基于新能源电动汽车换电站及配电网原理分析

曾祥胜 陶丽芬 刘淑琼

摘 要：由国内外的研究现状可看，对充换电一体换电站配置的研究成果较少，且很少涉及到换电站动力电池及充电机的容量配置问题。如何尽可能降低换电站的投资、维护成本，提出更可靠的优化方案，是目前尚未解决的问题。因此文章将以现有的电动汽车换电站充电方式为根据，对电动汽车接入配网系统后的相关问题进行分析讨论，其结论对现代新能源汽车的接入对配网影响有一定参考意义。

关键词：电动汽车；配电网；充电池

中图分类号：TU852 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）23-0042-02

Abstract： From the research status at home and abroad， it can be seen that there are few research results on the configuration of rechargeable and commutated integrated power stations， and it rarely involves the capacity allocation of power batteries and chargers in the power stations. How to reduce the cost of investment and maintenance as much as possible and put forward a more reliable optimization scheme are unsolved problems at present. Therefore， based on the existing charging mode of electric vehicle for power station， this paper will analyze and discuss the related problems after the electric vehicle is connected to the distribution network system， and the conclusion has certain reference significance to the influence of modern new energy vehicle access on distribution network.

Keywords： electric vehicle； distribution network； rechargeable battery

引言

在現有充电模式下，电动汽车充电也存在着许多问题。比如，如果电动汽车的普及度更加广泛之时，例如出租车与公交车，由于其数量庞大，且不允许长时间等候，因此如何提高服务率，降低排队的时间便成为其中之一的问题。再者，也是最重要的，如果没有一个有序的充电次序，将会对电力系统造成巨大的伤害。例如在夏季或者每天的用电高峰时涌入大量的充电负荷，其中的无功设备会消耗大量的无功功率，进而可能会造成系统的无功功率急剧上升，从而使得用户电压降低，进而可能会使电网产生崩溃的危险。而如果进行有序的充电，不仅可以有效利用资源，在低电价时进行充电，减小运营成本，同时也可以起到削峰填谷的作用。

1 换电站类型及结构

电动汽车换电站主要由配电变压器、充电机、动力电池组及其更换装置等部分组成。

（1）充电机：将交流电转换为直流电，是充电的主要装置；（2）配电变压器：接入系统的电压分布网络转换到充电器的额定输入电压；（3）动力电池组：由充电机为其供给电能进行充电。这相当于普通动力汽车的油箱，提供最基本的动力支持；（4）动力电池组更换装置：顾名思义，这是为各个车主提供最基本的电池更换服务。另外，换电站中还应配备完成充电和待充电电池组的存储仓，以及电池传送装置。

2 电动汽车换电站原理及类型

交流充电桩，电动汽车更换站是两种类型的充电设施，而根据功能的能力，能力和设备，根据其建设规模可分为三类，即大型，中型和小型。同时，根据是否对电动汽车车身分离补充电力的电池，它可分为汽车充电和更换电池的方式有两种充电。

其中，整车充电方式是通过专用插头使得充电机与车辆连接，并与车载的系统管理充电，进而完成充电的控制。这种充电方式过程比较容易，不用换卸电池，储存等过程，故而成本较低；但是因为整车充电会使得车辆占用充电桩，从而占用一定的运营空间与时间，从而使得利用率较低，更不利于维持电池的使用寿命，从而使得维修费用加大。

而电池更换的方式可以使得车辆在短时间内离开从而保证充电站的继续运营，减小排队时间，从而提高服务质量，而且可以提高电池组的均衡性，从而降低电池的维修费用。但是这样会增加充电机的数量，线路排布复杂，数量较多，设备成本较高。

不同的充电方式有其不同的特点，所以使用范围也有所不同。在实际的应用过程中，需要结合车辆的种类、数量，电池的性能，运营的成本等诸多因素进行最优的选择。在实际中，邮政车、商务车、工程车和公车适合某一停车场的整车充电，而出租车更适合短时间内的电池更换。

下面我们对不同的充电方式做一个定量化的对比。整车充电方式中根据其时间长短还可以细分为快速充电和普通充电。

（1）普通的充电方式。顾名思义，这是一种耗时比较长的方式。这种方式更多的应用于广大的停车场或者居民区、停车场等等。其充电的时间会持续6到10个小时。而充电时的额定电流平均在15安培左右。且充电桩的成本也比较低，大约在2万元左右。同时，这种方式可以满足低谷充电的要求。但是这种模式的缺点在于充电桩的集体修建会消耗大量的用地面积，维修费用比另外两种方式较大，并且排队数量和时间也会加大。

（2）快速的充电方式。这种方式的持续时间会维持在15分钟到半个小时，因此其充电电流较大，大约在200到400安培。而这种充电方式必然会应用于车流量较大，或者郊外的主干道旁。因此，高速公路的服务区、大城市的外环路都可以成为这种方式存在的主要区域。而因为其充电更为方便快捷，成本自然会比较高昂，据有关人员估算，此换电站的费用会在300到500万，如此看来成本非常高，且维修的费用也比较高昂。同时，由于其不会刻意安排充电时间，属于随到随充，因此其对电网的冲击较大，无法很好的实现谷荷充电。

（3）电池更换。此种充电方式应用的特点可以涵盖上述两种方式，既可以應用于高速公路、省级公路，又可以应用于城市主干道和居民区。因为此种方式不用马上充电，因此车主在换电服务消耗的时间可能只需要5分钟。同时，换下的电池可以集中安排充电，充电电流一般维持在30A上下。也正因为如此，电动汽车换下的电池可以在低谷时段进行充电，在提高安全性和可靠性的前提下，又可以确保第二天的换电服务正常展开。此种方案的成本大约是正常换电站的1.6倍，并且维修和管理费用也比较合适。

3 可行的相关方案

根据上文所列的相关问题，并结合智能电网和大规模应用电动汽车的环境下，提出以下的可行方案。

3.1 换下就充策略

此策略的优点在于可以在比较快的速度内完成充电，充电时间可以控制在10分钟之内。因为人口的原因，在大规模普及电动汽车的背景下，在生活压力的促使下，更换电池的人数与电池数量必将陡然上升，这必然会增加电池更换的压力。因此这种策略非常适合人口聚集的东部特大城市，例如上海，北京，广州等，或者类似于北京回龙观小区的人口聚居区。但因为此充电模式会在全天的任意时间内充电，且大部分时间是在人头攒动的白天，因此在用电高峰时段也会存在充电的可能性，这样会对电网造成一定的威胁。虽然此策略会存在一定的威胁，但是此种方案可以满足换电服务要求，减小排队时间，因此只要可以进行适当的调控，也可以将威胁降到最低。

3.2 高电价时不充

此种用电策略避开高电价，可以有效减小换电站的运营成本，同时可以有效避开用电高峰，进而减小对电力系统的冲击。同时，此种充电方案可以在低成本的情况下有效增加白天的充电量，进而可以提高服务的质量。因为高电价时段周围的时间基本都是平荷时段，这会将在峰荷时段积攒的电池数量加到平荷时段，从而使得平荷时段的电池数量陡然上升，这也会对服务质量产生一个不小的挑战。另外，因为平荷时段的电价相比较于低谷时段也有非常大的差距，因此这种方案所产生的成本问题对客户来说也是一个不小的挑战。当然，相比较于方案一，此方案也可以作为一种不错的运营方式。

3.3 低电价时段充

因为低电价时段一般都是在傍晚之后，因此此种方案大部分时间会在晚上进行充电。这种充电方式可以大量用于居民小区。这种充电方式会使得晚上的充电电池数量非常庞大，这对于换电站工作人员对于充电的调度和有序进行是一个不小的挑战。虽然这种方式有其一定的缺点，但是因为晚上的电价相比于白天会有非常大的落差，这对于拥有电动汽车的广大民众是一个非常的优惠。同时，虽然晚上充电可能会导致白天的充电量不足，但是这样可以在晚上充电完全，从而保证第二天不因为电量不足而被迫充电。据资料显示，当充电完全后，在第二天能够行驶的平均距离在100公里以上，这样以矣保证安全运营。同时，在低谷充电可以有效减小对电网的威胁，将危险降低到最小。因此，此种方案可以成为一种运营方案。

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