电动汽车充电站换电车间建设的可行性研究

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【摘 要】随着电动汽车行业飞速发展，各地电动汽车充电站、充电桩建设也初具规模。本文结合烟台充电站的现状及扩建需求，对充电站增加换电车间及配套设施进行可行性研究分析，并提供参考设计方案。

【关键词】电动汽车；充电站；换电车间

0 引言

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。电动汽车作为一种新型交通工具，是缓解我国石油资源紧张、城市大气污染严重等问题的重要手段，是推进交通发展模式转变的有效载体。电动汽车有着很好的社会效益和环境效益，集中体现在以下几个方面：

（1）污染小，零排放，无污染，大幅度降低城市噪音；

（2）改善电网负荷，平衡电网峰谷负荷，提高机组利用率；

（3）节约能源，综合能量利用率远高于其它能源方式；

（4）是贯彻国家能源战略，落实节能减排政策的重大战略举措。

近年来，围绕“建设经济文化强市，打造国际旅游名城”的城市发展战略，2012年烟台市在高新区建设马山充电站，为试运营的两条公交线路及潜在的电动车辆提供充电服务，推动烟台市电动汽车的发展。

1 建设必要性

远景规划：2020年将建成公交车充换电站5座、环卫车充换电站10座、乘用车集中充电站20座、乘用车充换电站10座、电池配送站50座，充电桩4000台，电动汽车保有量达到4000辆。

现状规模：2012年，烟台市马山充电站一期完工，建设直流充电车位8个，交流充电车位15个，仅能满足部分公交及社会车辆的充电需求，满足不了电动汽车增加及快速续电能力的客观要求。下面以具体充电实例论述：

大型公交车举例：以一辆大型锂动力电动大巴为例，配置电池容量700Ah。最大充电电流210A，最高充电电压700V，需要充电器的最大输出功率为245kW。按最优充电要求对电动汽车充电的充电时间，利用200kW直流充电机需要3个小时，利用60kW充电机需要7小时。对于电动公交车而言，在晚间下班后利用低谷充电，时间5～6小时。

普通社会车辆：以比亚迪E6纯电动汽车为例，电池类型为磷酸铁钴锂电池，配置电池容量200Ah，标称电压316.8V。充电器的输出功率为192kW。利用200kW和60kW充电机快速充电时间最少分别为1个小时和2个小时充满。

通过以上两例看出，充电站仅具备快、慢充功能已远远不能满足电动汽车快速增长及续电的要求，因此，在充电站内增加电池快速更换即换电车间成为一项必然选择。

2 项目方案

烟台马山充电站位于烟台高新区马山工业园，地块面积0.9882公顷，其中已经建设直流充电车位8个，交流充电车位15个，综合配电楼一座，其余为公交车停车场地。根据需要，本期增加建设换电车间一座，布置在站区北侧。车辆从充换电站东南口进入，电池更换后车辆由西北口驶出车间离开换电车间或停入停车场内。

2.1 服务车辆及能力

建设的换电车间共设置2个车辆换电工位，适用于大型电动公交车。滨海沿线及市区主干道的单程距离均约35公里，公交车每天往返四次，每两次换电一次，下面计算电动公交车的运行情况。

电动公交车单班行驶里程约为70km，车辆双次换电行驶时间为5～7小时。单工位服务车辆：5辆/小时*5小时=25辆。本站服务车辆：本期25辆/工位*2工位=50辆。考虑一定的裕度，取冗余系数为1.2，则换电车间可服务60辆电动公交车。

2.2 电池充电系统

换电车间内设置备用电池充电系统，采用直流0.3C方式为电池充电，正常充电时间2.5h。根据实际经验，我们认为可以设定2.5h为一个更换周期，每周期电池更换能力为14辆次，即每周期充电能力为14辆。根据大型公交车电池配置情况，单工位需配置大小电池14×9=126箱，本站共计126×2=252箱。

电池充电采用单箱直接充电方式（大箱）及两箱串联充电方式（小箱），拟采用15kW充电机为电池充电，输出电压40～100V、最大充电电流150A。单工位需配置充电机屏14面，每屏安装15kW充电机6～8台，共计98台，本站共计196台。

2.3 电池更换系统

电池更换系统组成：由电池更换设备、电池架和电池等组成。

电池更换流程：在单工位的两侧各配置1套电池更换设备。每套更换设备为独立工作，一次动作可以取、放单箱或多箱电池。整个电池更换过程顺序为：当需要更换电池的车辆进入站内工位后，更换设备沿着铺设在车辆与电池架中间的直线轨道根据事先安装在电池箱上的感应器的信号取下电池架上已充好电的电池，然后取出车辆上的需要充电的电池箱，接着更换设备一边先将充好电的电池箱送入车辆放电池箱的地方，接着另一边将需要充电的电池箱送进电池架上充电，完成单次个电池更换过程。要求整车电池更换动作时间不超过10分钟。电池更换设备采用全自动自旋转一步式设备，具备全自动、半自动操作模式。

2.4 监控系统建设方案

电动汽车充换电站监控系统采用分层分布式架构，分为：站控层、间隔层、网络层。其中站控层部署相关服务器和工作站，负责数据处理、存储、监视与控制等；间隔层部署具备测控功能的相关设备，负责数据采集、转发，响应站控层指令，网络层部署相关设备，负责间隔层与站控层之间的可靠通讯。

监控系统包含充电监控、换电监控、配电监控、安防视频监控、车辆运行监控、物联网、计量、运营管理、信息远传、站内负荷监控、站内电话等子系统。各子系统通过多种手段互相连接，实现对整个充换电站的全方位监控。

2.5 配电部分方案

本期新增2000kVA变压器一台，10kV增加避雷器柜、馈线柜等各1台，完善10kV单母线分段接线。0.4kV侧新增低压配电柜7台，完善0.4kV单母线分段接线。新上换电车间后电池充换电负荷由0.4kV两段母线均匀分配，原一期整车交、直流充电负荷亦由0.4kV两段母线均匀分配。10kV采用联络方法，互为备用。每路进线可带两台变压器运行。两台变压器运行当其中一台发生故障时，低压联络开关合闸实施互为备用 （条件是变压器负载率小于60%）。

2.6 计量计费

充换电站计量系统包括电网和充电设施之间的计量、充电设施和电动汽车用户之间的计量两部分，分别采用交流计量和直流计量。

（1）电网与充电设施：采用高压侧计量，在10kV进线侧配置计量柜；

（2）充电设施和电动汽车用户：采用低压侧计量，在分箱充电机交流输入侧配置计量表以及电池度计费，在公交车上电池箱输出侧配置直流电能计量表。

站内由用电采集终端负责采集各个关口电表交流电表的实时电量信息，通过本地工业以太网与计费工作站通讯，将整个充换电站的总电量、各充电机的每次充电电量传送到后台进行处理，并把电量和计费信息存储到数据库服务器中；通过充换电站计量管理机完成与用电信息采集系统或上级监控中心的通信，确保上级系统能够实时获取充换电站内的电量信息。

2.7 土建部分

换电车间为一层砼排架大跨双T板预应力屋面板结构厂房，平面尺寸为：40.50m×20.50m，柱距8m，跨度20m，车间梁底标高为7.5m，建筑面积830.25m2。内部功能为电池更换及电池充电架（两个工位）。

车间在立面设计上运用了现代的设计手法，在满足内部使用功能要求的前提下，注重与南侧变配电中心在建筑风格上的协调，通过外墙面的进退变化，以及几种饰面材料的组合变化，使建筑立面局部突出，与众不同，体现了现代工业建筑的时代感和美感。

3 结语

电动汽车大力发展是未来的一个必然趋势，而充电、换电、维护等设施的配套建设更是电动汽车发展的助推剂。电动汽车充换电站建设对扩大电力终端用电市场，降低需求侧峰谷差，提高电力供需平衡和电力设备负荷效率，具有重要的意义。本文借助烟台充电站二期扩建工程，对充电站增加换电功能进行简要的分析和配置方案论述。其中也存在许多的问题，希望本文能够抛砖引玉，引起大家对电动汽车发展的关注，共同为节约能源和优化环境贡献我们的力量。

【参考文献】

[1]国家电网公司2010年电动汽车充电设施建设实施方案[J].国家电网公司 ， 2010，1.

[2]Q/GDW486-2010 电动汽车电池更换站技术导则[S].

[3]Q/GDW488-2010 电动汽车充电站及电池更换站监控系统技术规范[S].