浅谈新能源的充电桩供配电设计与运维管理

任运业

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：进入21世纪，我国经济发展速度加快，但是针对环境的影响较大。为能进一步保护环境，各行业都在倡导节能减排。新能源汽车的出现，是减少汽车尾气排放的重要措施。因此，研究新能源汽车的实际发展情况，并了解充电桩供配电设计对策十分重要。基于此，文章对新能源汽车的发展瓶颈进行分析，简述高压直挂多能互补超充电站，以及传统充电站的类别和结构组成，详细分析充电桩供配电设计，以及充电桩运营管理对策，并就新能源适用问题进行分析。

关键词：新能源；充电桩；供配电设计；供配电管理

0引言 在我国相关政策中明确，要加强应用新能源汽车，完善充电桩等配套设施，以进一步推动新能源汽车行业向前发展。充电桩作为新能源汽车的组成，要注重研究充电桩安装技术，提高充电桩安装水平，让新能源汽车行业带动充电桩行业发展。在“双碳"目标下，我国2021年的新能源汽车保有量达到7840000台，占据我国总体汽车的2.6%。根据预测到2025年，新能源汽车的保有量将达到26000000辆，占据总车辆的7%，同时对应的充电桩数量在2025年将突破10000000台，在这种情况下就需要更多稳定的充电桩。

1 新能源汽车的发展瓶颈

从目前的新能源汽车发展上能看出，新能源汽车所存在的问题可以分为三点，分别是充电难、充电慢和维护难，充电难是指目前所具备的充电桩数量与新能源汽车数量不匹配，车桩比为2.6∶1，公共充电桩大约为1600000台，市场上所具备的充电桩约为4000000条。充电慢是指现有的充电桩往往都为60kW，缺少120kW的直流充电，导致车辆所需要停留的时间过长。维护难在于充电桩的故障率较高，需要在后期支出一定的维护成本。

在这种情况下，为解决充电慢的问题，高压快充技术成为未来发展的关键。从实际技术应用上能看出，提高充电电流或者提高充电电压是能解决充电慢的重要方法，充电电流的提升针对热管理要求较高，同时在推广上也有着较大的难度。充电电压的提升，不仅能减少质量，还能节约空间，能进一步实现快速充电，因此，在未来发展上以提高充电电压为基础的高压快充技术成为重要发展形势。与此同时，应用新技术来升级充电桩也是关键，比如利用技术来强化管理能源，完善监控，能将充电桩、汽车和运营商三个方面的数据进一步整合，能实现桩与桩之间的有效管理。通过利用大数据方式来匹配车主和充电桩资源，能确保新能源汽车车主有效的找到充电桩，便于合理利用，提高充电桩的利用率。

2传统充电站概述2.1传统充电站的类别

一种是申请10kW的外线作为充电桩电源，另外一种是用户预留电源，并不需要申请外线。传统充电站从结构方面可以分为一体式和分体式，一体式在桩体内布置充电模块，分体式在电源堆箱体中集成充电模块控制系统，在桩体中只有交互和枪头。

2.2 传统充电桩存在的问题

对于传统的充电桩来说，在直流电源输出功率上存在问题，功率可达360 kW，功率转换耗损超过10%，在转换能源时的耗损严重。此外，交流测电能质量存在问题，因为功率会波动，导致直流电源效率受到影响，回路引起的谐振过电流会影响内部系统正常运行，导致线路被毁。同时，新能源还会渗透电网功率，导致功率降低。接入新能源方面，则会因为新能源自身的特点，导致电能的实际利用率较差。

3 高压直挂多能互补超充电站的结构

高压直挂多能互补超充电桩迎合时代发展、应用当前的信息技术进行监控，通过对大数据的应用能实现对系统的实时监控，进而实现智能化运行[5]。同时，其充电功率能达到360 W/ 枪，而且是直流配电，并没有交流过程，能有效降低成本。高压直挂多能互补超充电桩在安装完成后，商家可以利用手机App来控制，实现远程控制与管理，安装时也方便，能根据当地的情况自由组合，具有高度集成化的特点。 高压直挂多能互补快速充电站拓扑图如图1 所示，采用高压进入充电站箱变，输出充电枪头通过电动牵引车辆。

4 充电桩的类型

充电桩根据电压来划分，可以分为单相充电和三相充电，其中的单相充电电压为220 V，三相充电电压为380 V。 充电桩根据电流来划分，可以分为直流型和交流型，其中交流型是依靠在新能源汽车上安装车载充电方式来充电，电流并不大，而且所需要充满的时间较长，属于充电速度慢的充电桩，往往更加适合居民区。直流充电桩可以将交流转为直流，但是需要新能源汽车上存在充电单元。这一类充电池的电流大，对应的充电时间较短，较为适合公共场所[6]。正常情况下，这类充电桩的电压为380 V，并且输出功率各不相同。需要明确的是，虽然这类充电桩能有效缩短充电时间，但是需要更加注重设施安全。 交流充电桩外界环境应在-20 ～ 50 ℃，海拔高度不能超过1 km。在电气方面，要连接好插座和插头，为插座供电，安装漏保装置。一旦发现故障应能立即使用监察装置，并切断故障电路。在照明配电线路中，插座和照明不能使用同一套回路来供电。

直流充电桩输入电压应为三相四线， 电压为380 V AC，频率为50 Hz，应满足电池负载要求，以直流输出电为主。直流充电桩充电分为快充和普通两种，其中普通充电充满要5 h 左右，而快速充电则能在1 h内完成充电。

充电桩应根据实际情况来针对性配备操作设备，让用户能自己根据实际情况对应选择适合的充电方式，并能让充电顺利完成。同时，在充电上，应能直观地显示电池电量，实现无人管理目标。充电池应能充分监控整个充电流程，一旦出现问题能1时间处理。充电池应能监控汽车的电池状态，以电压和温度为监控标准，自动调整内部电压、电流。此外，充电桩还应从实际入手来配备相应的风冷装置。

5 充电桩的供配电设计

在民用建筑中，中断供电会影响公共安全的设施，会影响公共交通的设置，其供电负荷不能低于二级。如果是充电桩不具备单独安装变压器的情况，而是与其他用电设施同时使用变压器，就需要充分考虑输入功率的差距，并遵循配电等级越低对应供电稳定的原则选择二级配电模式。通过变压器电压母线来试配配电箱，再由配电箱来供电。针对输入功率较大的充电桩，则通过母线来直接供电。

因为直流充电桩的功率大，所以在实际安装上也需要充分考虑变压器。在安装变压器时的容量设计，是对应充电桩的需求，并非与其他的需求综合。比如，储能型的充电桩随着数量的不断增加，其变压器容量也逐渐稳定，而增加容量的目的是解决电流对于变压器的实际影响。非储能充电桩因为会受到中间环节的影响，采取隔离式变压器来减少外界电流的影响，随着安装直流充电桩的数量增多，对应的变压器容量也需要增加。

根据实际资料调查分析能得出，要想明确直流充电桩的实际系数，要根据实际情况有效分析，并按照当地供电部门和项目情况进行科学合理调整。在选择变压器容量上，需要考虑项目的正常用电需求，并适当地留有一定的容量空间，满足后续充电桩发展。同时，采取控制器对充电桩的能源使用情况加以控制，在峰值期间能减少充电桩使用，降低直流充电桩的实际功率输入，以此让系统正常运行。

在峰值期间管理能源，按照充电桩类型来选择。对于储能直流充电桩应采取分时充电原则，根据电价变化情况来充电，进一步减少成本投入。此外，还要控制好充放电方法，进一步延长设备的使用寿命。同时，需要充分考虑防火性能，要将直流充电安装在室外。直流充电和变配电室放在一起，以减少在线路方面的电能耗损。针对充电桩的回路，应针对性设置好电流保护，并去除一些不必要的设备，做好接地防护，保证设备的正常使用。

6 新能源适用分析

新能源是补充传统能源的重要方法，因为其对环境友好的特点，被人们所重视。随着当前技术水平的提高，新能源已经在民用建筑中得以广泛应用。针对民用建筑来说，常用的新能源有风能、地热能、太阳能等。其中，风能利用建筑主体优化布局，确保建筑与外界通风适合，减少能源消耗。通过风能来发电，不考虑工程造价，会发电时产生较大噪声，而且在城市中的风能资源有限。如果是利用地热能源来发电，由于地热能也属于天然能源，需要区域内有地热能，然后通过地热热泵技术来加热水，实现建筑和供暖和制冷。太阳能则是通过太阳光线来发电，不会受到场地因素的影响。目前，利用光伏板来发电的技术成熟，以后还会不断优化，能进一步提高光电转换效率。随着技术的发展，初期的成本投入也会降低，能为充电桩使用太阳能打下基础。常见的光伏发电系统中有充放电装置、储能装置和光伏列阵等，而所选择的容量可以根据光伏板输出功率、面积和转换效率等决定。当前，因为受到技术影响，所以光伏板的实际输出功率一般在150 W/m2 左右，效率不低于70%。

针对民用建筑，可以利用离网和并网两种，主要考虑实际的用电量。如果安装120 kW 左右的光伏系统，并不能有效满足实际的用电需求；如果是利用离网型单一类型，则需要增加蓄电池的容量，目前主要是应用并网型系统。在此基础上，并网系统应为避免出现“孤岛"效应，及时采取相应措施，比如设置防逆流控制装置，实时监测变压器的电流与电压，以此保证光伏系统的电量能小于实际的用电负荷，避免系统反送电能。

7 充电桩运营管理对策7.1 构建一体化服务体系

从实际情况入手来加强服务，为车主、企业和部门等提供综合服务。在构建一体化服务体系时，可以以当地的管理部门为基础，设置控制**，然后将充电桩连接在一起，加强运营与管理，构建一体化管理服务网络。迎合时代发展应用信息化技术，建设数据库，确保数据库的实时更新，在服务体系中有充电桩、用户、账户和汽车等多方面要素，让用户能及时明确充电桩的位置，提高服务质量。7.2 增强车主意识

在实际管理中，应增强车主的自身安全意识，减少事故的发生。充电桩的安装和生产企业可以从实际出发，根据充电桩在使用时的注意事项来设置活动，也可以在车主充电时为其提供视频学习，便于提高车主正确使用充电桩意识，减少事故发生。同时，还应能将责任落到实处，针对充电桩的使用单位和负责单位都应明确责任，并签署合同，以此规范充电桩的安全使用要求和责任，提高使用人员自身的责任感，规范充电桩的使用方法。

8 安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

8.1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。

8.2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。

8.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据**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**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。

8.4 安科瑞充电桩云平台系统功能

8.4.1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。

8.4.2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。

8.4.3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。

8.4.4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。

8.4.5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。

8.4.6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。

8.4.7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

8.4.8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。

8.5系统硬件配置

9 结束语

大力推广应用新能源汽车的目的是减少对**能源的依赖。在充电桩中应用新能源技术能减少对环境的污染，从而使新能源技术成为这一行业发展的重要技术。从当前实际情况能看出，要想应用新能源技术，依然需要较高的成本，在未来仍需不断研究，降低成本，同时减少对环境的污染，推动新能源汽车和充电桩更好地发展。

参考文献

[1] 康佳, 王薇蓉, 李昂. 基于网格密度聚类算法的新能源充电桩运维优化模型[J]. 能源与环保, 2022, 44 (12) : 169-172.

[2] 巩娜鑫. 新能源充电桩产业发展与资本布局[J]. 通信企业管理,2022 (12) : 66-68.

[3] 赵哲源, 杨红卫, 刘兵, 等. 基于模糊决策算法的新能源汽车充电桩布局优化方法[J]. 河南科学, 2022, 40 (11) : 1721-1727.

[4] 李春莲. 充电桩市场将迎爆发期 石油巨tou争进新能源汽车充电赛道[J]. 新能源科技, 2022 (8) : 32-33.

[5] 安科瑞企业微电网应用手册2020.06版.

[6] 苏元伟.基于新能源的充电桩供配电设计与运营管理对策研究

作者简介

任运业，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司。