电动车充电站电气设计方案案例分析

中心议题：
    *  充电站的使用功能及设置
    *  充电监控网络的设置
    *  电池管理系统的设置
    *  烟雾报警监控网络的设置
    *  供电电源的设置

摘要：以2008 年奥运会电动车的运营为背景，介绍了电动车充电站的电气设计, 包括充电站的使用功能及设置、充电监控网络的设置、电池管理系统的设置、烟雾报警监控网络的设置及供电电源的设置,计算了充电站的总谐波畸变率。为充电站建设的进展提供了技术支持和依据。

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1 引言

面临能源和环境的巨大压力, 人们在不断地寻求清洁的代用燃料, 以改善日益恶化的交通排放现状,电动汽车逐渐成为各国政府和汽车制造商关注的焦点。在国内, 电动汽车充电的技术和设备也在不断发展, 取得了很大的成就。奥运临近, 我国在奥运工程建设中始终把可持续发展理念放在首位, 减少能源和资源消耗, 争取把2008 年北京奥运会办成真正的绿色奥运会。为此, 由北京市科委立项, 北京市公交总公司作为业主, 投入50 辆纯电动公交车, 并配套建设一个地面充电站, 为奥运场馆及相关设施服务。

2 充电站整体框图

充电站的三维效果图如图1所示。包括充电间、门卫及员工休息区、停车区等。



充电站主体为一封闭式充电间, 如图2所示, 充电间的主要部分及功能如下。

2.1 配电站
充电站的配电站包括变配电、照明及其它用电配电两部分。前者将10kV电源通过变压器等设备供给充电机充电; 后者用于满足照明、控制设备的供电。



配电站配备计量设备, 用于计量输入电量。



2.2 监控室
监控室用于监控充电机的运行情况、数据库管理、报表打印等。

2.3 充电机
充电机完成电池能量的补给。既可以满足应急性整车充电要求, 也支持日常地面补充充电。

2.4 充电平台
用于摆放卸载下来的电池。内有充电插座、电池管理系统供电、电池管理系统内部网络、与充电机之间的通讯网络等接口。

2.5 电池更换库
充满电的电池箱按车辆编组完毕后, 放于电池更换库, 车辆卸载完毕电池之后, 从这里领取电池装车。

2.6 维护车间
维护车间包括筛选和维护、充电间以及备用电池库。电池进入维护车间后, 首先进行电池的筛选, 确定电池的好坏。不能使用的电池进行恰当处理, 避免污染环境; 可以继续使用的电池进行维护和活化。维护完的电池送充电间充满电后, 进行装箱, 为编组准备电池。

2.7 更换电池区
需要更换电池的车辆进入更换电池区进行电池更换。另外, 需要应急充电的车辆也停靠在更换电池区, 通过充电延长线引到车上, 进行补电。

3 充电站的充电及监控设施

3.1 充电输入电源
采用AC380V三相四线制。这种供电方式所采用的配电设备( 10 / 0.4kV主变压器、高低压保护设备、低压配电柜等设备) 属通用设备, 有最好的性能价格比和很好的可靠性, 另一个原因是这样可以将配电站的建设完全交给供电部门, 只需要提供有关容量、低压配电的回路数等参数。

3.2 充电机电气标准
最高输出电压: 75V; 最低输出电压: 20V;最大输出电流: 150A; 最小输出电流: 10A; 稳流精度: 2%; 稳压精度: 1%; 充电机额定功率:12kW; 输入输出: 变压器隔离; 效率: > 90%( 满载) ; 功率因数: > 0.9 ( 满载) ; 使用环境温度: - 20 ~ 45 ℃; 其他指标: 符合电力机车电气设备相关标准。

3.3 充电基本单元示意图
如图3 所示, 每个充电单元由12 台充电机、12个电池组及电池管理系统、烟雾传感器、24V直流电源、电池存储架( 和快速更换系统匹配) 等组成。一共24 个充电单元, 共有288个充电机, 每两个单元构成3 个车的充电系统。当车辆进入充电间后, 采用快速更换模式置换车载电池, 被置换的电池以单箱电池为单元进行充电, 每箱电池对应一个充电机; 由和电池箱配套的电池管理系统提供单体电池数据, 充电机根据此数据控制整箱电池最高单体电池电压, 当其中一节电池电压达到上限, 充电机自动降低充电电流,直到充电电流小于10A。保证充电过程中没有单体电压超限, 保证电池组安全。



图3 的说明如下: ①每个充电机对应一个电池组。②充电机和电池组电池管理系统之间采用隔离485 接口。③每个电池存储架安装一个烟雾报警器。④电池管理系统和烟雾报警器采用24V 直流电源供电。⑤每个单元采用一个烟雾报警监控转接卡, 采集12个烟雾报警器的输出信号并向监控系统提供一路CAN 网络接口。⑥每个单元的充电机的监控CAN 接口并联在一起, 向监控系统提供一路CAN 监控接口。



3.4 充电站监控设施

3.4.1 充电监控网络
充电监控网络的核心是监控计算机。每台充电监控计算机监控6 个充电单元, 可监控9 辆车的电池充电情况, 整个监控平台, 共需4 台监控计算机。4 台监控计算机通过局域网与数据记录和统计服务器相连, 用于记录和统计所有充电机和电池的数据。充电监控系统的主要功能: 监控所有充电机的运行数据、故障报警信号; 监控所有充电电池组的单体电池电压、温度、充电容量等数据; 提供充电机远程控制功能, 如设置运行参数、开关机、修改电池管理系统参数、编号等; 提供所有充电机紧急停机功能。

3.4.2 电池管理系统
主要功能是检测电动车动力电池的各种状态, 对整车的安全运行、整车控制策略的选择、充电模式的选择以及运营成本都有很大的影响。电池管理系统无论在车辆运行过程中, 还是在充电过程中, 都要可靠地完成电池状态的实时监控和故障诊断, 并通过总线告知车辆集成控制器或充电机, 以便采用更加合理的控制策略, 达到有效且高效使用动力电池的目的。电池管理的功能包括: 单体电池电压的检测; 电池温度的检测; 电池组工作电流的检测; 漏电检测;冷却风机控制; 充放电次数记录; 电池组SOC ( 剩余电量) 的估测; 电池故障分析与在线报警; 与车载设备通信, 为整车控制提供必要的电池数据; 与车载监控设备通讯, 将电池信息送面板显示; 与充电机通讯, 安全实现电池的充电; 有简易的设备实现电池管理系统的初始化功能, 能满足电池快速更换以及任意电池箱编组的需要。

3.4.3 烟雾报警监控网络
烟雾报警器工作电源为DC24V, 通过内部的烟雾传感器检测烟雾浓度, 输出形式为继电器触点。当烟雾浓度未达到限量时, 报警器内部电路控制继电器不动作; 当烟雾浓度超过限量时, 报警器内部电路控制继电器动作, 常开触点闭合输出报警信号。烟雾报警转接卡检测到有烟雾报警信号后, 通过CAN 网络向监控计算机提供报警信号, 由计算机显示和定位报警发生点, 并提供声光告警信号。

4 配电站建设

4.1 配电站容量
整个配电站的容量P = P1 + P2, 其中P1 为动力用电; P2 为照明及办公用电, 估算为100kV·A。动力用电计算:



4.2 配电站供电基本要求

对于电动汽车充电站, 基本要求为24 小时不间断运行, 否则会造成电动车辆停驶。因停电不会造成人员伤害和设备损坏, 所以将配电站的电力负荷级别确定为二级, 采用10kV双路供电但不配置后备电源。10kV侧采用两路独立电源供电, 同时工作, 互为备用, 每路电源的供电容量为3 000kV·A; 采用两台10 / 0.4 kV干式主变压器, 每台的容量为1 600kV·A,10kV 侧为单母线分段运行, 母线间设联络开关, 设电气、机械联锁, 当一路10kV 停电后, 另一路10kV电源通过联络开关向两台主变压器供电; 变压器0.4kV 侧为单母线分段运行, 母线间设联络开关, 设电气、机械联锁, 当一台变压器故障后, 正常运行变压器通过联络开关同时为两路低压母线供电, 这时总供电容量为1 600kV·A; 另设置独立的100kV·A的照明用10 / 0.4kV 干式变压器; 每路低压母线应配置相应的无功补偿装置; 接地系统采用TN - S 系统, 设专用PE 线。

 

5 充电站对电网污染的抑制

5.1 功率因数
为补偿充电机设备对电网产生的无功, 应从两方面着手: ①配电站设立集中式电容补偿柜; ②对充电设备提出具体功率因数技术指标。

5.2 谐波

5.2.1 计算公共连接点的全部用户向该点注入的谐波

电流分量( 方均根值)

当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时的换算方法为:





5.2.3 奥运会充电站用充电机要达到的谐波值

由计算得到充电站的最小短路容量为40MV·A,根据上面的公式, 可得整个充电站的谐波电流限制值( 标准电压380V) , 见表2。因充电机只有奇次谐波,所以只计算奇次谐波限制值。



每组充电机的用电协议容量为75kW/ 0.9 / 0.85=100kW, 计算充电机的谐波含量限制值见表3。



根据课题任务书的要求, 总谐波畸变需小于30%。考虑到实际运行时应留有足够裕量, 充电机的同时使用数量不会超过30 组。因此, 由以上计算结论可知, 此方案的总谐波畸变不超过18%, 能够满足课题任务书的要求。

6 结语

经相关主管部门审批, 及多次会议讨论并征求专家及业主意见, 此方案的各项电气参数均已获得通过, 各方面工作已进入具体实施阶段。截止到2007年7 月, 50 辆电动车中已有7 辆在北京通州区试运行, 充电机等相关电气设备的样机均已成型, 充电站的施工建设预计在2007 年底至2008 年初完成, 之后整个充电站将投入试运营。