动作电流为30mA;

6、安全防护功能

 交流充电桩(栓)应具备急停开关,可通过手动或远方通信的方式紧急停止充电;

 交流充电桩(栓)应具备输出侧的漏电保护功能;

 交流充电桩(栓)应具备输出侧过流和短路保护功能;

 交流充电桩(栓)应具有阻燃功能;

7、IP防护等级

交流充电桩(栓)应遵守IP54(在室外),并配置必要的防雨、防晒装置;

8、三防(防潮湿,防霉变,防盐雾) 保护

充电机内印刷线路板、 接插件等电路应进行防潮湿、防霉变、防盐雾处理,其中防盐雾腐蚀能力满足 GB/T 4797.6-1995《电工电子产品自然环境条件 尘、沙、盐雾》中表9的要求,使充电机能在室外潮湿、含盐雾的环境下正常运行;

9、防锈(防氧化)保护

充电桩(栓)铁质外壳和暴露在外的铁质支架、零件应采取双层防锈措施,非铁质的金属外壳也应具有防氧化保护膜或进行防氧化处理;

10、防风保护

安装在平台上的充电机以及暴露在外的部件应能承受 GB/T 4797.5-9《电工电子产品自然环境条件降水和风》中表 9 规定的不同地区、不同高度处相对风速的侵袭;

11、防盗保护

电桩(栓)外壳门应装防盗锁,固定交流充电桩(栓)的螺栓必须在打开外壳门后方能安装或拆卸;

12、温升要求

交流充电桩(栓)在额定负载长期连续运行,内部各发热元器件及各部位温升应不超过Q/GDW 397\2009中表2规定;

13、平均故障间隔时间(MTBF)

MTBF应不小于8760h;

14、安装垂直倾斜度不超过5%;

15、设备安装地点不得有爆炸危险介质,周围介质不含有腐蚀金属和破坏绝缘的有害气体及导电介质

直流式

a) 充电桩(栓)电源输入电压:三相四线380VAC±15%,频率50Hz±5%;

b) 充电桩(栓)应满足充电对象

c) 充电桩(栓)输出为直流电,输出电压满足充电对象的电池制式要求;

d) 最大输出电流满足充电对象的电池制式1C的充电要求,并向下兼容;

e) 充电方式分为常规和快速2种方式,常规为5小时充电方式,快速为1小时充电方式(针对不同电池类型选择);

f) 实现智能IC管理;

g) 每个充电桩(栓)自带操作器,以供用户进行充电方式选择和操作指导,并显示电动车电池状态和用户IC卡资费信息,实现无人管理;

h) 充电桩(栓)接口应符合GB/TXXXXXXXX电动汽车传导式充电接口(暂行)中直流充电接口的相关规定;

i) 充电桩(栓)通讯接口采用CAN通讯接口,通信协议按照GB/TXXXXXXXX电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议(暂行)的规定执行(充电对象为锂电池电动车);

j) 充电桩(栓)对充电过程中的非正常状态应具备相应的报警和保护功能;

k) 充电桩(栓)对电池的状态要监控,根据电池的温度,电压对充电曲线,充电电流,充电压自动调整;

l) 充电桩(栓)采用强制风冷;

m) 充电桩(栓)防护等级符合《GB 4208-1993 外壳防护等级(IP代码)》IP54要求;

一体式

概述

快速充电桩(栓)设备采用交直流一体的结构。既可实现直流充电,也可以交流充电。白天充电业务多的时候,使用直流方式进行快速充电,当夜间充电站用户少时可用交流充电进行慢充操作。

外形特点

1、人体工学设计,充分考虑中国人特点,安装后整机高度、屏幕高度、键盘高度、充电接头安放槽高度,适宜操作;

2、上出线口的形式,节省操作者一半的体力;

3、考虑人的使用习惯和耐用性,采用触摸和键盘互为备份的操控,触摸屏和键盘采用防雨、防尘的设计;

4、具备紧急停机的急停开关;具备充电接头安放槽,安放槽可防水;5米长的软电缆。

功能特点

1、提供人机交互操作;提供直流、交流充电接口;

2、具备语音提示功能;具备刷卡功能;

3、具备打印凭条的功能;

4、和BMS实时通信,获取动力电池类型、单体电压、剩余容量、温度、告警等信息;

5、向充电机发生控制指令、开关信号,控制充电机启动与停止,获取充电机状态信息;

6、具备充电接口的连接状态判断、联锁、控制导引等完善的安全保护控制逻辑;

7、具备CAN2.0B、RS485通讯接口,可以和集中监控通信,上送充电状态信息;

8、具备漏电、短路、过压、欠压、过流等保护功能,确保充电桩(栓)安全可靠运行;防护等级IP54。

折叠基本参数

基本参数

满足标准

新国标

连接器动力线触头额定电压

DC750V

连接器动力线触头额定电流

125A

连接器控制线触头电压

DC36V

连接器控制线触头电流

5A

连接器机械操作寿命

≥10000次

防水等级

IP67

耐电压

2000V

绝缘电阻

500MΩ

安全要求

(1)变电所应设置安全嗣栏、警示牌、安全信号灯及警铃。

(2)高压配电室和变压器室门外或变电所安全同栏上应悬挂“止步,高压危险”警示牌。警示牌的标示必须朝向围栏的外侧。

(3)高压配电装置上应有显著的操作指示说明。设备的接地点应有明显可见的标志。

(4)室内应有明显的“安全通道”或“安全出口”标示牌。

另外,变电所及配电设备的布置设计应便于安装、操作、搬运、检修、试验和监测。高低压配电室、变压器室、电容器室、控制室内,不应有与其无关的管道和线路通过。当然,即便充电站技术瓶颈得到了很好的解决,但是充电站建设可能还存在选址困难等问题。新能源汽车应先以城市为主,但繁华域往往用地紧张,地价成本较高,这方面需要政府在政策上能予以倾斜.推动充电设施的建设。由电力企业发展经营电动车充电站具有先天优势。电力企业将电力直接卖给车辆是一个新的业务,希望电力企业能转变

通信方式

电动汽车充电桩属于配电网侧,其通信方式往往和配电网自动化一起综合考虑。通信是配电网自动化的一个重点和难点,区域不同、条件不同,可应用的通信方式也不同,具体到电动汽车充电桩,其通信方式主要有有线方式和无线方式:

(1)有线方式

有线方式主要有:有线以太网(RJ45线、光纤)、工业串行总线(RS485、RS232、CAN总线)。

有线以太网主要优点是数据传输可靠、网络容量大,缺点是布线复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差。

工业串行总线(RS485、RS232、CAN总线)优点是数据传输可靠,设计简单,缺点是布网复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差、通信容量低。

(2)无线方式

无线方式主要采用移动运营商的移动数据接入业务,如:GRPS、EVDO、CDMA等。

采用移动运营商的移动数据业务需要将电动汽车充电桩这一电网内部设备接入移动运营商的移动数据网络,需要支付昂贵的月租和年费,随着充电桩数量的增加费用将越来越大;同时数据的安全性和网络的可靠性都受到移动运营商的限制,不利于设备的安全运行;其次,移动运营商的移动接入带宽属共享带宽,当局部区域有大量设备接入时,其接入的可靠性和每个用户的平均带宽会恶化,不利于充电桩群的密集接入、大数据量的数据传输

应用方案

电动汽车作为一种发展前景广阔的绿色交通工具,今后的普及速度会异常迅猛,未来的市场前景也是异常巨大的。在全球能源危机和环境危机严重的大背景下,我国政府积极推进新能源汽车的应用与发展,充/换电站作为发展电动汽车所必须的重要配套基础设施,具有非常重要的社会效益和经济效益。一场兴建电动汽车充/换电站的运动已经在全国范围内展开。

整体系统由四部分组成:电动汽车充电桩、集中器、电池管理系统系统(BMS)、充电管理服务平台。

电动汽车充电桩的控制电路主要由嵌入式ARM处理器完成,用户可自助刷卡进行用户鉴权、余额查询、计费查询等功能,也可提供语音输出接口,实现语音交互。用户可根据液晶显示屏指示选择4种充电模式:包括按时计费充电、按电量充电、自动充满、按里程充电等。

电动汽车充电机控制器与集中器利用CAN总线进行数据交互,集中器与服务器平台利用有线互联网或无线GPRS网络进行数据交互,为了安全起见,电量计费和金额数据实现安全加密。

电池管理系统系统(BMS)的主要功能是监控电池的工作状态(电池的电压、电流和温度)、预测动力电池的电池容量(SOC)和相应的剩余行驶里程,进行电池管理以避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象,最大限度地利用电池存储能力和循环寿命。

充电服务管理平台主要有三个功能:充电管理、充电运营、综合查询。充电管理对系统涉及到的基础数据进行集中式管理,如电动汽车信息、电池信息、用户卡信息、充电桩信息;充电运营主要对用户充电进行计费管理;综合查询指对管理及运营的数据进行综合分析查询。

实施案例

2015年1月15日,国内首个高速公路跨城际快充网络----京沪高速快充网络全线贯通,国家电网公司在沿线建成50座快充站,平均单向每50公里一座快充站。每座快充站规划建设4台120千瓦直流充电机、8个充电桩,可同时为8辆电动汽车充电,30分钟内充满(80%电量)。

国外状况

美国 、 日本 、 以色列 、 法国 、 英国等国家都已开始建设各自的电动汽车充电设施 , 主要以充电桩为主 。

(1) 美国

美国国土辽阔 , 且各州独立性较强 , 在 电动汽车及其充电设施设想上各州有所不同 , 加利福尼亚州 、 弗吉尼亚州等地都开展了充电设施的建设 。 其中加州的建设力度最大 , 由 “ 美好空间项目 ” 公司与加州北部的旧金山 、 奥克兰和圣何塞等城市的政府联手建设 , 将于 2012 年在上述城市的所有居民区 、商厦 、 停车场和政府大楼安装充电桩 , 以方便 电动汽车驾驶者随时为汽车充电 。 该公司还将在上述地区兴建电池更换站 , 以方便长途驾车者随时更换电池 , 项目计划总投资达 10 亿美元 。 此外 , 美国第一太阳能公司 (SolarCity) 在加州 101 高速公路上建造了 5 个充电站 。 每个充电站能够提供 240 V、70 A快速充电服务 , 能够在 3.5 h 内为特斯拉纯电动汽车充满电

(2) 日本

截至 2009 年 , 日本拥有 100 多座充电站 , 其中60 %集中在东京地区 。 日本政府表示 , 为普及电动汽车 , 将在三年内建造千余座充电站 。 日本东京电力 公 司 将 带 头 参 与 有 关 的 基 础 建 设 ,2010 年 东 京将率先建成 200 多座充电站 , 预计三年后将增加到1000 座以上 , 在东京充电桩更为普及 , 楼宇路旁随处可见 。 邻近东京的神奈川县计划 5 年内至少 让3 000 辆 电 动 汽 车 上 路 行 驶 , 该 县 已 经 承 诺 提 供150 座快速充电站 。 日本中央政府对这项技术表示支持 , 将选择城市试点开展电动汽车充电项目 。 该项目将会涉及在付费停车场 、 超市以及餐饮连锁店安装电源插座 , 以供驾驶员们免费使用 。

(3) 英国

在英国 , 伦敦市区已经有 60 个免费汽车充电桩 , 开电力驱动车的人可以非常方便地在 住宅附近 、 办公楼旁边或者繁华街道上找到充电桩 , 享受不计次充电和停车的服务 , 一年只需交 75 英镑的管理费 。

(4) 法国

在法国 , 电力企业在城市建设了很多的充电站供电动汽车使用 , 同时电动汽车也可以在家中充电 。 截至 2008 年 , 全法国有 1 万多辆各类电动汽车 ,200 座公共充电站 , 电动汽车示范应用集中在市政 、 邮政 、 公交 、 电力 、 环卫等公用事业部门 。

5) 以色列

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