淺談新能源的充電樁供配電設計與運維管理

摘要：進入21世紀，我國經濟發(fā)展速度加快，但是針對環(huán)境的影響較大。為能進一步保護環(huán)境，各行業(yè)都在倡導節(jié)能減排。新能源汽車的出現，是減少汽車尾氣排放的重要措施。因此，研究新能源汽車的實際發(fā)展情況，并了解充電樁供配電設計對策十分重要?；诖?，文章對新能源汽車的發(fā)展瓶頸進行分析，簡述高壓直掛多能互補超充電站，以及傳統(tǒng)充電站的類別和結構組成，詳細分析充電樁供配電設計，以及充電樁運營管理對策，并就新能源適用問題進行分析。關鍵詞：新能源；充電樁；供配電設計；供配電管理0引言 在我國相關政策中明確，要加強應用新能源汽車，完善充電樁等配套設施，以進一步推動新能源汽車行業(yè)向前發(fā)展。充電樁作為新能源汽車的組成，要注重研究充電樁安裝技術，提高充電樁安裝水平，讓新能源汽車行業(yè)帶動充電樁行業(yè)發(fā)展。在“雙碳”目標下，我國2021年的新能源汽車保有量達到7840000臺，占據我國總體汽車的2.6%。根據預測到2025年，新能源汽車的保有量將達到26000000輛，占據總車輛的7%，同時對應的充電樁數量在2025年將突破10000000臺，在這種情況下就需要更多穩(wěn)定的充電樁。

1 新能源汽車的發(fā)展瓶頸

從目前的新能源汽車發(fā)展上能看出，新能源汽車所存在的問題可以分為三點，分別是充電難、充電慢和維護難，充電難是指目前所具備的充電樁數量與新能源汽車數量不匹配，車樁比為2.6∶1，公共充電樁大約為1600000臺，市場上所具備的充電樁約為4000000條。充電慢是指現有的充電樁往往都為60kW，缺少120kW的直流充電，導致車輛所需要停留的時間過長。維護難在于充電樁的故障率較高，需要在后期支出一定的維護成本。

在這種情況下，為解決充電慢的問題，高壓快充技術成為未來發(fā)展的關鍵。從實際技術應用上能看出，提高充電電流或者提高充電電壓是能解決充電慢的重要方法，充電電流的提升針對熱管理要求較高，同時在推廣上也有著較大的難度。充電電壓的提升，不僅能減少質量，還能節(jié)約空間，能進一步實現快速充電，因此，在未來發(fā)展上以提高充電電壓為基礎的高壓快充技術成為重要發(fā)展形勢。與此同時，應用新技術來升級充電樁也是關鍵，比如利用技術來強化管理能源，完善監(jiān)控，能將充電樁、汽車和運營商三個方面的數據進一步整合，能實現樁與樁之間的有效管理。通過利用大數據方式來匹配車主和充電樁資源，能確保新能源汽車車主有效的找到充電樁，便于合理利用，提高充電樁的利用率。

2傳統(tǒng)充電站概述2.1傳統(tǒng)充電站的類別

一種是申請10kW的外線作為充電樁電源，另外一種是用戶預留電源，并不需要申請外線。傳統(tǒng)充電站從結構方面可以分為一體式和分體式，一體式在樁體內布置充電模塊，分體式在電源堆箱體中集成充電模塊控制系統(tǒng)，在樁體中只有交互和槍頭。

2.2 傳統(tǒng)充電樁存在的問題

對于傳統(tǒng)的充電樁來說，在直流電源輸出功率上存在問題，功率可達360 kW，功率轉換耗損超過10%，在轉換能源時的耗損嚴重。此外，交流測電能質量存在問題，因為功率會波動，導致直流電源效率受到影響，回路引起的諧振過電流會影響內部系統(tǒng)正常運行，導致線路被毀。同時，新能源還會滲透電網功率，導致功率降低。接入新能源方面，則會因為新能源自身的特點，導致電能的實際利用率較差。

3 高壓直掛多能互補超充電站的結構

高壓直掛多能互補超充電樁迎合時代發(fā)展、應用當前的信息技術進行監(jiān)控，通過對大數據的應用能實現對系統(tǒng)的實時監(jiān)控，進而實現智能化運行[5]。同時，其充電功率能達到360 W/ 槍，而且是直流配電，并沒有交流過程，能有效降低成本。高壓直掛多能互補超充電樁在安裝完成后，商家可以利用手機App來控制，實現遠程控制與管理，安裝時也方便，能根據當地的情況自由組合，具有高度集成化的特點。 高壓直掛多能互補快速充電站拓撲圖如圖1 所示，采用高壓進入充電站箱變，輸出充電槍頭通過電動牽引車輛。

4 充電樁的類型

充電樁根據電壓來劃分，可以分為單相充電和三相充電，其中的單相充電電壓為220 V，三相充電電壓為380 V。 充電樁根據電流來劃分，可以分為直流型和交流型，其中交流型是依靠在新能源汽車上安裝車載充電方式來充電，電流并不大，而且所需要充滿的時間較長，屬于充電速度慢的充電樁，往往更加適合居民區(qū)。直流充電樁可以將交流轉為直流，但是需要新能源汽車上存在充電單元。這一類充電池的電流大，對應的充電時間較短，較為適合公共場所[6]。正常情況下，這類充電樁的電壓為380 V，并且輸出功率各不相同。需要明確的是，雖然這類充電樁能有效縮短充電時間，但是需要更加注重設施安全。 交流充電樁外界環(huán)境應在-20 ～ 50 ℃，海拔高度不能超過1 km。在電氣方面，要連接好插座和插頭，為插座供電，安裝漏保裝置。一旦發(fā)現故障應能立即使用監(jiān)察裝置，并切斷故障電路。在照明配電線路中，插座和照明不能使用同一套回路來供電。

直流充電樁輸入電壓應為三相四線， 電壓為380 V AC，頻率為50 Hz，應滿足電池負載要求，以直流輸出電為主。直流充電樁充電分為快充和普通兩種，其中普通充電充滿要5 h 左右，而快速充電則能在1 h內完成充電。

充電樁應根據實際情況來針對性配備操作設備，讓用戶能自己根據實際情況對應選擇適合的充電方式，并能讓充電順利完成。同時，在充電上，應能直觀地顯示電池電量，實現無人管理目標。充電池應能充分監(jiān)控整個充電流程，一旦出現問題能1時間處理。充電池應能監(jiān)控汽車的電池狀態(tài)，以電壓和溫度為監(jiān)控標準，自動調整內部電壓、電流。此外，充電樁還應從實際入手來配備相應的風冷裝置。

5 充電樁的供配電設計

在民用建筑中，中斷供電會影響公共安全的設施，會影響公共交通的設置，其供電負荷不能低于二級。如果是充電樁不具備單獨安裝變壓器的情況，而是與其他用電設施同時使用變壓器，就需要充分考慮輸入功率的差距，并遵循配電等級越低對應供電穩(wěn)定的原則選擇二級配電模式。通過變壓器電壓母線來試配配電箱，再由配電箱來供電。針對輸入功率較大的充電樁，則通過母線來直接供電。

因為直流充電樁的功率大，所以在實際安裝上也需要充分考慮變壓器。在安裝變壓器時的容量設計，是對應充電樁的需求，并非與其他的需求綜合。比如，儲能型的充電樁隨著數量的不斷增加，其變壓器容量也逐漸穩(wěn)定，而增加容量的目的是解決電流對于變壓器的實際影響。非儲能充電樁因為會受到中間環(huán)節(jié)的影響，采取隔離式變壓器來減少外界電流的影響，隨著安裝直流充電樁的數量增多，對應的變壓器容量也需要增加。

根據實際資料調查分析能得出，要想明確直流充電樁的實際系數，要根據實際情況有效分析，并按照當地供電部門和項目情況進行科學合理調整。在選擇變壓器容量上，需要考慮項目的正常用電需求，并適當地留有一定的容量空間，滿足后續(xù)充電樁發(fā)展。同時，采取控制器對充電樁的能源使用情況加以控制，在峰值期間能減少充電樁使用，降低直流充電樁的實際功率輸入，以此讓系統(tǒng)正常運行。

在峰值期間管理能源，按照充電樁類型來選擇。對于儲能直流充電樁應采取分時充電原則，根據電價變化情況來充電，進一步減少成本投入。此外，還要控制好充放電方法，進一步延長設備的使用壽命。同時，需要充分考慮防火性能，要將直流充電安裝在室外。直流充電和變配電室放在一起，以減少在線路方面的電能耗損。針對充電樁的回路，應針對性設置好電流保護，并去除一些不必要的設備，做好接地防護，保證設備的正常使用。

6 新能源適用分析

新能源是補充傳統(tǒng)能源的重要方法，因為其對環(huán)境友好的特點，被人們所重視。隨著當前技術水平的提高，新能源已經在民用建筑中得以廣泛應用。針對民用建筑來說，常用的新能源有風能、地熱能、太陽能等。其中，風能利用建筑主體優(yōu)化布局，確保建筑與外界通風適合，減少能源消耗。通過風能來發(fā)電，不考慮工程造價，會發(fā)電時產生較大噪聲，而且在城市中的風能資源有限。如果是利用地熱能源來發(fā)電，由于地熱能也屬于天然能源，需要區(qū)域內有地熱能，然后通過地熱熱泵技術來加熱水，實現建筑和供暖和制冷。太陽能則是通過太陽光線來發(fā)電，不會受到場地因素的影響。目前，利用光伏板來發(fā)電的技術成熟，以后還會不斷優(yōu)化，能進一步提高光電轉換效率。隨著技術的發(fā)展，初期的成本投入也會降低，能為充電樁使用太陽能打下基礎。常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)中有充放電裝置、儲能裝置和光伏列陣等，而所選擇的容量可以根據光伏板輸出功率、面積和轉換效率等決定。當前，因為受到技術影響，所以光伏板的實際輸出功率一般在150 W/m2 左右，效率不低于70%。

針對民用建筑，可以利用離網和并網兩種，主要考慮實際的用電量。如果安裝120 kW 左右的光伏系統(tǒng)，并不能有效滿足實際的用電需求；如果是利用離網型單一類型，則需要增加蓄電池的容量，目前主要是應用并網型系統(tǒng)。在此基礎上，并網系統(tǒng)應為避免出現“孤島”效應，及時采取相應措施，比如設置防逆流控制裝置，實時監(jiān)測變壓器的電流與電壓，以此保證光伏系統(tǒng)的電量能小于實際的用電負荷，避免系統(tǒng)反送電能。

7 充電樁運營管理對策7.1 構建一體化服務體系

從實際情況入手來加強服務，為車主、企業(yè)和部門等提供綜合服務。在構建一體化服務體系時，可以以當地的管理部門為基礎，設置控制**，然后將充電樁連接在一起，加強運營與管理，構建一體化管理服務網絡。迎合時代發(fā)展應用信息化技術，建設數據庫，確保數據庫的實時更新，在服務體系中有充電樁、用戶、賬戶和汽車等多方面要素，讓用戶能及時明確充電樁的位置，提高服務質量。7.2 增強車主意識

在實際管理中，應增強車主的自身安全意識，減少事故的發(fā)生。充電樁的安裝和生產企業(yè)可以從實際出發(fā)，根據充電樁在使用時的注意事項來設置活動，也可以在車主充電時為其提供視頻學習，便于提高車主正確使用充電樁意識，減少事故發(fā)生。同時，還應能將責任落到實處，針對充電樁的使用單位和負責單位都應明確責任，并簽署合同，以此規(guī)范充電樁的安全使用要求和責任，提高使用人員自身的責任感，規(guī)范充電樁的使用方法。

8 安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

8.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯網技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

8.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

8.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據**層和客戶端層。

2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據**層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

8.4 安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

8.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

8.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

8.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

8.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

8.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

8.4.6基礎數據管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、 凍結和解綁。

8.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送

8.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

8.5系統(tǒng)硬件配置

9 結束語

大力推廣應用新能源汽車的目的是減少對**能源的依賴。在充電樁中應用新能源技術能減少對環(huán)境的污染，從而使新能源技術成為這一行業(yè)發(fā)展的重要技術。從當前實際情況能看出，要想應用新能源技術，依然需要較高的成本，在未來仍需不斷研究，降低成本，同時減少對環(huán)境的污染，推動新能源汽車和充電樁更好地發(fā)展。

參考文獻[1] 康佳, 王薇蓉, 李昂. 基于網格密度聚類算法的新能源充電樁運維優(yōu)化模型[J]. 能源與環(huán)保, 2022, 44 (12) : 169-172.[2] 鞏娜鑫. 新能源充電樁產業(yè)發(fā)展與資本布局[J]. 通信企業(yè)管理,2022 (12) : 66-68.[3] 趙哲源, 楊紅衛(wèi), 劉兵, 等. 基于模糊決策算法的新能源汽車充電樁布局優(yōu)化方法[J]. 河南科學, 2022, 40 (11) : 1721-1727.[4] 李春蓮. 充電樁市場將迎爆發(fā)期 石油*頭爭進新能源汽車充電賽道[J]. 新能源科技, 2022 (8) : 32-33.[5] 安科瑞企業(yè)微電網應用手冊2020.06版.

[6] 蘇元偉.基于新能源的充電樁供配電設計與運營管理對策研究