停车场充电车位充电灵活性研究

停车场充电车位充电灵活性研究

王翊光

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省 150066

摘要：随着中国汽车工业的不断发展，电动汽车越来越被更多用户所接受，而电动汽车的充电问题也相应越来越受到大家的关注。停车场电动汽车充电站越来越多，对充电站进行合理配电设计具有重要意义。停车场建设充电站，是积极响应国家节能减排、绿色环保的总体政策要求的大力举措，同时也是解决周边社会纯电动车辆充电需求的有效手段。我国充电桩基础设施快速的发展，为新能源汽车提供了配套能源保障，在能源供给侧结构性改革和大气污染防治等方面发挥了重要作用。当前，国家大力推动充电桩为代表的新型基础设施建设，充电基础设施随着新能源车辆的迅速发展面临巨大的社会需求。从产业初期的零星个人安装布置，到现在开发商在建设开发阶段就对充电桩车位进行统一规划，集中布局，减少安全隐患。本文主要研究了停车场充电车位充电灵活性。

关键词：停车场；充电车位；充电设施；充电灵活性

引言：，随着全球环境的日益恶化和石油资源的日趋紧张，电动汽车作为新型能源交通工具越来越受到关注，具有广阔的发展前景。充电站、充电桩及电池等充电设施，是发展电动汽车的重要配套基础设施。发展新能源电动汽车产业，是国家重大战略政策，对外能够保持中国汽车产业在国际市场上的竞争力，对内能够加强环境保护，推进民生工程，具有极大的社会意义。而充电基础设施的短缺已严重影响新能源电动汽车产业的发展，未来新能源电动汽车保有量必将成倍增加，因此，建设充电基础设施，形成可持续发展的“新能源汽车+能源互联网+充电基础设施”产业生态体系，势在必行。

一、停车场充电车位研究的意义

由于城市的土地稀缺性和汽车保有数量会随着经济的发展越来越高，使得停车场需要有越来越高的土地使用效率，因此也就导致了停车场内的空间需要合理进行利用。早期停车场系统与智能建筑和现代交通的发展严重脱节．为提升天安数码城物业管理模式．对停车场进行再次改造。停车场充电作为解决公共充电问题的重要手段，在建设及运营过程中一直存在着许多问题。首先同时也最关键的是资源限制问题，受土地使用限制、投资成本及配电容量限制的影响，在公共停车场所投放充电桩时，无法做到所有车位均配置充电设备；并且受停车管理规定的约束，公共停车场站不能拒绝非新能源车辆占用充电车位，这既对运营收益产生极大影响，又使得本就不多的充电车位资源进一步被浪费。充电服务作为服务业领域的细分，在当前一刀切的收取“充电服务费”模式下，难以形成差异化服务以提高客户满意度；而另一方面，受设备投资、电力负荷及引流能力限制，公共充电桩又一直处于运营效率低下的困境。

根据中国充电基础设施联盟的数据计算，2018年国内电动汽车和公共充电桩数量之比仍在持续增加中，已由2016年的5.29和2017年的7.01增加到了7.03。且由于选点布局不合理、检修维护不及时、充电接口及电压不兼容等多方面原因，我国公共充电桩的整体利用率不足15%，也即是说，在电动汽车迅猛发展的同时，现今已布局充电桩的数量远远不能提供未来汽车大规模电动化的需求，找桩难，油车占位，充电资源利用率低成为很多公共充电场站运营的难题，也造成了电动汽车发展延迟的桎梏。

为解决以上问题，本研究将结合充电场站停车位的特点，研究一款新型的可提高充电车位覆盖率，提高充电模块利用率，提高充电服务质量的按需有序控制的多枪柔性充电系统。重点研究性价比更高的开关调度矩阵模型和与开关模型匹配的硬件联动电气互锁安全防护技术，实现10枪及以上充电接口全柔性充电。所谓的全柔性充电，即所有充电模块组均可自由调度给任一把充电枪的极致效果。其次通过研究冗余的分布式充电接口自动控制技术，扩充多枪充电系统可充电接口数量，达到超出常规充电系统一倍或多倍车位覆盖的效果。理想状态下可做到有车位即可充电的服务。

二、充电设施系统构架

1.充电装置类型主要分两种：非车载充电机及车载充电机及交流充电桩。非车载充电机将电网交流电能先变为直流电能，直接为电动汽车蓄电池充电。充电机容量为15KW-80KW，国内一般为30KW，可快速为蓄电池充电，但所需技术要求较高以确保电池温升在控制范围内。车载充电机或交流充电桩，将电网交流电能，经电动车自带的整流器变换为直流电能，为蓄电池充电。容量一般在10KW以上，国内一般为7KW，充满蓄电池需数小时，民用建筑中以此充电设备为主。

2.非车载充电机的安装和布置及电气要求

a、充电机的布置应便于车辆充电，并应缩短充电机输出电缆的长度。

b、应采用接线端子与配电系统连接，在电源侧应安装空气开关；接地端子应可靠接地

c、充电机应垂直安装于地面垂直的立面，偏离垂直位置任一方向的误差不应大于5度。

5、车载充电机或交流充电桩的安装和布置及电气要求

a、交流充电桩配电回路应安装具有剩余电流保护功能的空气开关。

b、多台交流充电桩的电源接线应考虑供电电源的三相平衡。

c、落地式充电桩安装基础应高出地面0.2M及以上，必要时可安装防撞栏。

d、交流充电桩应具备与上级监控管理系统的通信接口。

e、充电桩的防雷接地、防静电接地、电气设备接地、保护接地及信息系统的接地宜共用接地装置，接地电阻值与建筑共用接地装置电阻值要求相同。

三、停车场充电车位充电灵活性分析

3.1实现在成本控制及配电负荷受限下的充电资源最大利用

直流充电场站的可充电停车位数量主要受配电容量，以及投资建设成本的约束，传统直流充电场站多采用分离式设备配备，以两枪为主流，充电功率设计单一，功率覆盖范围小，每台充电机之间没有关联，闲置的充电设备模块资源是不能相互利用的。

而采用集中控制的技术，研发一款多枪柔性充电系统可以解决充电资源利用低的问题，根据行业内经验，充电接口越多，充电模块调度路径越复杂，成本也越高，以往有采用四枪一组堆叠多枪的设计，也有使用控制简单、但成本高的选通式开关矩阵控制，都不如采用直连式开关矩阵的群控技术成本最优，因为所需开关数量最小，且能实现全柔性充电控制，同时配置灵活向下兼容，可根据不同的充电工况降低柔性充电的设计深度，比如采用极快极慢模式以降低产品硬件成本。柔性充电的设计理念能使各充电接口按预设的控制策略实现输出实时控制，能照顾到各种车型充电功率及不同客户服务时间的需求，充电时间减少了，服务质量自然就提高了。

考虑到公共停车场有很多的充电车经常是一放半天，一放一整天，并不急于用车，也不主动来挪车的现象。可利用自动化控制技术，将多枪柔性充电系统的充电终端由原来的一桩一枪改造成一桩两枪，且两枪互为备用，就地实现自动轮充控制管理，理论上可增加一倍，如果车位允许，可增加到四倍，极大提高可充电车位的覆盖，对于单体桩同样适用，群控桩更加有效，因为群控桩充电资源的利用率高，充电自然就更快了，轮换起来也会更快，可缓解油车占位，司机找不到充电车位的难题。这项业内前沿的应用技术将可以很好地解决油车占位问题和充电车位稀缺问题，尤其对于公共停车场的充电场站效果明显。

3.2实现高功率充电多枪隔离冗余安全性防护

直流充电机常规的安全防护措施包括过压过流保护、电池二次保护、IP54防护、漏电保护、绝缘检测保护、开关实时粘连检测、开关遥信反馈保护等，但多枪充电系统在多接口同时充电时，存在动态调节与切换充电模块的动作，最终是靠关联的功率分配接触器来实现，如何才能保障两枪之间或多枪之间不发生电池直接短接的事故是整个系统运行安全控制的难点之一，尤其是超过四枪的系统，功率调度路径变得越来越复杂，如果没有有效的安全技术措施就无法真正实现全柔性多枪充电系统，这也是很多枪充电系统设计充电接口不敢扩大的主要原因。

为控制器配置正常的开关闭合路径表是一个有效的解决方法，但防止软件出错带来的开关乱闭合，还需要系统级的冗余防护措施才能提高安全系数。我们采用可编程逻辑器件（CPLD）电路实现对直流接触器开关矩阵的互锁电路闭环控制实现。这是一套独立于充电控制器的安全控制系统，且要求运行稳定可靠，通过逻辑电路中的与门、或门、非门组合模拟出十枪母线及所有开关量的状态，并编辑关联算法，将控制器发出的接触器控制命令进行硬件级过滤，并将错误的命令完全屏蔽掉，同时实时接收输出接触器的遥信状态进行逻辑比对，以便发现短接时能迅速停止模块输出并给出告警。逻辑电路属于完全的硬件电路技术，不受软件的影响，具有非常高的稳定性和可靠性。

3.3与平台功能相结合实现有序充电控制

随着电动汽车数量增多，充电负荷的急剧增加在无序充电情况下，对电网的影响会逐渐显现，因此提出根据负荷情况进行有序充电的思路，通过在一定范围内对电动汽车负荷的监控和调整，从而使电网平稳和安全运行，充电设备能接受上级平台系统对充电负荷调整的指令，根据指令实现对充电功率的控制，直流充电可采用限制充电电流大小或分配功率来调整所有充电接口的输出能力。

对有序充电系统功能进行规划，实现智能接收和响应电网调度系统的负荷调控计划，根据充电系统当前实时充电负荷状态和电网负荷调控计划，对管辖区内的运营商级或站级的充电负荷进行计划、分配和管控，实现对电网的用电和区域供电安全起到保障作用。另外有序充电系统根据运营商级或站级的充电负荷计划，以及车辆充电需求，通过智能平衡电网负荷能力与充电需求的运算，实现合理利用电网容量有序保障汽车充电需求。同时系统通过大数据分析用户充电行为习惯和用车习惯，结合当前车辆充电需求，优化和改善需求侧的有序控制，合理有效地满足各种充电需求场景的应用。系统能根据削峰填谷方案，有效引导用户在谷时段充电。

3.4停车位车辆占位检测技术与充电系统平台信息化相结合

无人值守的充电场站最难管理的就是车辆占位问题，尤其是公用停车场，如果没有有效的管理或技术措施，燃油车占据充电车位的情况是显而易见的。虽然后台能实时检测到充电机的状态，但不能检测到未插枪的车辆占位状态。如此出现的问题就是信息不对称，虚假信息，当充电客户在充电APP上搜索到某个充电枪是空闲时，很可能过来后发现车位上有一辆燃油车或者有一辆充完了电的电动汽车，这位用户的充电体验将会非常的差。

减少燃油车占位或者让充完电的电动汽车快速移开并不是一件容易的事，如果开辟的是专用充电场站，提高停车费是个好的选择，但公共停车场不能拒绝这种无序的行为，也无法区分开充电与不充电的车辆来进行引导。不过可以提供有效的占位检测技术，确保充电平台能实时获得准确的停车位占位信息显示给所有查询者。考虑到直流充电机工作时内部具有很强的电磁场干扰，将研究雷达感应技术在直流充电设备上的可安装性和抗干扰性，并与后台协同信息共享的方案。同时提供部分车位带预约占位功能，研究提供遥控地锁为预约客户提供短时占位收费服务的可行性，评估客户对此便民措施的满意度。

参考文献：

[1]任敏，田准.基于地下停车场的“5G+轨道式智慧汽车充电桩”设计研究[J].青年与社会，2020(15)：162-163.

[2][2]史添添,曾洁,赵宏凯,周琳凯.智能停车场的车位信息检测及管理系统[J].电子设计工程,2017,25(04):185-188+193.

[3]水盼盼.电动汽车交流充电桩控制导引系统的研究[J].中国科技纵横，2017（16）.