一种预装式纯电动客车充换电站集成化最新设计

作者：郑晓敏

目前纯电动客车充换电服务网络已开始进入快速发展阶段，电网企业、油气企业以及其他相关行业投入不断加大，众多城市已经编制完成电动汽车发展规划，示范应用规模和范围都呈现出快速增长势头。

    充换电站是采用电池更换方式为电动汽车提供电能供给的场所。但充换电站涉及产品较多，包含充电产品、换电产品、配电产品、监控产品等．所有没备均在房屋建筑物内放置，因此所需建筑物面积较大，明显与当前城市用地面积紧张状况相违背。现有充换电站建设模式采用建筑与设备分别建设，建筑物采用钢构结构，设备在工厂内制造．完成后运至现场再进行组合调试，建设周期长、占地面积大、投资金额高，不适宜在土地资源较紧张的大中城市系列化推广。

    本文主要针对以上问题进行研究，优化布局安装．开发出代替原有房屋结构、适合换电产品的箱体结构，设备在箱体内部完成安装及电缆连接，现场直接连接主电缆及箱体间连接电缆即可实现设备工作。目前，在国际上预装式箱体在大规模储能方面有部分应用及国内乘用车充电方面有部分应用．未见在换电领域应用。预装式纯电动客车充换电站也比较少，且均未能大量开展换电服务，仅有充电服务。本研究的特色是集成性及节约性，设备过程中明确纯电动客车的确实需求．大大提高了充换电站的服务能力。

1  纯电动客车充换电站体系结构设计

    本文研制的预装式纯电动客车充换电系统，包括供配电系统、充电系统、换电系统、监控系统及辅助设施等，其基本框架拓扑结构如图1所示。

    本文考虑充换电站模块化、组合化及未来扩展的方便性和便于设备的运输与安装，将充换电设备、监控系统设备、电池维护设备等辅助设备安装于4个相同的标准预装式箱体内，组成一个工位，如图2所示。供配电系统根据不同网省公司的要求及不同的现场环境，提供不同解决方案。

    单个充换电工位配置：在换电工位两侧各设置1台自动多箱换电设备、7组充电架和7面充电机柜。自动多箱换电设备一次可更换1~4箱电池．对每车次平均换电时间不超过10 min：左侧充电架有效充电位数量为56位，右侧充电架有效充电位数量为70位，分别由7组12工位充电架组合而成：工位左、右侧各配置7面充电机柜．并配置2面交流分电柜和1面间隔层通信柜。每天换电能力为96车次，每天工作16 h。

2预装式充换电站集成化设计可行性研究

    本文提出了一种新型预装式充换电站系统．即用预装式箱体代替原有充换电站房屋，只在现场建设简易大棚。充换电及监控产品、照明暖通、给排水及消防环保设备通过配线和电缆连接在箱体内预装，各部分设备通过电缆连接有序配合．共同完成电池更换功能，实现集成化设计，从而达到节约人力物力财力、减少占地面积和快速建站的目标,箱体内所有产品均考虑适应户外条件，能适应较恶劣环境，在恶劣环境中均能正常工作。预装式箱体内所有产品均在公司内部完成安装、电缆接线，产品到达充换电现场后只需做各箱体间电缆连接即可，从根本上解决了现场房屋建设问题，节约了现场建设周期和成本及人员管理成本。箱体在设计时均考虑了产品的散热、保温、防尘及电缆连接的方便性。方案整体效果如图3所示。

    表1所示为预装式与现有充换电站的优点。针对目前市场需求、纯电动客车发展现状及市场现有产品情况．经综合分析与论证．确定产品的试制包括2个主要阶段：(1)针对预装式纯电动客车充换电系统的设备开发．解决基本的安装维护问题；(2)在基本型设备的基础上，考虑节约成本、现场安装、人员舒适性等问题。

    本系统实用的难点是：彻底打破原有房屋式充换电站模式，系统的稳定性需重新考虑：产品系统由以往零乱式产品变为集成式组装．需考虑整体运输问题：产品为户外运行，需考虑系统的散热与保温及防护问题：预装式箱体与换电站产品的结合性；集约化设计工作人员工作的舒适性：系统集约化设计设备维护的方便性。

3预装式充换电站集成化设计实现性分析

    本研究预装式箱体与箱变结构类似．在结构和功能上有许多相同之处，但由于其适用及服务对象不同，需做出较大改变，必须依靠现有技术人员及相关经验，才能顺利完成本研究。本研究的关键技术在于现场安装的方便性、箱体制造加工的简易性、箱体的散热保温性以及箱体本身的防护性。

3.1  钢结构大棚设计研究

    整站工作车问防护采用钢结构大棚方式，预装式箱体直接裸漏于外部，在两侧预装式箱体中间区域处建设钢结构大棚。钢结构大棚立柱结构采用H型钢构件组合结构，8根立柱直接固定于地面基础上，单侧各4根，结构全部采用高强度螺栓铰接装配，钢结构采用工厂内加工并预拼装，提高现场施工的精确及装配施工速度。立柱嵌入预装式箱体内部，不影响电池箱更换设备的工作。

    结构顶部采用钢结构，钢结构侧边直接与预装式箱体相连接，连接处采用密封处理，连接板采用伞玻璃安装，能在白天为室内提供有效的照明。顶棚正面设计电动伸缩门，门上装有红外感应装置器，当车体接近门3m（距离可调）时，所有的感应装置经反馈信息至处理器，门自动提升。案剖面视图如图4所示。

3.2预装式箱体结构设计研究

    本方案共采用4个预装式箱体，箱体尺寸10.0 mx2.7 mx3.1 m。箱体充电架处不设计支撑板，屏柜后部为全固定侧板，所有屏柜按前接线设计，充电机柜后侧开有模块进出风孔。

    箱体1设备布置和正面示意如图5所示。箱体1放置电池维护、充电架、充电机柜等设备，充电架正面侧箱体悬空设计，方便换电进行。电池维护设备室外侧设计卷闸门，方便工作人员出入．充电屏柜与电池维护设备室之间采用隔板隔断，隔板开有活动门，方便对设备进行维修。

    箱体2设备布置和正面示意如图6所示。箱体2设有充电架、充电机柜、休息室、卫生间等，充电架正面侧箱体悬空设计，方便换电进行。休息室与卫生问正而设计活动门，休息室门部设计玻璃窗。充电屏柜与休息室之间采用隔板隔断，隔板开有活动门，方便对设备进行维修。充电机右侧设计电缆进线孔，引入外部电源。

    箱体3设备布置和正面示意如图7所示。箱体3放置充电架、充电机柜及监控二次机柜等设备．充电架正面侧箱体悬空设计，方便换电进行。为方便对监控二次机柜进行温度控制，将充电机柜与二次机柜用隔板隔离，隔离板上设计活动门。箱体正面右侧设计活动门，方便对设备进行维修。

    箱体4设备布置和正面示意如图8所示。箱

体4设有充电架、充电机柜、监控室，充电架正面侧箱体悬空设计，方便换电进行。监控室设置4操作工位，监控室两侧设置玻璃窗。充电机左侧设计电源进线孔，引入外部电源。

本研究预装式箱体结构特点参数如表2所示。

    本产品拟在周围采取隔热材料达到保温效果，同时在必要地方加通风隔栅窗，保证箱体内部空气流通，在冬季时，将通风隔栅窗封闭．使箱体内部热量不外流，保证箱体内部温度在一个合理范围，如在北方较寒冷条件下运行，考虑在箱体内部加入加热元件，保证箱体内部产品在寒冷条件下亦能正常运行。实物结构如图9所示。

3.3预装式充换电站供配电系统设计研究

    依据《电动汽车电池更换站设计规范》，充换电站进线电源采用10 kV双路供电．10 kV侧采用单母线分段接线方式，配电变压器采用低损耗节能型干式变压器，低压侧0.4 kV采用单母分段接线方式。本文对供配电系统中配电变压器容量选择进行了详细研究。

    配电变压器容量(SN)选择主要根据充电设施内充电机的输入容量(用S表示，根据充电机的输出功率(P)进行折算）、充电机数量(N)、充电机同时系数(Kx)及变压器最佳负荷率(Piii)，功率因数( cosp)决定。

    考虑到充电设施配电系统安装了有源滤波无功补偿装置，cosp可以达到0.95，充电机容量折算如式(1)。

式中：n为充电机工作效率，高频开关整流充电机取0.9。

换电站负荷总容量为

式中：充电机同时系数Kx由充电机使用情况和数量决定，考虑到电池更换站充电机使用频率很高．并取一定的裕量，该值取0.6：Se为除去充电机外其他充电设施用总负荷容量，可按照更换设备、其他监控、照明、空调和办公用电负荷等总值计算：总负荷S1为2台换电设备总负荷值．

3.4预装式充换电站充换电系统设计研究

    充换电系统是整个换电站的核心部分．主要为电动汽车动力电池系统安全自动的充满电并实现可靠换电。图10显示了充换电系统与电网系统的逻辑关系。

    充电机是控制和调整动力蓄电池充电的电能转换装置，应采用模块化的高频开关变换型电源，满足电池箱充电的要求交流输入与直流输出电气隔离。多台充电机组屏安装，组成充电机柜。考虑更换过程的安全性，电池箱设计具备硬锁紧．并具有锁紧状态信号输出。电池箱更换设备采用BSE -Rl00换电机器人，采用四立柱整体框架内旋转结构，换电平稳无冲击：采用机械视觉定位，定位准确，具有柔性随动功能：能同时全自动更换4箱2x2分布电池箱：具有可靠的机械锁止机构，保证电池箱更换过程中的安全；采用以太网与更换站监控系统通信，将电池更换设备状态信息发送给监控系统，同时接收监控系统下发的各电池箱位置、充电状态等信息。换电机器人两侧增加单向栏杆，防止工作时人员随意进入，里面的操作人员在紧急情况下可以快速脱离危险区域；换电机器人行走过程中具备声光报警功能，提醒区域内人员撤离，防止碰撞。

集成化充换电工位排布如图11所示。

4预装式充换电站方案优势分析

4.1  技术经济性对比分析

    本研究的预装式充换电站与现有房屋建筑式充换电站技术经济分析主要考虑成本、周期、占地面积3个方面。本文以南京某充换电站为比较对象。

    (1)成本分析（含配电、监控产品）。成本包括顶棚、箱体、地基和温控设备等产品的价格总和，按优化后价格来算，对比南京某充换电站报价约低13.3%。

    (2)周期分析。预装式方案周期包括水泥地基、设备生产与运输、设备安装与电缆连接、设备调试及大棚安装时间等，其中水泥地基和设备生产与运输同步进行、设备安装与电缆连接和设备调试同步进行。建房方案周期包括基础与房屋建筑、设备生产与运输、设备安装、电缆连接、设备调试时间等，其中基础与房屋建筑和设备生产与运输同步进行。综合对比，则预装式方案建设周期能减少47%左右。

    (3)占地面积。预装式方案如图2所示，总占地面积S约为352.35 1T12。图12为南京某充换电站设计施工图。

    由图12所示，总占地面积s约为400 m2，综合对比，预装式方案建设面积减少11.9%左右。

4.2后期使用运行维护优势分析

    此预装式充换电站大棚内4个独立性箱体单元采用模块化、集成化设计，设备布置更集中更专业．每个功能模块有专业人员单独运行操作使用．减少了误操作误动作的发生，同时又增强了电气设备和箱体等的使用寿命。智能化监控系统可第一时间看到电池箱是否充满电、是否锁止在充电架上，机器人是否处于正常运行状态；换电机器人采用模块化设计，保证设备故障时尽快恢复换电作业，并减少备品备件数量；换电机器人的人机交互界面易识别并掌握，用户经过短期培训即可熟练操作换电全过程，并具备日常维护和常见故障处理能力：站内无构架，外露连线少，有利于运行巡视的安全，人员不易触碰到带电设备，设备检修维护方便。充换电站箱体、房屋均采用预装式设计，若城市规划等发生变化，充换电站需要移动时，可将钢结构大棚直接拆除，整体吊装与移动，在新地方同样可以快速组装，将损失降至最低。

5结语

    本文对预装式充换电站集成化设计可行性进行了研究，进而对充换电站内部结构集成化设计进行了研究，并对部分研究内容进行了样机加工制造，已在充换电站上运行。

本研究的预装式纯电动客车充换电系统主要应用于电动汽车充换电站，具有建设周期短、成本低等优点，目前国内外对这种产品的研发还比较少，尚未形成成熟产品一如果本研究短期内成功完成，将会给充换电站建设带来创新性的改变。给电力系统带来巨大的能源效益。

6摘要：近几年，随着世界能源的不断减少和短缺，特别是汽车的大量使用，导致石油储量匮乏。世界各国都在大力发展和推广清洁能源交通工具纯电动汽车，如何实现纯电动汽车长期服役，并实现其安全快速高效充换电服务，配套设施充换电站建设是首当其冲要发展的项目。现有充换电站是先土建盖好“房子”，然后在里面调试组装供配电设施、充换电设施、监控设施及辅助设施等。提出了一种新型预装式充换电站系统，即用预装式箱体代替原有充换电站房屋，只在现场建设简易大棚。充换电及监控产品、照明暖通、给排水及消防环保设备通过配线和电缆连接在箱体内预装，实现集成化设计，从而达到节约人物财力、减少占地面积和快速建站的目标。