电动汽车充换电站结构简介

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摘要：本文对电动汽车充换电站的结构组成及各系统的功能进行介绍，结合作者在充换电站实施方面的经验，重点就供配电系统的设计、充换电站监控系统的实现及电池更换系统进行详细说明。

关键词：充换电站;监控系统;电池更换系统

中图分类号：TM32文献标识码： A 文章编号：

1.前言

随着城市化、工业化进程的加速，汽车工业得到飞速发展。同时国际原油供求矛盾逐步加深，全球气候变暖日益明显。在此背景下，加快发展电动汽车充电设施建设，搭建电动汽车产业发展平台，对于推动低碳经济发展和低碳城市建设，降低汽车污染排放，优化能源消费结构，保障国家能源安全，促进环境与人类和谐发展等方面具有重要意义。电动汽车充换电站系统主要由供配电系统、充电系统、监控系统、电池更换系统组成。

供配电系统主要为充电设备提供电源，主要由一次设备（包括开关、变压器及线路等）和二次设备（包括监测和控制装置等）及站用电源系统组成。我方负责设备提供,不含施工安装,负责现场技术支持。

充电系统为换电站内电池箱提供直流电能，具备与电池箱内BMS和监控系统的通信功能，并能根据BMS提供的信息自动或接受监控系统的控制命令对电池箱进行充电控制和管理。

监控系统是充换站安全高效运行的保证，它实现对整个充换站的监控、调度和管理，主要包括配电监控系统、充电监控系统、烟雾和视频安保监视系统和计量系统。

电池更换系统由用于完成商用车和乘用车电池更换功能的一系列设备组成，是换电站的核心组成部分，主要包括换电设备、半自动换电设备、叉车等。

充换电站配套设施包括照明设备、温控系统、消防设施、自助交易终端、电池维护设备等。

2.供配电系统

充换电站供配电系统主要包括10kV开关柜、变压器、低压配电柜、配电监控、APF等组成部分。

2.1 10kV配电系统

一般10kV配电系统采用双电源供电，单母分段接线方式，设置分段开关。高压柜采用真空断路器中置式开关柜，设进线柜、PT防雷器柜、出线柜、母联柜和隔离柜。

（1）配电变压器类型选择

参照国家电网公司电动汽车充换电站的设计要求，根据具体需求选择汽车充换电站高压侧10kV进线电源双路还是单路。低压0.4kV侧一般可采用单母分段接线方式。

（2）配电变压器容量选择

根据充换电站用电容量选择。一般可选择两台变压器，采用双路常供方式，每台变压器正常情况承担一半站用负载。一台变压器停电检修时，充电机等设备减半使用。

（3）高压开关柜选择

10kV高压开关柜可采用中置柜，柜内配固封式真空断路器，开关柜需具有充裕的电缆连接空间、完善可靠的五防联锁机构以及短路关合能力快速的合闸接地开关。

2.2 0.4kV系统设计

0.4kV侧一般可采用单母线分段的接线方式，设进线柜、有源滤波柜，出线柜及分断联络柜。0.4kV接地系统采用变压器中性点直接接地系统，采用TN-S接地方式，接地电阻应不大于4欧姆。

2.3 站用电源

一般充换电站内用电负荷不是很大，可以设置专用的10kV站用变压器，用电源可以从位于不同母线的不同配电变压器低压侧接取，通过交流配电箱分配给站内照明、空调、风机、插座等设备供电。

同时需配置站用直流电源系统和不间断电源系统，直流母线采用单母线接线。直流系统充电装置采用智能化整流电源模块，具备显示、上传直流系统状态量的功能。监控系统设置不停电电源，不停电电源采用直流电源和逆变电源组成。监控系统站控层采用交流不停电电源(UPS)供电。

电动汽车充换电站属于谐波源负荷，会产生谐波电流注入公用电网，影响电网电能质量水平。因此需要采取措施抑制其谐波电流注入，以确保电能质量和电力系统的安全、经济运行，一般可采用有源滤波的方式抑制其谐波电流注入。

3.充电系统

充电系统由充电机组成。根据设计容量及要求，选择充电机数量、型号，并要考虑到一定的裕量。

充电机需具有根据电池管理系统（BMS）和后台监控系统提供的数据，动态调整充电参数、自动完成充电过程的功能；充电机具备通过CAN接口与电池管理系统通信的功能，以获得电池箱参数及充电电池的状态参数；充电机应具有实现外部手动控制输入的功能，以便对充电机参数进行设定；同时充电机应具备交流输入过欠压保护、交流输入过流保护、直流输出过压保护、直流输出过流保护、内部过温保护等功能。

充电机控制系统是充电机的一部分，是充电机的控制中心和通信枢纽，负责与电池更换站后台系统交换数据；完成充电机的充电控制；与BMS通信获取电池状态和运行信息；完成充电过程的联动控制。

4.监控系统

充换电站监控系统作为充换电站自动化系统的核心，主要包括充换电站监控后台、充电机控制系统、配电系统监控、电池更换监控系统、计量计费系统、安防系统及通讯管理机等。其结构如下图所示。

充换电站监控系统

充换电站监控后台主要完成采集、处理、存储来自充电机及配电系统的数据，提供图形化人机界面及语音报警功能，完成系统的数据展现及下发控制命令，用以监控充电机及配电系统的运行；除配电站监控SCADA功能外，还提供针对充换电站系统的诸如智能负荷调控等高级应用功能，为电池更换站安全、可靠、经济运行提供保障手段。

其中，安防监控系统由前端视频监控设备和视频监控后台组成。

安防监控系统

电动汽车充换电站视频监控系统含图像监控系统、防盗报警、火灾自动报警系统；视频监控后台由视频管理工作站和统一平台监控软件组成，实现管辖所有区域内前端充电设备的图像监控、防盗报警、火灾自动报警等功能。

充换电站监控系统中的通信管理机是充换电站监控系统的通信核心，负责配电系统监控、充换电站监控后台、安防系统、电池更换监控系统及充电机之间的数据交换；负责向安防系统转发报警信号实现视频监控联动；负责向换电站上级监控系统转发本站相关信息。

5.电池更换系统

电池更换系统是换电站的核心组成部分，一般由由电池箱、电池充电架、换电设备等组成。

5.1电池箱

由若干单体电池、箱体、电池管理系统及相关安装结构件（设备）等组成的成组电池，具备符合标准的电池箱结构、电池箱监控设备 （电池电压、内阻、温度、充放电电量、电池箱身份识别、充放电过程管理等）、电池箱接插件、电池箱环控设备等。

5.2电池充电架

指带有充电接口的立体支架,可实现对电池箱进行存、充电、监控等功能。具备符合标准电池箱要求的安装位置，具有良好的稳固性、承重能力、绝缘能力、可扩展性等，满足大规模电池箱充电和存储的需求。

5.3电池更换设备

指针对不同类型电动汽车,适应不同标准等级电池箱能力的电池更换设备及其配套附件。具有方便、快捷、准确更换电池箱的功能。

电池更换监控系统相对独立，但需要充电机控制系统的信息支持；同时也要为后台监控系统提供必要的状态信息，由用于完成商用车和乘用车电池更换功能的一系列设备组成，是换电站的核心组成部分，主要包括换电设备、半自动换电设备、叉车等。

5.4移动充电仓

移动充电仓的设计目的是为了给电池仓集中充电。如仓内以5X4架子形式放满4KW模块充电机，与电池仓内的每个电池组一一对应。充电仓的设计要点：结构考虑批量生产方便，应考虑叉车或吊车装卸方便和受力情况；仓内通风要好，防护等级应不低于IP32；每台充电仓动力电源宜按正常动力照明电源和充电机动力电源两路设置。

5.5电池转运箱

电池转运箱包含动力电池和电池架两部分。

动力电池参数一般可选单体电压3.2V、单体容量15Ah，电池箱额定电压80V、电池组容量60Ah。

电池架为电池转运箱内电池存放方式的架子，为5 X 4的架子，设计目的是为方便地集中存放和集中运输电池箱。

电池转运箱结构要考虑批量生产方便，考虑叉车或吊车装卸方便和受力情况；仓内通风要好，防护等级应不低于IP32。

5.6电池检测与维护设备

根据站内电池箱数量、地区更换站实际地理布局及更换站间运行安排，综合考虑更换站规模、人员配置等因素，确定换电站配备电池箱检测与维护设备数量。

检测与维护设备能重新标定单体电池实际容量，最大误差不超过±5％。

检测与维护设备能检测单体电池内阻，最大误差不超过±5％。

检测与维护设备能检测电池箱和单体电池绝缘性能，最大误差不超过±5％。

检测与维护设备能对电池箱中的单体电池进行单独充放电，从而实现对单体电池的维护操作。

电池检测及维护设备有二种，分别为360V/120A电池检测设备与80V/60A电池检测设备。其中360V/120A电池检测设备主要用于对4串标准电池进行循环充放电试验,以确定使用中的电池的整体动力性能情况，80V/60A电池检测设备主要用于对单串标准电池进行循环充放电试验,以确定使用中的单只电池的性能情况。

参考文献：

《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》

《电动汽车电池更换站技术导则》Q／GDW 486-2010 

《电动汽车电池更换站设计规范》Q／GDW 487-2010

《电动汽车充电站及电池更换站监控系统技术规范》Q／GDW 488-2010