电动汽车光储充一体式充电站设计与应用

摘要：介绍了一种电动汽车集成一体式充电站的设计，解决了传统电动汽车充电站占地面积大、建设周期长、充电桩扩展难等问题，并且采用高度集成化的设计，可使运营商在场站迁移时大大减少损失。除此之外，本充电站还配置了光伏发电系统、储能系统，在利用清洁能源实现节能减排的同时，还可缓解集中使用充电桩时对电网产生的冲击。

关键词：电动汽车充电站；光储充；一体化

0前言

随着“双碳”目标的提出以及新能源汽车行业利好政策不断，电动汽车的市场占有率不断提高，截至2022年已达到25.6%，提前3年完成国家《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》提出的到2025年达到20%的目标。充电桩作为新能源汽车的配套基础设施，早在2020年已被纳入新基建当中，其需求与新能源汽车的发展呈正相关。

但目前充电桩的建设存在以下问题：城市土地资源紧张，新增充电站用地选址难；电动汽车充电站初始投入大，回报周期长；加装充电桩周期长，难以配合充电需求灵活扩展；缺少光伏发电及储能等功能系统，经济效益低。

因此，针对以上问题，提出一种电动汽车集成一体式充电站的方案，与传统充电站的对比如表1所示，其具有高度集成、体积小、扩展灵活以及功能配置丰富等特点，主要包括5部分：高压部分、变压器部分、低压部分、充电部分、光伏部分和储能部分。

表1电动汽车集成一体式充电站与传统充电站的对比表

 

方案	占地面积/m2
电动汽车一体式充电站	10.35
箱变+充电堆+直流充电桩	16.10
箱变+一体式直流充电桩	19.70

 

1关键设计

1.1外箱结构设计

为使充电站的占地面积*小，故须对各个部分采用小型化设计或特殊结构设计。但考虑到可替换性以及经济性，高压柜、变压器以及充电设备应采用常规方案，这样方便出现设备故障时进行快速更换。而低压部分由于电压为0.4kV，柜内带电体的电气距离较之于高压侧小很多，且低压侧的故障多数为单个零件的异常，整柜更换的情况较少，因此可对低压柜进行小型化设计，这样可以在高度方向缩小尺寸，进而设置变压器部分在低压部分的上层，形成外箱的双层结构。

另外，为使充电设备与充电站集成一体化，外箱的底框设计了相应的底座，便于充电设备的安装，此外，底框的内部还设计了电缆通道，这样就可以使低压部分能方便地给充电设备供电，出厂前可以安装调试完成，减少现场工作量。对于充电站不能

覆盖的车位，可以设计电缆槽延伸至相应处，并设充电桩在电缆槽上方，这样无论是前期规划充电桩还是后期增加，都无须开挖电缆沟做基础。

外箱顶盖设计为覆盖整个充电站，这样可以为充电设备提供更好地工况，即使多数充电设备可户外使用，但长期暴晒雨淋还是会使其故障率增加；另外，顶盖设计有光伏组件，顶盖的面积越大，发电量也会越大，因此全覆盖式的顶盖更适合此充电站，如图1所示。

图1电动汽车集成一体式充电站外箱结构设计

1.2光伏设计

光伏系统的设计可分为2部分，充电站的外箱顶盖的光伏、充电站车棚的光伏。目前，市场上有多种光伏发电组件，如单晶硅、多晶硅、HIT、非晶硅、铜铟镓硒和碲化镉等，虽然这些组件已标定了功率，但是在相同的运行条件下，实际发电效率却有所不同，碲化镉在太阳辐射量较高，少云或多云地区有优势，广东多为此气候。另外，外箱顶盖上安装光伏发电组件，*好选用体积小、重量轻的组件，避免顶盖受压过重而变形。故此，顶盖上选用碲化镉光伏发电玻璃，车棚上的光伏组件的选择应与顶盖光伏组件一致，这样可使逆变器的输入参数一致，运行更稳定。

光伏逆变器的选择应根据光伏组件的发电功率以及充电站的功能需求来选择。光伏发电总功率由车位以及充电站设备占地面积所决定，箱式变电站的容量一般在800kV·A以下，设直流快充桩（60kW）12支和交流慢充桩（7kW）6支，可以覆盖18个以下的车位，则车位设置在双侧可以使整个充电站布置*合理，如图2所示。碲化镉光伏发电玻璃的尺寸为1200mm×600mm×6.8mm，功率为105W，再加上休息室也加装光伏发电，因此整个场站的光伏发电功率在60kW以下，逆变器的选择功率为60kW即可，另外，由于发电功率不大，可自发自用，供场站内的日常用电以及交流慢充桩用电，故逆变器选用离网逆变器。再加上充电站设置有储能系统，所以逆变器还须具备给蓄电池充放电的功能，功能架构图如图3所示。

图2充电站车位布置图

图3离网逆变器系统架构图

1.3储能设计

储能系统与箱式变电站一体化设计，安全防护设计为重点。铅酸电池技术成熟、稳定性好，并且可回收利用，市场价格优势明显，非常适合此方案的设计。储能电池室设置在高压室背面，电池规格为150A·h/12V，共设30节，可储大约54kW·h。针对电池的运行状态，配置了电池巡检仪装置，包括1个监控装置屏和2个电池巡检装置模块，这样就可以实时监测单体电池的状态，如图4所示。

图4储能电池室设计

此外，为对防火安全进一步提升，对储能电池室四周侧壁加装防火水泥板，以及在顶部安装悬挂式七氟丙烷气体自动灭火装置，这样可以保证即使发生火灾也可以*大限度地阻挡火势的蔓延。在安防警示方面，设置两个声光报警器在充电站顶盖上，为正在站内充电的人员发出告警驱离。

2应用案例

此为电动汽车集成一体式充电站的实际工程验证，该充电站占地面积约900m2，设有18个充电车位，还配置有休息室，道路四周环绕，进出方便。充电设备采用了充电堆+分体式直流充电桩的方案，共设14支分体式直流充电桩，单桩额定功率250kW，充电堆功率为600kW，通过矩阵式柔性分配技术，为分体式直流充电桩输出*佳充电功率。此外，该充电站还设有4支7kW的交流慢充桩，其电源主要由光伏储能系统供电，为电动汽车供给绿色电能，提高经济效益的同时实现低碳减排，符合国家“双碳”的目标，如图5所示。

图5开平海鸿集成一体式充电站

3安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

3.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

3.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

3.4 安科瑞充电桩云平台系统功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

3.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

3.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

3.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

3.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

3.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、 冻结和解绑。

3.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

 

3.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

 

3.5系统硬件配置

 

类型	型号	图片	功能
安科瑞充电桩收费运营云平台	AcrelCloud-9000

	安科瑞响应国家节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷高效安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、高效、安全的充电服务。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。
互联网版智能交流桩	AEV-AC007D

	额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏
互联网版智能直流桩	AEV-DC030D

	额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC060S

	额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC120S

	额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
10路电瓶车智能充电桩	ACX10A系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电
2路智能插座	ACX2A系列		2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电
20路电瓶车智能充电桩	ACX20A系列		20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电
落地式电瓶车智能充电桩	ACX10B系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告
智能边缘计算网关	ANet-2E4SM

	4路RS485 串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC 12 V ～36 V 。支持4G扩展模块，485扩展模块。
扩展模块ANet-485	M485模块：4路光耦隔离RS485
扩展模块ANet-M4G	M4G模块：支持4G全网通
导轨式单相电表	ADL200

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID /CE认证
导轨式电能计量表	ADL400

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID /CE认证
无线计量仪表	ADW300

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能 、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次） ；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目推荐） 证书：CPA/CE认证
导轨式直流电表	DJSF1352-RN

	直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证
面板直流电表	PZ72L-DE

	直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证
电气防火限流式保护器	ASCP200-63D

导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。

 

4结束语

本文介绍了一种电动汽车集成一体式充电站，其占地面积小，并且集光、储、充于一体，功能配置丰富，完美解决了传统电动汽车充电站占地面积大、建设周期长、充电桩扩展难、资源利用率低等问题。另外，一体式设计减少了土建面积，不但降低了投资，还能为充电站增加更多的车位，大大提高了充电站的效益；另一方面，运营商在场站迁移时可对整套设备进行搬迁，大大减少了损失。实际运行案例证明了该设计方案的运行可靠。

审核编辑 黄宇