汽车充电站的配电系统设计说明书.docx

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汽车充电站的配电系统设计说明书

汽车充电站的配电系统设计

摘要

经济的迅速发展使越来越多的家庭拥有了汽车，方便了人们的出行，但同时也带来了严重的环境污染和能源危机。

电动汽车以电作为动力，具有排放低、污染小、噪声低等优点，在一定程度上可以改善由传统内燃机式汽车所带来的环境和能源压力。

因此，研究电动汽车对于人类未来的持续、协调发展具有重要意义。

另外，对于电动汽车的商业化和产业化来说，为电动汽车提供能量的汽车充电站是很重要的部分，能够解决电动汽车行驶里程短的问题，因此，有必要对汽车充电站进行深入的探讨。

本文首先研究了国内外电动汽车充电站的发展情况，并以太原市为例反映了电动汽车的广阔前景。

接着对汽车充电站的基础理论做了相应的研究，简要介绍了电动汽车和电动汽车充电站，为后续的研究做准备。

然后根据电动汽车充电站的相关设计要求与规范，对汽车充电站的配电系统进行了简易的设计，对其主要的设备进行了详细的选择，并利用软件AutoCAD2014绘制了配电系统的主接线图。

最后，为保证汽车充电站能够正常运作，还提出了一些辅助系统，如谐波抑制与无功补偿装置、继电保护装置，以及供电监控系统等。

关键词：

汽车充电站，电动汽车，配电系统，CAD

Abstract

Rapideconomicdevelopmenthasmademoreandmorefamiliesowncars,convenientforpeopletotravel,butitalsocausedseriousenvironmentalpollutionandenergycrisis.Electricvehiclesasthedrivingforce,hastheadvantagesoflowemission,pollution,noise,canimprovetoacertainextentbythetraditionalinternalcombustionenginevehiclescausedbyenvironmentandenergypressure.Therefore,sustainedandcoordinateddevelopmentofelectricvehiclesforthefutureofhumanityisveryimportant.

Also,forthecommercializationandindustrializationofelectricvehicles,poweredcarchargingstationforelectricvehiclesisaveryimportantpart,tosolvetheproblemofshortdrivingdistance,sothecarchargingstationsneedtobethoroughlydiscussed.Thispaperstudiesthedevelopmentofelectricvehiclechargingstationsathomeandabroad,andtakeTaiyuanforexamplereflectsbroadprospectsforelectricvehicles.Thenthecardoneappropriateresearchinbasictheoriesofrechargingstations,electricvehicleandelectricvehiclechargingstationsarebrieflyintroduced,preparingforthefollow-upstudy.Thenaccordingtothedesignrequirementsandnormsrelatedelectricvehiclechargingstations,carchargingstationsanddistributionsystemforeaseofdesign,discussesindetailthemainequipmentselectionanddistributionsystemusingAutoCAD2014wiringdiagram.Finally,inordertoensurethenormaloperationofthevehiclechargingstation,alsomadeanumberofancillarysystems,suchasharmonicsuppressionandreactivepowercompensationdevice,relaydevice,andpowersupplymonitoringsystem.

Keywords:

Carchargingstation,electricvehicle,electricalpowerdistributionsystem,CAD

第1章绪论

电动汽车由于具有零排放、低噪声等优点，以及近年来在电池和电机等关键技术不断突破，已经受到汽车厂商和政府的青睐，发展电动汽车成为当下的热点。

而作为电动汽车能源补充的汽车充电站可以有效的解决制约其发展的里程问题，所以研究汽车充电站的配电系统设计具有一定的实际意义。

1.1课题研究的背景、意义

近现代社会文明的发展很大程度上依赖于石油,由于石油能源是不可再生资源,随着石油能源消耗的不断增加,地球上的石油也在不断地减少，甚至濒临枯竭，能源危机成了人类必需面对的问题。

同时燃烧化石能源将产生大量的有害气体,在导致全球气候变暖的同时也影响到了人类的健康。

我国是石油消耗大国,2011年石油总消耗量4.5亿吨,其中交通领域对石油的消耗达到全国石油消耗的60%。

[1]由此看来，发展新能源汽车势在必行，一方面可以改善国内大城市的空气环境，另一方面也可以减少对外进口石油的巨额开支。

近些年来，世界各国都致力于研发电动汽车，在电机驱动和电池技术等关键领域取得了重大突破，使得推广电动汽车成为可能。

电动汽车是一项复杂度高、涉及范围广、高新技术密集的工程，需要各相关技术和保障体系的开发和完善。

[2]要使电动汽车得到大范围的推广与普及，各种相关的技术与基础支撑技术体系必须与电动汽车保持同步发展。

电动汽车的充电设施是电动汽车进行推广的重要保障部分，对于电动汽车的商业化和产业化来说具有极其重要的作用。

目前我国的充电设施建设仅处于起步阶段,已建成的充电设施多数属于示范性质,无法按照相应的模式进行推广应用,因此必须结合不同电动汽车的充电需求特性做好充电设施的建设和规划,提高电动汽车充电的便利性,这样才能吸引更多的人来购买电动汽车,从而实现电动汽车和充电实施建设之间的正反馈,促进电动汽车产业的健康发展,推动国家整体能源战略目标的实现。

1.2国内外发展现状

（1）美国

美国研究电动汽车相对比较早，近年来对于电动汽车充电设施的建设十分关注，在2011年初的时候，全美汽车充电站的总数仅为1972座，到2012年初时增长了三倍，到2013年3月份共有5678座充电站，16256根充电桩，其中3990座位于加利福尼亚州,1417座位于德克萨斯州,1141个位于华盛顿州。

著名电动汽车公司特斯拉位于加利福尼亚州，该公司在2012年建设了全球第一座超级充电站,并免费为电动汽车车主提供充电服务。

紧接着，特斯拉公司又计划在加利福尼亚州建设一座汽车换电站，并称他们可以在大约90秒完成对特斯拉电动汽车的换电工作。

特斯拉公司还表示,到2013年底将设立配备电池更换技术的走廊式充电站,到2015年覆盖美国和加拿大98%的地区。

（2）日本

日本的汽车产业很发达，其对于汽车充电站的研究也非常的先进。

日本政府计划于2020年之前在全国建设4000余座汽车充电站，以便为电动汽车消费者提供便利的充电服务。

日产汽车、住友商事、NEC等公司共同组建了Japanchargenetwork公司（简称JCN）,并与全家（Familymart）便利连锁店、东日本高速道路、成田机场等公司合作,在东京的汽车销售网点、便利店、高速路服务区等20多个地方建设了快速充电设施。

[3]

到2013年7月，日本已经建成了4700多座充电站，其中常规充电站超过3000座，快速充电站1700座。

为满足电动汽车的不断发展需求，丰田、日产、本田和三菱等四大日本车企联合签署协议，新建4000座快速充电站和8000座常规充电站。

（3）法国

法国有40年的电动汽车推广经验，是世界上发展电动汽车较成功的国家。

其首都巴黎更是典范，是最早在公交系统中引入清洁汽车的城市，在其市区内投入使用了许多的电动公交车，成为美丽巴黎的一道靓丽的风景线。

（4）荷兰

基于对环境可持续发展的承诺的一部分,2013年荷兰政府启动了一项计划,计划到2015年在全国为荷兰1600万居民建立200个充电站,达到平均每50公里一座。

[4]

在国家大力推广清洁能源汽车的政策支持下，我国电动汽车充电站的建设也处于世界前列。

2006年6月，比亚迪上海研发中心建成了国内第一座汽车充电站并通过检测。

2008年，为了响应北京奥运会“绿色奥运”的号召，北京市将电动公交车投入使用，并建成了我国国内第一座集中式汽车充电站——北城充电站，该充电站约5000㎡，有240台充电机和2台快速更换机器人。

2009年，上海市建成国内第一座用于商业用途的充电站——酒溪汽车充电站。

2011年7月，青岛薛家岛充换电站投入运营，除了给电动汽车充电之外，还具有电力储放功能。

此后，我国电动汽车充电站的建设走向快速发展时期。

以太原市为例，预计到2016年10月底全市的出租车将全部更换为电动汽车，老旧的汽油出租车将彻底淘汰。

为保证电动出租车的正常运营，截止5月中旬，太原市已经建设了约1800根交流充电桩，届时太原市将成为全国首个全部使用电动出租车的城市。

1.3本文的主要研究内容

本文首先阐述了当前国际所面临的环境和能源问题，提出了发展电动汽车的可行性并调查了国内外电动汽车充电站的建设情况，以太原市为例反映了电动汽车的广阔前景。

第2章对汽车充电站的基础理论做了相应的学习，简要探索了电动汽车和电动汽车充电站，为后续的研究做准备。

第3章根据电动汽车充电站的相关设计要求与规范，对汽车充电站的配电系统进行了简易的设计，对其主要的设备进行了详细的选择，并利用软件AutoCAD2014绘制了配电系统的主接线图。

最后，为保证汽车充电站能够正常运作，在第4章还提出了一些辅助系统，如谐波抑制与无功补偿装置、继电保护装置，以及供电监控系统等。

第2章电动汽车充电设施的介绍

在对汽车充电站的配电系统进行研究之前，有必要对电动汽车和充电设施做一些基本的了解，学习理论基础为下面的研究做准备。

2.1电动汽车的简介

一、电动汽车分类

现在市场上的电动汽车大致可以分为三类：

纯电动汽车（batteryelectricvehicle,BEV）、燃料电池电动汽车（fuelcellelectricvehicle,FCEV）、混合动力汽车（hybridelectricvehicle,HEV）。

三种不同类型电动汽车的对比图，如下：

表2.1三种类型电动汽车的对比图

类型

纯电动汽车

混合动力汽车

燃料电池电动汽车

驱动系统

电机

电机、内燃机

电机

能源系统

蓄电池、超级电容

蓄电池、超级电容、内燃机

燃料电池

能量来源

电网

加油站、电网

氢气、甲醇、乙醇

特点

零排放;不燃烧石油;续驶里程短;电池成本高；已小批量生产销售

废气排放少;燃烧石油;行驶里程长;车价较高:

已批量生产销售;可利用现有加油站设施

无废气排放;不燃烧石油;行驶里程长;成本高

主要问题

电池价格高;电池性能有待提髙

多能源管理;能量控制系统复杂；价格较高

燃料电池价格昂贵;燃料处理器技术复杂;缺少燃料加注基础设施

二、电动汽车构成

电动汽车的结构如图2.1所示，下面分别介绍这些系统。

（1）电源系统作为动力来源，是电动汽车的重要组成部分，它将自身储存的电能传递到电力驱动系统，最终转化为机械能。

（2）电力驱动系统是电动汽车的核心，这点完全不同于传统内燃机汽车，包括功率转换器、三相感应电动机、固定速比变速器和差速器等，转换器将来自于电源系统的电转换为三相交流电，输送到电动机，然后通过传动机构驱使车轮的行进。

（3）其他辅助系统与内燃机汽车没有太大的区别。

电力驱动系统

制动踏板

加速踏板

转向盘

电源系统辅助系统

图2.1典型电动汽车组成图

三、电动汽车原理

（一）纯电动汽车

图2.2纯电动汽车原理图

如图2.2为纯电动汽车的原理图，纯电动汽车的结构是三类电动汽车中最简单的一种，大致包括蓄电池、逆变器、电机和驱动轴。

其工作原理为：

蓄电池向逆变器输送直流电，逆变器经过逆变过程后将得到的三相交流电提供给交流电机，然后电机向驱动轴输出机械能，以此来驱动汽车的行驶。

燃料电池汽车原理

（二）燃料电池电动汽车

图2.3展示了燃料电池电动汽车的原理。

与纯电动汽车相比最大的不同之处在于电源系统，增加了燃料箱和燃料电池。

燃料电池的产物只有水，对外界的污染非常小，属于零排放或接近零排放汽车。

但是由于技术的问题，燃料电池电动汽车的市场占有率很小。

图2.3燃料电池汽车原理图

（三）混合动力电动汽车

根据结构的不同，混合动力汽车有串联式、并联式和混联式三种类型。

其动力源既可以为内燃机，也可以为电动机。

串联式混合动力电动汽车包括蓄电池、发动机、发电机、逆变器、电动机等部件。

图2.4串联式混合动力系统原理

2.并联式混合动力电动汽车的部件虽然和串联式的大致一样，但工作原理有所不同。

并联式拥有不同的供电方式。

图2.5并联式混合动力系统原理图

3.混联式混合动力电动汽车，顾名思义，就是结合了串联式与并联式的运行方式，优点是动力充足、运行可靠稳定，缺点是构造复杂，维修困难。

图2.6混联式混合动力系统原理图

电动汽车电池的种类较多，就目前市场上来看主要包括镍金属电池、锂离子蓄电池、超级电容、铅酸电池以及具有更好发展前景的燃料电池和太阳能电池。

作为电动汽车的关键零部件，电池对于电动汽车的使用来说具有举足轻重的地位，电池性能的好坏、质量的优劣、容量的大小将直接影响到电动汽车的使用性能。

正因为如此，电动汽车对于电池的要求是很严格的，如较长的使用寿命、高能量密度、充放电性能好等。

[5]

另外，电池的使用也存在很多的问题，需要我们去进一步的解决，如：

长时间使用的话会过热，影响使用寿命；大量的投入使用，如果处理不当会造成严重污染；目前生产成本较高；安全性不高。

考虑到电池的可靠性、安全性、使用性能和延长电池的使用寿命，电动汽车设置了专门的电池管理系统（BatteryManageSystem,BMS），BMS也是电源系统的重要组成部分。

以下为电动汽车充电的三种方式。

这三种模式各有优缺点，如表所示:

表2.2电动汽车不同充电模式的优缺点

充电方式

优点

缺点

适合人群

常规充电

充电桩成本较低，安装比较简单；可充分利用负荷低谷时段进行充电，充电成本相对较低；充电的效率高；对电池损伤小能延长电池寿命

充电时间较长（一般为3～5h，甚至长达8～9h）,不能满足紧急情况，对用户来说不是很方便

私家车，公务车，邮政环卫车

快速充电

充电时间短（20min～1h），可满足目前电动汽车的紧急充电需求，现阶段对推动电动汽车的发展有积极意义

充电电流较大；充电设施成本较高，安装较复杂；对电池的使用寿命有影响；对充电的可靠性和安全性要求较高

出租车、商务车

换电池

更换电池组时间短，解决了充电时间长、续驶里程短等难题；充电成本低；有利于车辆经济高效运行；可有效提高电池组的寿命

需专业的电池维护和更换人员；电池和电动车的标准化以及换下电池的管理和流通性是主要问题

公交车

2.2电动汽车的充电设施

在电动汽车使用量较多的地区应该配备有相应的充电设施以便为电动汽车提供电能，以解决电动汽车行驶里程短的问题。

本节对充电设施进行了分类和总结。

（1）充电机。

专门用来为车用电池充电的设备，同时它也是一种电力转换装置。

根据工作电流的不同，充电机可分为直流充电机和交流充电机。

（2）交流充电桩。

一般建设在市区车辆较集中且不妨碍交通秩序和居民生活的地方，既满足电动汽车的电能需求，也能方便人们的出行，例如汽车充电站、大型商务停车场、高架桥下方、住宅区等。

此外，电动汽车用户可直接通过对应的手机APP进行付款等操作。

下图2.7所示为某商务停车场的交流充电桩。

图2.7交流充电桩

（3）换电站。

换电站用来给电动汽车更换电池的场所，可直接将需要补充电能的电池组取下，换为已经充满电的型号相匹配的电池组，是一种高效的充电模式。

由于车型、电池标准、接口不同的问题，这种方式更适合于公交车、出租车等方便统一管理的车辆，如青岛薛家岛建立的电池充换电站就是采用的这种模式。

[6]

图2.8展示了汽车充电站（EVchargingstation）的结构图，可以看出充电站是由供电系统、充电设备、监控系统以及配套设施组成的，除了为电动汽车提供电能外，还具有计费、安保、监控、消防等必要功能。

图2.8汽车充电站的结构图

（1）供电系统（power-supplysystem）。

为电动汽车充电站的动力设备、监控系统和办公场所等提供交流电源。

本文的主要工作就是对供电系统的配电进行设计。

供电系统的配置要求：

配电变压器、高/低压配电装置、计量装置和谐波治理装置。

（2）充电设备（chargingequipment）。

包括交流充电桩、非车载充电机、计费装置、电池更换设备等，可根据实际需要进行选择。

作为充电站的核心部分，最好能够为不同车型、电池型号、接口的电动汽车提供安全、快捷的补给服务。

（3）监控系统（supervisorsystem）。

是充电站能够高效安全运行的保障，主要包括配电监控系统、充电监控系统、安保监控系统等。

（4）配套设施（supportingfacilities）。

汽车充电站除供电、充电、监控等基本组成外，还应该包括其他的一些相应设施，如充电工作区、站内建筑、消防设施。

根据建设规模，电动汽车充电站可分为三类：

（1）大型汽车充电站，充电设备的数量一般不低于10台，且能满足多数不同汽车车型的充电要求，其配电容量一般不低于500kVA。

（2）中型汽车充电站，要求较大型充电站偏低，配电容量应在100kVA～500kVA之间，充电设备的数量应不低于8台。

（3）小型汽车充电站，配电容量不大于100kVA，可采用0.4kV，50Hz配电。

电动汽车充电站的建设规模如表2.3所示:

表2.3充电站的建设规模

规模

大型

中型

小型

占地（㎡）

约1700-2000

约1000

50～100

充电机

2台大型：

DC500/400A

4台中型：

DC500/200A

2台小型：

DC350/100A

4台交流充电机

2台中型：

DC500/400A

2台小型：

DC350/100A

4台交流充电机

1～2台小型DC350/100A

2～3台交流充电机

配电系统

10kV双路供电,单母线接线;0.4kV单母线分段接线

10kV双路供电,单母线接线;0.4kV单母线分段接线

0.4kV供电

其他

有源滤波、无功补偿装置、计量计费系统

配电监控、充电机监控和安防监控系统

有源滤波、无功补偿装置、计量计费系统

配电监控、充电机监控和安防监控系统

计量计费系统

可选配充电站监控系统

第3章汽车充电站的配电系统设计

通过上面一章的学习对汽车充电站有了初步的了解，本章对其交流配电系统进行设计，保证充电站可靠、安全、经济地运行。

先对电动汽车站的设计原则做了简要研究，对主要的设备进行了选择，利用AutoCAD2014绘制了汽车充电站配电系统的主接线图，并阐述了工作原理。

3.1电动汽车充电站的设计原则

（1）充电站的交流配电系统专门为电动汽车站提供交流电源，其容量应该能够满足充电、照明、监控等需求；

（2）充电站的布置不应妨碍其发展和扩建；

（3）充电站的选址应符合当地的实际情况，不应建设在常有剧烈振动、多尘、有腐蚀性气体的场所；

（4）充电站供配电系统应符合现行国家标准《供配电系统设计规范》GB50052的有关规定，输出为0.4kV、50Hz，宜采用三相四线制；

（5）变压器室、配电室应符合GB50053的要求，低压配电部分应符合GB50054的标准；

（6）汽车充电站可根据实际情况选用不一样的供电方式：

a.大型充电站采用双路10kV常供电源的供电方式。

b.中型充电站采用双路电源供电方式，根据具体情况可采用10kV或0.4kV。

kV供电方式。

[7]

（7）开关柜宜采用小型化、无油化、免维修或少维护的产品；

（8）配电系统应符合下列要求：

a.充电站属于中低压配电系统，低压接地系统宜采用TN—S系统。

b.低压进出线开关、分段开关宜采用断路器。

（9）为防止雷电或操作过电压沿电源引入先对低压配电系统产生不利的影响，在主开关的电源进线与地之间需装设B级防雷器，在配电母线与地端子之间装设C级防雷器。

（10）交流充电桩的输出电压应为220V交流电压，额定电流不大于32A。

[8]

3.2交流配电系统的主要设备

汽车充电站交流配电系统的主要设备包括：

高压开关柜、配电变压器、低压开关柜、谐波抑制与无功补偿装置、计量装置等。

实际中，考虑到经济性、便利性等因素，汽车充电站一般选用箱式变压器，囊括了所有用到的设备，集电能的变换、分配、传输、计量、补偿、保护等功能于一身，且占地面积小、安装方便、无需看守，如图3.1。

在这一章节将对主要的设备进行介绍和选择。

图3.1箱式变电站

高压开关柜

10kV高压开关柜采用中置式开关柜或环网柜，如图3.2所示，内配断路器、隔离开关、

电流互感器、电压互感器等，同时配有避雷器，起到通断、控制和保护等作用。

图3.2高压开关柜

柜内常用一次元件如下：

◆高压断路器，如：

少油型、真空型、SF6型；

◆隔离开关，如：

GN19-12,GN30-12/40.5,GN24-12；

◆高压熔断器，如：

RN2-12，RN1-12/40.5；

◆避雷器，如：

HY5WS，TBP、JBP；

◆电压互感器，如：

JDZ-10/35，JDZJ-10/35；

◆电流互感器，如：

LZZBJ9-10/35；

◆接地开关，如：

JN15-12，JN22-35。

二次元件有如下设备：

继电器、信号灯、电压表、功率因数表等仪器仪表。

3.2.2变压器

变压器用来将高压转换为低压，主变为10kV/0.4kV,高压侧接高压开关柜，低压一侧连接低压柜。

变压器分为油浸式和干式。

干式大部分使用硅橡胶套管的引线，采用树脂绝缘，依靠自然风进行冷却；油浸式变压器大部分使用瓷套管引线，采用绝缘油绝缘并散热。

两者相比较而言，干式变压器运行时的噪声低，防火性能好，无污染，而油浸式变压器的要求较高且价