电动汽车充电站设计摘要：随着电动汽车技术的日趋成熟，电动汽车商业运营已经在国内多个城市开 展，智能充电站系统成为电动汽车领域的重要课题。我们先对对电动汽车充电站 的结构主要设备进行阐述，然后拓展开，讨论电动汽车所具有的优势以及电动汽 车充电站所存在的问题。接下来我们主要研究了电动汽车的快速充电问题和方 法，最后对因充电站带来的谐波问题进行分析，并对谐波治理采取有效的措施。 关键词：电动汽车充电站；快速充电；谐波节能、环保、缓解能源危机、改善人类生存环境和遏制大气状况继续恶化是 汽车工业可持续发展面临的首要问题，也是其发展的方向传统汽车消耗了大量 优质紧缺的石油天然气，这使电动汽车成为解决我国石油能源短缺的根本出 路以电动汽车为代表，大力促进其发展，有助于实现交通能源的多元化并维护 国家的能源安全。1. 概述面对传统燃油汽车尾气排放造成的污染及其对石油资源的过度消耗所引发 的环境与能源问题，电动汽车(electrie vehicle, EV)以其良好的环保、节能特 性，成为当今国际汽车发展的潮流和热点之一。目前，电动汽车电能供给方式主要有交流充电、直流充电和电池组快速更换3 种典型方式。1) 交流充电方式。外部提供220 V 或380 V 交流电源给电动汽车车载充电 机，由车载充电机给动力蓄电池充电。一般小型纯电动汽车、可外接充电式混合 动力电动汽车(plug in hybrid elec trie vehicle， PHEV )多采用此种方式。车 载充电机一般功率较小，充电时间长。2) 直流充电方式。地面充电机直接输出直流电能给车载动力蓄电池充电， 电动汽车只需提供充电及相关通信接口。地面充电机一般功率大，输出电流、电 压变化范围宽。有些地面充电机还具备快速充电功能。3) 电池组快速更换方式。电动汽车与充电机无直接联系，而是通过专用电 池更换设备将车上少电的电池取下，换上充满电的电池，这个过程所需时间短。 电池由地面充电机充满电，并放置在更换专用电池架上备取。目前汽车燃油消耗已经成为石油消耗的主体，据联合国的统计数据，在世界 石油消耗中，航空耗油占12，海运耗油占7，而汽车耗油占75。在我国， 汽车的石油消耗已经占到了全国石油消耗总量的25，并且还将持续增长下去， 根据预测，到2010年我国的汽车石油消耗将占全国石油消耗量的35，到2020 年我国汽车对石油的消耗将达到全国石油消耗总量的55。汽车在消耗大量石油资源的同时，还排放大量尾气，是公认的污染大气的“头 号杀手。资料显示，北京大气中的有害气体大多来自机动车的排放污染，其所 占比例为：碳氢化合物735、一氧化碳634、氮氧化物37。目前我国大 中城市的空气污染情况已经达到了严重影响人民身心健康和社会可持续发展的 程度。根据国家环保中心的预测，2010年我国汽车尾气排放量将占空气污染源的64。要缓解这两个日趋严重的问题，汽车工业必然向着环保、清洁、节能的方 向发展。电动汽车以电代油，能够实现“零排放”，噪音低，是解决能源和环境 问题的重要手段。以电动汽车为代表的新一代节能与环保汽车是汽车工业发展的 必然趋势。然而，城市高楼给充电带来了很多的不方便，其他地方充电站也远远 不能满足需求，因此我们要加速建设汽车充电站，以满足未来的市场需求。2. 电动汽车发展趋势面临能源和环境的压力，世界各国著名的汽车厂商都十分重视研究开发电动 汽车，发达国家不惜投入巨资进行研究开发，并制定了一些相关的政策法规来推 动电动汽车的发展。随着中国汽车保有量进一步扩大，能源危机的问题也在逐步临近。因此，节 约能源且环保的新型动力的开发将是未来汽车发展的走向，清洁能源车的研发和 推广也被提升至前所未有的高度。在我国，通过近五年的努力，实现了纯电动汽车的小批量生产，开发的产品 通过了国家汽车产品型式认证，纯电动汽车在特定区域的商业化运作广泛开展。 纯电动轿车的动力性、 经济性、续驶里程、噪声等指标已超过法国雪铁龙公司等国外大型汽车生产企业 研制的纯电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。在国家大量资 金投入的前提之下，高校、大量的企业也参与到这场“新能源汽车秀中。电动汽车的发展存在以下瓶颈。(1) 技术争议当前的电动汽车技术还存在不少问题，如蓄电池的使用寿命不长而更换成本 高；国产零部件尚未完全过关，关键元器件均需进口；低温条件下电池超快充电 技术未根本解决等。只有关键技术和传统技术、关键部件和传统配件的全面发展， 才能开发出先进的、可以市场化的电动汽车。(2) 运行经济性电动汽车不受油价飞涨的影响。但纯电动汽车需要改变整个动力体系，要花 一部分额外的成本来装电机、电池，而电机控制系统的成本较高，带动整车销售 价格的提高。在这种情况下，与同时也在不断进步的内燃机节能技术相比，如果 没有政府的政策鼓励性经济补贴， 用户选择购买价格昂贵的纯电动汽车并不见得划算。(3) 基础设施装备电动汽车商业化的基础设施包括充电站网络、车辆维修服务网络、多种形式 的电池营销、服务网络等。建立一定数量的公用充电站、配备专用电缆及插座等 是延长行驶里程、实现纯电动汽车产业化的关键。这里存在一个电力供应问题。目前已有汽车企业与电网公司探讨由电网公司 制作标准化电池，利用波谷电将电蓄到电池，再将电池租给电动汽车用户、公交 公司的方式。(4) 政府政策支持正因为纯电动汽车在技术上、运行经济上、基础设施上还存在着产业化发展 的瓶颈，所以需要政府相关政策支持，营造市场启动阶段的政策环境，推动电动 汽车的商业化过程，顺利完成示范宣传政府主导的批量需求大批量生产 国家逐渐淡出四个阶段。3. 电动汽车充电站结构汽车充电站按功能可划分为四个子系统模块。充电站的功能决定充电站的总体结构。为此，一个完整的充电站需要配电室、 中央监控室、充电区、更换电池区和电池维护间等五个基本组成部分。1）配电室。配电室为充电站提供所需的电源，不仅给充电机提供电能，而且 要满足照明、控制设备的用电需求，内部建有变配电所有设备、配电监控系统、 相关的控制和补偿设备。2）中央监控室。中央监控室用于监控整个充电站的运行情况，并完成管理情 况的报表打印等。内部建有充电机监控系统主机、烟雾传感器监视系统主机、配 电监控系统通信接口、视频监视终端等。3）充电区。在充电区完成电能的补给，内部建设充电平台、充电机以及充电 站监控系统网络接口，同时应配备整车充电机。4）更换电池区。更换电池区是车辆更换电池的场所，需要配备电池更换设备， 同时应建设用于存放备用电池的电池存储问。5）电池维护间。电池重新配组、电池组均衡、电池组实际容量测试、电池故 障的应急处理等工作都在电池维护间进行。其消防等级按化学危险品处理。配电系统（配电相关设笛） 尸充电桃 b充电平台电泄调摩系瞬电龜存储电粗更换电也维护r配电监控系统 充电机监控系统 烟雾监视系统L畅监视系统图1充电站功能系统划分 充电站各个部分之间及其之间的联系如下图：图2充电站总体布局在充电站的具体设计过程中，我们要考虑的东西有很多很多，做为一个用电 大户，我们要根据充电站规模等，对各个方面进行详细的设计，比如主接线设计、 根据具体情况进行设备选型、充电站监控的设计等等。在这里只对监控作一个大 概的说明。充电监控功能是充电站监控系统的核心功能，主要实现对充电桩和充电机的 监视与控制。1）对充电桩的监控。 监视充电桩的交流输出接口的状态，如电流、电压、开关状态、保护状态等； 采集与充电桩相连接的电动汽车的基本信息；控制充电桩交流输出接口的开断。2）对充电机的监控。充电机作为被监控对象，上送给监控系统的数据主要包含2 类：充电机状态 信息，即输入输出电压、电流、电量、功率因数、充电时间、当前充电模式、充 电机故障状态等；电池状态信息，即电池包基本信息、电池单体电压、电池单体 温度、电池故障状态、电池管理系统设置信息等。此外，在电池包状态信息部分，系统还需根据采集到的电池单体电压、温度 等计算出电池包内单体最高电压、最低电压、最高温度、最低温度等统计信息， 供限值统计、告警系统使用。对充电机的控制功能主要包括：对充电机充电开始、停止、紧急停止的控制； 充电机充电模式的调整，即根据充电机连接电池的类型及其充电特性，操作人员 可通过图形画面调整各阶段充电参数，并下发给充电机；向充电机及其连接的电 池管理系统下发对时命令。配电监控功能。实现对电动汽车充电站配电设备的监控，方便统一管理和数 据共享。可实现对整站的总功率、总电流、总电量、功率因数、主变状态、开关 状态、无功补偿及谐波治理设备的监视和控制。烟感监视功能。在充电站中，为了保障电池充电安全，除了通过电池管理系 统监视电池电压、温度外，在电池充电架中安装了数量众多的烟雾传感器，用于 探测锂离子动力电池因过充导致电池自燃而释放出的烟雾。这些传感器接入充电 站监控系统后，和充电监控功能（特别是在电池管理系统失效时）一起保障电池充 电的安全。电池维护监控功能。在大型充电站中，需要通过专门的电池维护设备对电池 进行定期维护。在维护过程中，系统将采集到的维护数据存入充电站监控系统数 据库，形成电池的完整数据档案，便于对电池进行整体评估。快速更换设备监控功能。在具备电池快速更换设备的充电站中，可通过充电 站监控系统对电池快速更换设备下发具体电池更换命令：让快速更换设备在指定 轨道位置更换电池架上指定位置的电池包。充电站监控系统可采集快速更换设备 当前轨道位置、设备状态等信息。数据交换与转发功能。充电站要与上级集中监控系统进行数据交互，上送本 地总加数据等实时信息以及电池系统充电历史数据信息，以便对电池数据进行集 中分析和评估。在监控系统的具体设设计中，我们可以应用一些比较直观的图形来表示，用 各种组态软件使整个监控过程看上去直观、明了。4. 电动汽车快速充电系统电动汽车用电池的快速充电是电动汽车研究与开发过程中的重要课题。尽管 许多实用化的充电设备或商用充电器具有快速充电及均衡充电的功能，但其通常 是按事先设定的充电电流对电池进行充电。这种方法不能根据电池充电过程中的 具体情况对充电电流进行调整，为了避免出现过充电，设定的充电电流通常偏小, 因此充电时间仍然较长，而且由于不具备自适应能力，充电过程中容易出现过充 电现象，对蓄电池的寿命不利。为了在实现快速充电的同时又不影响电池寿命， 关键是要使快速充电过程具有自适应性，即根据电池的实际状态自动调节充电电 流的大小，使其始终保持在充电可接受电流的临界值附近。为此，我们在电池快 速充电理论基础上，对分段恒流充电方法进行了试验研究，以期实现动力电池的 智能化快速充电和均衡充电。增大充电电流，电池极板上单位时问内恢复的活性物质增多，充电时间就可 缩短，但过大的充电电流会损害电池。电池可接受的充电电流是有限的，且会随 充电时间呈指数规律下降理想化的电池快速充电过程是充电电流始终保持在电 池充电可接受电流的极限值，即充电电流曲线与该电池的充电可接受电流曲线相 重合。我们选择容易实现的分段恒流充电方法，其关键是要确定适当的阶段恒流 充电终止判断标准、恒流充电分段数和各阶段恒流充电电流值。充电时间参数控制方法简单，但电池型号不同、充电起始状态不同，所需的 充电时间也不一样，如果单以充电时间来控制阶段恒流充电的结束，容易导致电 池过充电或延长充电时间。温度参数控制方法的优点是可实现电池温度过高保 护，但是由于环境和传感器响应时间延迟的影响。如果仅以电池温度参数作为阶 段恒流充电终止判断标准，也容易造成电池的过充电。电压参数控制被认为是较 好的阶段恒流充电终止控制方法，但其不足也是显而易见的，比如：不能识别因 电池极板硫化而产生的充电电压异常升高以及电池充电过程