电动汽车集约型换电设施的设计研究

电动汽车集约型换电设施的设计研究

吕长顺

国网内蒙古东部电力综合能源服务有限公司 呼和浩特 010000

摘要：在我国快速发展过程中，经济在快速发展，社会在不断进步，为解决电动汽车换电站施工周期长、换电效率低、存在安全隐患等问题，提出了一种集约型换电设施的设计思路及方案。通过对集装箱合理改造，并集成电池缓存、自动取放、充电控制、安全防护等系统，从而构成一种具备电池取放自动化、均衡充电及自动保护功能的集约型换电设施。详述了该集约型换电设施各系统的功能及设计方案，实践证明该换电设施可提高土地利用率、降低换电站建设成本，并可提高换电效率及服务质量，达到预期效果，同时具有较高的市场潜力。

关键词：电动汽车；模块集成；换电设施；动力电池

引言

在电动汽车发展的过程中，电动汽车的电池储量一直不能有效提高，且相应的汽车充电技术在发展过程中遇到了难题。由于当前相应的科学技术水平达不到要求，因此想要短时间通过研发和创新解决此类技术难题是不现实的。所以，需要不断改进和完善电动汽车充电设施的运营模式，从而有效弥补电动汽车电池储量和充电技术上存在的不足。

1充换电设施类型

电动汽车的充换电设施类型主要分为:综合充换电站、商用充换电站、乘用充换电站、电池配送站以及公共充电桩。商用车充换电站主要服务于公交车、市政车，重点结合公交场站布局。乘用车充换电站分城市和城际2种，城市部分，主要服务于私家车、出租车，应重点考虑旅游景区、商业商务区等人流密集地;城际部分，应结合高速公路服务区、国省干道，布局城际快充站，满足城际出行需求。综合充换电站集合商用、乘用充换电站功能，主要布局于用地空间充裕，充换电需求集中的区域，布点数量应适当控制。电池配送站以满足配送服务半径为主，辅助性提供充换电服务。

2集约型换电设施设计

2.1箱体改造

采用内尺寸为12.032m×2.352m×2.69m标准规格的高箱集装箱，为提高土地利用率，设计成多个电池工位的充放电条件。箱体改造主要包括底座改造和外壳改造。集装箱底座改造主要根据工作人员操作高度，基于人体工程学原理，在整个箱体外底部加装底座。因热轧H钢结构具有成本低、精度高、残余应力小等优势，且与焊接工字钢、传统钢结构和砼结构相比，同截面负荷下节约钢结构制作成本30%左右。综合上述，底座高设计为50cm，选用H型钢材搭建，底座用板材焊接封闭，整体用绿色油漆美化，其结构如图1所示。底座的设计不仅为工作人员提供了更加方便的操作条件，而且避免了集装箱直接与地面接触，防止积水倒灌，保障电气设备可靠运行。集装箱外壳改造主要包括风机口改造、侧门改造、正门改造、缓存电池口改造、雨棚改造等工作。正常运行时该设备内部有100台电池充电机同时工作，箱内会产生较大的热量，为了能更好地散热，在箱体背部加装风机口，并在箱体内部安装空调内机，保障电池安放在相对恒定的温湿度环境。为方便设备前期安装和后期维护检修，在集装箱2个侧面分别安装人员进出门户。正门改造是在集装箱正面用卷闸门将电池架封闭的设计，关闭时可以起到防雨、防尘、防火的作用。在设备维修时卷闸门打开，方便工作人员观察电池状态和查找故障。缓存电池口即缓存架的电池出口，用于人工取放电池。

2.2供电电源配置

充换电设施供电电源点应具备充足的供电能力，依据城市地形地貌和道路发展规划就近选择，路径宜短捷顺直，避免近电远供、交叉迂回。属于二级负荷的充换电设施（如高速公路两侧的快速充换电站、大型枢纽充换电站等），宜采用双回路供电，并满足以下要求：①当任何一路电源发生故障时，至少应有一路电源能对保安负荷持续供电；②应配置自备应急电源，电源容量至少应满足全部保安负荷正常供电需求。面向普通用户的充换电设施可采用单回线路供电，宜配置自备应急电源，电源容量应满足８０％保安负荷正常供电需求。

2.3由相应电力部门直接控制的运营模式

像美国PBP公司提出的运营模式在世界上比较少见，更多的国家采用的是由国家电力部门提供的充放电模式。这种模式为用户电动汽车提供充电服务主要是由相应的国家电力网络公司进行直接的控制与调节，将这类运营模式叫做国家电网公司直接控制运营模式。在这样的模式下，国家电网公司可以直接调节电动汽车的充电模式，有效降低了对电动汽车充电过程中对国家电网造成的影响，确保国家电网整体的负荷曲线保持在一个较为稳定的状态。随着电动汽车充电时间段的不断改变，相应的国家电力部门可以有效控制顺序充电，科学合理规划整个充电时间段。

2.4充电系统

充电系统包含电池架、充电架、交流配电柜等装置。电池架用以存放一定数量的动力电池，按照电池外形尺寸和集装箱体空间余量设置电池格位数量，每个电池格位与电池箱之间用导向式均衡电池插座连接。电池架通过电缆与充电机完成电气连接，形成可充电的集成装置，并设有通信、监控等功能。充电架用以存放均衡充电机，根据均衡策略对电池组进行均衡充电，同时完成各单体电池状态信息的监测、采集和通信。另外，专为集装箱式换电设施设计交流电源配电装置，除了为集装箱内充电系统和控制系统提供电源外，还提供室内照明和民用插座，方便工作人员检修作业。

2.5乘用充换电站选址原则

乘用充换电站布局应结合城市功能分区，强化对居住区、商业商务区、旅游景区的功能服务，以与社会停车场共建为主;城际快充站主要结合加油加气站布局，满足沿线高速公路或国省干道上过境车辆的充换电需求。与加油加气站共建的乘用充换电站应重点考虑以下因素:(1)用地空间控制。相关规范要求，加油站和加气站用地面积一般不大于3000m2，油气合建站用地面积一般不大于4500m2，油气电合建站用地面积一般不大于5500m2。因此，与加油加气站共建的充换电站总面积应控制在3000～5500m2。(2)安全距离要求。加油加气站的变配电设备一般不防爆，所以要求其布置在爆炸危险区域之外，并保持不小于3m的附加安全距离。根据相关规范要求，埋地储罐与室外变配电站的安全距离应在25m以上。(3)出入口布局原则。与加油加气站共建的充换电站临道路一侧一般采用敞开式设计，保证加气车辆、换电车辆进出通畅，充换电站建议与加油加气站出入口相对独立，并保证一定的安全距离，减少进入车辆的相互干扰。

结语

在能源转型的大背景下，推进换电设施自动化、高效化、便捷化是推动电动汽车普及的有效途径，是清洁低碳路线的有效实践。在集装箱固有钢结构和吊装便利性的基础上，设计完成一套可吊装的集约型充换电设施，该设施由箱体改造系统、电池缓存系统、自动取放系统、充电系统、控制系统、安全防护系统等部分组成，通过一体化的充换电系统设计和电气模块化设计，提高电动汽车换电服务站的土地利用率、建设便捷性、充换电效率。集约型换电设施具有较高的安全可靠性和设备通用性，该方案的研究可以推动城市电动汽车基础设施建设，对汽车动力行业能源转型将起到积极的推进作用。

参考文献

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[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会．电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)[EB/OL]．(2015-10-09)[2019-04-01]．

[3]温淼．电动汽车充换电站电气系统设计[D]．大连：大连理工大学，2016．