19、电动汽车充电系统：从原理到设计的全面解析

电动汽车充电系统：从原理到设计的全面解析

1. 功率计算与建模目标

在电动汽车（EV）与纳米电网（NPG）和微微电网的集成中，功率计算是基础。总输入功率（$P_{IN - NPG}$）可表示为太阳能光伏功率（$P_{SPV}$）、电池功率（$P_{BT}$）和市电功率（$P_{UG}$）之和，即：
$P_{IN - NPG} = P_{SPV} + P_{BT} + P_{UG}$
考虑电网损耗（$P_{Loss - NPG}$）后，输入功率与输出功率（$P_{OUT - NPG}$）的关系为：
$P_{IN - NPG} = P_{OUT - NPG} + P_{Loss - NPG}$
由此可得输出功率为：
$P_{OUT - NPG} = P_{IN - NPG} - P_{Loss - NPG}$
NPG效率（$\eta_{NPG}$）的计算公式为：
$\eta_{NPG} = \frac{P_{OUT - NPG}}{P_{IN - NPG}} = \frac{P_{IN - NPG} - P_{Loss - NPG}}{P_{IN - NPG}} = 1 - \frac{P_{Loss - NPG}}{P_{IN - NPG}}$
总NPG输出功率又可分为电动汽车充电负载（$P_{EV Load}$）和非电动汽车负载（$P_{Non - EV Load}$），即：
$P_{OUT - NPG} = P_{EV Load} + P_{Non - EV Load}$
所以，电动汽车充电负载可表示为：
$P_{EV Load} = P_{OUT - NPG} - P_{Non - EV Load} = P_{IN - NPG} - P_{Loss - NPG} - P_{Non - EV Load}$
建模的目标主要有两个：
- 最大化电动汽车充电负载，即最大化$P_{OUT - NPG} - P_{Non - EV Load}$。
- 最小化电网损耗$P_{Loss - NPG}$，同时输入功率需满足$-P_{IN - NPGmin} \leq P_{IN - NPG} \leq P_{IN - NPGmin}$。

2. 优化方面

在EV与充电站集成的建模中，需要考虑多方面的优化：
- 运营、利用和业务优化 ：旨在建立一个单一的监控和控制系统，管理整个车辆网络区域的多个单元。涵盖社区、智慧城市、市政当局、停车场、充电基础设施和客户选择等。通过监控控制，能实现高速公路充电、公共充电、私人充电、车辆仓库和电动出行生态系统的最佳集成。
- 充电优化 ：带来诸多好处，如优化电动汽车车队的推出、优化车队车辆充电、优化能源消耗、减少二氧化碳排放和优化投资回报率（ROI）。常见挑战及解决方案如下表所示：
| 挑战 | 解决方案 |
| — | — |
| 推出充电服务 | 简化注册流程 |
| 客户和员工满意度 | 基于地图的直观应用程序和用户友好功能 |
| 最大化充电车辆数量 | 增加充电点、快速充电、提供充足空间、与车辆通信、在充电站为客户提供休闲设施 |
| 数据分析 | 数据收集、基于云的通信和计算、使用应用程序、收集反馈 |
| 最大化ROI | 降低充电价格、提供时间折扣、灵活的电价、使用不同支付方式和优惠 |
| 与其他充电网络交互（如有需要） | 高峰时段负载共享、维护生态系统、分享最佳实践 |
- 车队管理优化 ：面临一些挑战，相应的解决方案如下表：
| 挑战 | 解决方案 |
| — | — |
| 充电 - 客户界面 | 简单的用户友好界面、透明计量 |
| 应对电网限制 | 双向监控和控制、适当的负载管理 |
| 最大化车辆数量 | 提高充电容量、增加充电点、空间管理、快速充电、技术基础设施开发 |
| 员工满意度 | 使用应用程序和软件工具、反馈和设施安排、收集和分析数据、跟踪使用模式和电价 |
| 业务或企业目标 | 最大化ROI |
- 能源消耗优化 ：主要挑战和解决方案如下表：
| 挑战 | 解决方案 |
| — | — |
| 管理充电点 | 基于容量的充电管理 |
| 本地能源资源和电网利用 | 利用本地资源、最小化电网摄入、最小化电池放电、有效运行混合动力车辆 |
| 最大化使用和ROI | 不同的支付可能性、清算和漫游以及具有实时可用性信息的网页门户/应用程序 |

3. EV与电网集成的问题

在规划EV网络与电网系统集成时，需要考虑以下重要问题：
- 资源可用性 ：使用本地资源进行充电最为经济。基于太阳能光伏（SPV）的充电站在全球迅速发展，有离网和并网两种模式。不同国家或地区的监管机构提供不同的电力交易和利用业务模式，可据此设置降低或灵活的充电电价。
- 电网类型 ：为充电点提供能源的电网类型很重要，需在开始时确定。主要根据当地可用资源、EV类型和其他电力负载以及业务模式来选择。效率和经济运行取决于电网损耗，而电网损耗因电网类型而异。
- 公共充电站 ：通常规划在路边，根据道路上的平均车辆密度和道路长度确定数量和位置。也可建在公共停车场和仓库。
- 私人充电站 ：主要建在个人或私人车库和停车场。为日常使用EV的用户提供充电点可节省外出充电的时间。但私人安装和电价需由监管机构指导，并添加足够的安全措施。
- 智慧城市/社区 ：在智慧城市和社区中使用EV需要智能管理基于电网的充电站，目标是最大化可再生能源的使用、最小化能源消耗以及减少碳排放和污染。智慧城市规划可利用停车、建筑或家庭自动化、电子充电、基于网页门户或应用程序的服务等。
- 车辆密度 ：区域内的车辆密度统计有助于EV负载管理。车辆密度是动态参数，随时间、日期和月份变化。在规划和设计充电站时，可考虑平均和最大车辆密度来设置充电点数量和确定充电站的功率容量。在运营过程中，可根据车辆密度和充电站的可用充电点进行EV负载共享，避免拥堵和节省时间。
- 停车场、仓库和车库充电 ：在这些区域规划、设计和建设充电站可充分利用空间并节省时间。但在这些区域安装充电站需检查安全措施，并设置监控、计量和商业交易。
- 企业停车场 ：企业停车场可升级为基于电网的充电点，满足大量车辆的充电需求。基于太阳能光伏的纳米电网和微微电网集成的EV充电站为企业需求提供环保经济的解决方案。
- VIP停车场 ：VIP停车场通常安全级别较高，升级为基于电网的充电点可消除外出充电的需求。同样，基于SPV的纳米电网和微微电网集成的EV充电站提供环保经济的解决方案，同时需考虑安全问题。
- 汽车共享/车队 ：汽车共享业务模式应规划充电设施、不同地点的电网连接充电站、停车场和仓库。车辆附近的服务站可增加优势。灵活的电价模式、快速安全的支付、漫游服务和信息共享系统有助于吸引该业务模式。
- 电池交换 ：电池交换是为车辆提供快速服务的好解决方案。需要协调电池类型和可用的充电电池。基于道路应用程序的信息共享系统可使该模式更具吸引力，还可减少空间需求和节省时间。
- 现有加油站 ：出于安全考虑，不建议在加油站或附近规划充电站。因为汽油、柴油等易燃，正常情况下不应在加油站安装电路。若不可避免，需采取高安全措施，这会增加安装、运营和维护成本。

4. EV充电站设计

EV与纳米电网和微微电网的集成通过EV充电站的充电点实现。设计应从用户需求出发，满足用户对自适应充电点、便捷充电和可靠充电的需求。以下是不同的技术方面：
- 充电模式 ：用户可根据需求选择特定的充电模式，充电控制器可设计为以下模式：
- 快速充电
- 中等充电
- 长时间充电
选择充电模式时需考虑客户选择、与可用充电控制器匹配以及可用充电时间。快速充电适用于高峰需求时段，长时间充电在需求较少时可提供灵活电价。
- 电压水平 ：整流器和充电控制器的设计基于输出电压要求。直流电压水平可大致分为：
- 低电压水平：≤ 12 V 或 24 V
- 中等电压水平：> 24 V 且 ≤ 48 V
- 高电压水平：> 48 V
- 连接器形状 ：接触点的形状对于集成很重要，能确保与电池单元的正确极性连接。连接器可大致分为：
- 开放式接触类型
- 插入式类型
- 裸式连接器 ：有时电池端子为裸状态，使用两根单独的导线或电缆连接电池端子进行充电。一些旧版本的EV使用这种方式，但目前不推荐。
- 插入式类型 ：安全且易于使用，可分为：
- 传统插座式插入连接器：类似传统的电气插头。
- 燃油喷射器式插入连接器：类似传统加油站的燃油喷射器。
- 充电站的连续供电 ：充电站需24小时服务，因此应随时提供电力。在基于NPG的系统中，白天可直接利用太阳能充电，晚上可从市电或充电站的电池存储单元获取电力。
- 智能计量 ：智能电表是充电站的最佳实践，可监控单个车辆充电时的能耗，以及太阳能光伏、市电和电池存储单元（如有）的功率输入。能源数据可监控和存储，供进一步分析。部分地方由充电站所有者和/或监管机构进行基于云的监控。
- 支付方式 ：采用两种常见的支付方式，类似于加油站：
- 现金支付 ：客户用现金支付。
- 电子支付 ：客户通过借记卡、信用卡、网上银行、手机银行等支付。电子支付有两种方式：
- 与智能电表不连接的支付方式：先读取电表，再进行电子支付。
- 与智能电表连接的支付方式：电表自动读取，然后进行电子支付。还可采用高级预订、月度计费系统、预付费支付和基于灵活电价系统的折扣等有吸引力的功能。
- 车辆网络中的交互式信息共享和预订设施 ：通过互联网和应用程序向车辆网络的驾驶员共享可用性和服务信息。驾驶员可按需选择和预订最近或最佳位置的充电点。可采用四层物联网（IoT）拓扑和基于云的通信和计算进行信息共享。

以下是充电模式选择的流程图：

graph TD;
    A[用户需求] --> B{选择充电模式};
    B -->|快速充电| C[高峰需求时段];
    B -->|中等充电| D[一般需求时段];
    B -->|长时间充电| E[需求较少时段，可提供灵活电价];

5. 车辆负载共享和交通管理

若某个充电站车辆过多导致过载，可将部分车辆转移至附近其他充电站，避免车辆长时间等待。而轻载的充电站（即充电车辆数量少于其容量），可承接其他附近充电站的额外车辆负载。这一过程可通过信息共享和基于云的应用程序来实现。

充电站主要服务于以下两类车辆：
- 纯电动汽车（FEV） ：也称为电池电动汽车（BEV）或纯电动车辆（PEV），全程依靠电池供电。
- 插电式混合动力电动汽车（PHEVs） ：初期使用电池供电，之后由内燃机提供动力。

两类车辆使用的电池对比如下：
| 对比项 | BEV使用的电池 | PHEV使用的电池 |
| — | — | — |
| 供电情况 | 全程为车辆供电 | 初期为车辆供电，之后由内燃机供电 |
| 满电续航 | 约140 - 180 km | 约30 - 50 km |
| 电池容量和尺寸 | 大 | 小 |
| 电量不足情况 | 车辆停止，需充电或更换电池 | 内燃机驱动车辆 |
| 温室气体排放 | 无 | 内燃机驱动时排放 |

6. 主要EV充电组件

EV的主要充电组件包括：
- 电动机 ：为车辆提供动力。
- 电池 ：储存电能。
- 车载充电器 ：安装在EV内部，通过交流充电口接收外部电源的交流电，并将其转换为直流电为电池充电。在快速充电模式下，车载充电器会被绕过，不参与充电。
- 充电入口 ：分为交流充电入口和直流充电入口。
- 交流充电系统 ：使用带有交流充电入口的车载充电器，外部电源提供交流电，车载充电器将其转换为直流电为电池充电。
- 直流充电系统 ：无需车载充电器，直流外部电源直接连接为电池充电，常用于快速充电。

7. EV充电连接器和充电模式

• EV充电连接器 ：用于连接充电站的外部电源或充电点与EV的充电入口。入口按照各种国际标准制造，常见的连接器类型如下表所示：
  | 类型 | 特点 | 适用范围 |
  | — | — | — |
  | Type 1（J1772） | 用于交流单相充电站，有三个大引脚（用于连接相、中性和接地）和两个小引脚（用于充电器与EV之间的通信），电流容量通常可达32 A，可提供约10 kW的功率，常有锁定装置 | 适用于功率需求较低的交流充电场景，一般用于家庭或小型充电站 |
  | Type 2（IEC 62196 - 2） | 引脚与Type 1类似，用于单相和三相交流充电站，圆形顶部有平边，三相充电系统有两个额外引脚，单相电流可达32 A，三相可达约60 A，常用于高达50 kW的充电，常有锁定装置 | 广泛应用于欧洲等地区的交流充电站，适用于不同功率需求的交流充电 |
  | Type 3 | 因其他类型的吸引力特征而逐渐过时 | - |
  | Type 4（SAE J1772） | 用于直流快速充电 | 适用于需要快速充电的场景 |
  | CHAdeMO | 用于直流充电站，名称源于日语“O cha demo ikaga desuka”（意为“你可以在汽车充电时喝茶”），用于快速充电，承载直流电，通常使用至约150 A，适用于容量高达400 kW的充电站 | 常见于日本等地区的快速充电站 |
  | Combo 1（Combined Charging System - CCS - 1） | 结合了Type 1（J1772）和直流快速充电的特点，可用于交流充电和直流快速充电，通常使用至350 kW | 适用于需要兼容交流和直流快速充电的场景，常见于美国等地区 |
  | Combo 2（Combined Charging System - CCS - 2）（IEC 62196 - 3） | 结合了Type 2和直流快速充电的特点，可用于交流充电和直流快速充电，通常使用至350 kW | 适用于需要兼容交流和直流快速充电的场景，广泛应用于欧洲等地区 |

不同地区常用的EV充电连接器如下表所示：
| 直流/交流 | 插头 | 地区 |
| — | — | — |
| 直流 | Type 1（J1772） | 日本、美国 |
| 直流 | GB/T | 中国 |
| 直流 | Type 2 | 欧洲及其他地区 |
| 直流 | CCS Type 1 | 美国 |
| 直流 | CCS Type 2 | 欧洲及其他地区 |
| 直流 | CHAdeMO | 日本 |

• EV充电模式 ：根据IEC 61851 - 1标准，EV充电分为四种模式，如下表所示：
  | 模式 | 特点 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
  | — | — | — | — | — |
  | 模式1 | 使用家用标准插座和交流网络，充电点出口通过标准插头和电缆连接EV充电入口，无额外设备。单相系统为16 A和250 V AC，三相系统为16 A和480 V AC | 适用于家庭场所，设置简单 | 充电速度慢 | 家庭夜间充电等对时间要求不高的场景 |
  | 模式2 | 使用标准插座，增加了防触电保护和安全措施。单相系统可达32 A和250 V AC，三相系统可达32 A和480 V AC | 提供一定安全保障，可用于慢速和中速充电 | - | 对安全有一定要求的慢速和中速充电场景 |
  | 模式3 | 使用与交流电源网络连接的专用充电器，采取充分保护措施，采用先进控制技术，提供更高功率，充电时间比模式1和2短，提供车辆与充电系统之间的额外通信功能，允许实施控制功能，可进行远程监控和控制，优化能源消耗，安全充电延长电池寿命，降低风险，可集成智能电表、灵活电价和电子交易 | 充电速度适中，功能丰富，安全性高，能源利用优化 | - | 公共充电站等对充电速度、安全性和功能有要求的场景 |
  | 模式4 | 直接通过直流充电，若电源为直流则直接连接电池，若为交流则转换为直流直接供电，通常功率较高（如20 kW或以上） | 充电速度快 | - | 需要快速充电的场景，如长途旅行中的快速补能 |

8. 充电时间分类及优缺点

基于充电时间，EV充电可分为以下几类：
| 充电模式 | 充电时间 | 电池容量 | 充电系统 | 优点 | 缺点 |
| — | — | — | — | — | — |
| 慢速充电 | 10 - 11 h | 40 kWh | 4 kW家用充电站 | 对电池损伤小，充电平稳 | 时间长 |
| 中度充电 | 6 - 7 h | 40 kWh | 7 kW车载充电系统连接外部15 kW交流充电系统（受车载充电器上限限制） | 充电时间适中 | - |
| 快速充电 | 40 - 50 min | 40 kWh | 60 kW直流快速充电系统 | 节省时间 | 频繁使用会缩短电池寿命 |
| 超快速充电 | 10 - 15 min | 40 kWh | 200 kW直流超快速充电系统 | 极短时间完成充电 | 对电池损伤大，设备成本高 |

9. 其他设计要点

• 输出类型 ：充电站的输出分为插座式和带电缆的EV连接器两种类型。家庭应用通常为单个或少数输出，满足单户或个人需求；公共充电站有多个输出，可同时为多辆EV充电，但需有足够的功率输出能力。
• 认证 ：在公共充电站，充电前需进行认证，有助于访问管理、EV管理和安全支付，还可用于VIP、救护车等车辆的优先充电管理。常用的认证技术有RFID和智能卡，认证管理可通过本地、远程在线或应用程序、高级在线或应用程序等方式进行。
• 通信系统 ：充电站与EV网络以及其他充电站之间的通信对于EV充电管理至关重要，有助于EV驾驶员远程选择充电站、完成认证过程、预订充电点和时间槽、进行支付、监控、与其他充电站进行EV负载共享以及管理高峰需求等。可采用以太网、蓝牙、Wi - Fi、NFC、3G/4G/下一代等通信方式。
• 安装类型 ：充电点的安装方式主要分为壁挂式和落地式。
  • 壁挂式安装 ：将充电点安装在墙上，主要为插座式出口，无固定电缆，适用于家庭或住宅应用。
  • 落地式安装 ：使用安装在地板上的基座，输出充电点安装在基座上，带有固定电缆，类似加油站，主要用于室外公共充电站。
• 固定电缆 ：落地式安装通常使用固定电缆，主要用于室外公共充电站；室内家庭充电站一般不使用固定电缆。电缆连接器需与EV车辆入口匹配，公共充电站通常配备不同类型的电缆连接器以适应不同类型的车辆。
• 最大充电电流和模式选择 ：最大充电电流根据充电站的容量设置，充电模式根据充电点数量选择。通常，单个充电点的交流充电站使用模式1或2；多充电点的单相和三相交流充电站使用模式3；直流充电站使用模式4。不同模式下的最大充电电流设置如下表所示：
  | 充电点数量 | 首选充电模式 | 相数（P） | 最大电流 |
  | — | — | — | — |
  | 1 | 模式1、模式2 | 1P | 16 A |
  | 多个 | 模式3 | 1P、3P | 16 A、32 A |
• 接地和安全保护 ：
  • 接地 ：EV充电系统必须有适当的接地，以确保安全。根据IEC 60364 - 7 - 722标准，充电站需为能量在EV与外界之间的传输提供专用路径，EV连接器和插座式出口必须有接地连接，并采用相 - 地 - 中性（PEN）结构。
  • 电击保护 ：主要的电击来源和原因包括电缆的机械损坏、插头接地连接断开、EV基本安全和保护系统故障、外部环境潮湿等。针对不同的充电模式，推荐的保护类型如下表所示：
    | 模式 | 保护类型 | 标准 |
    | — | — | — |
    | 模式1 | RCD 30 mA type A | IEC 61008 - 1、IEC 61009 - 1、IEC 60947 - 2、IEC 62423（RCD）；IEC 62955（RDC - DD） |
    | 模式2 | RCD 30 mA type A | - |
    | 模式3 | Option 1：RCD 30 mA type B；Option 2：RCD 30 mA type A + 6 mA RDC - DD；Option 3：RCD 30 mA type F + 6 mA RDC - DD | - |
    | 模式4 | 由于无交流点，建议进行充分隔离 | - |
  • 浪涌或瞬态过电压保护 ：电网连接的充电站可能会受到雷击、开关效应和故障等引起的浪涌或瞬态过电压影响，损坏控制器、转换器、充电器、测量仪器和EV。常用的保护方案包括安装避雷针、浪涌保护装置等，相关标准有IEC 60664 - 1、IEC 60364 - 7 - 722、IEC 17409等。

10. EV充电和负载管理

EV负载特性与其他类型的电气负载不同，会随充电站的类型、位置和时间而变化。常见的EV充电和负载管理系统有静态负载管理系统（Static LMS），通过设置固定的充电功率水平来管理EV充电负载。

综上所述，EV与纳米电网和微微电网的集成涉及多个方面，从功率计算、优化策略到充电站的设计和管理，每个环节都对EV的推广和应用至关重要。在实际应用中，需要综合考虑各种因素，以实现高效、安全、经济的EV充电解决方案。

以下是充电站不同安装类型的流程图：

graph TD;
    A[充电点安装] --> B{安装类型};
    B -->|壁挂式安装| C[家庭或住宅应用];
    B -->|落地式安装| D[室外公共充电站];