电动汽车电池更换站设计说明书.docx
《电动汽车电池更换站设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动汽车电池更换站设计说明书.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电动汽车电池更换站设计说明书
电动汽车电池更换站设计说明书
第一篇总的部分
1设计依据
《国家电网公司电动汽车充电设施典型设计》
《电动汽车电池更换站技术导则》Q／GDW486-2010
《电动汽车电池更换站设计规范》Q／GDW487-2010
《电动汽车充电站及电池更换站监控系统技术规范》Q／GDW488-2010
《电动汽车电动汽车充电站通用要求》Q/GDW236-2009
《电动汽车电动汽车充电站布置设计导则》Q/GDW237-2009
《电动汽车电动汽车充电站供电系统规范》Q/GDW238-2009
《电动汽车充电设施建设技术导则》Q/GDW478—2010
2主要设计原则
以“统一标准，实用优先，合理布点，超前谋划”为原则，与城市发展规划和交通规划有机结合，建设适合某旅游开发区实际、节能环保、高效实用的电动汽车换电设施，形成科学合理的电动汽车换电配套设施布局，服务电动汽车新兴行业发展，为消费者提供高效节能的配套设施，展示国家电网公司责任央企形象，提高电能占终端能源消费比重和能源利用效率，促进社会经济的健康稳定发展。
3.服务对象及服务需求
某换电站服务于某客车有限公司生产的纯电动公交车，数量为30台。
纯电动公交车全部采用快速更换电池方式运行,电池由电动汽车厂家成套提供。
纯电动公交车的理论满载续航里程为100公里，纯电动公交车路线一周约为30公里（针对某旅游开发区旅游线路），所以一辆纯电动公交车换电后可运行2-3圈；纯电动公交车的平均时速为30公里/小时，即一辆大巴运行约3小时需要进行一次换电服务；站内充电机平均充电电流按0.3C考虑，站内充电机平均充电电流按0.3C（C=360AH）考虑，单箱电池充电时间约为3小时；
当多辆大巴集中换电时，以每辆车综合换电时间15分钟计，当换到第18车次时，第1车次的电池箱充电全部完成，故电池箱备用率即为18/30=0.6,故电池箱数量为30×10×0.6=180。
根据以上计算可得出某换电站需要1个自动换电工位，为了预防机器人维护及损坏而造成整个换电站瘫痪的突发情况，某换电站配备了一个手动换电工位，另配置了手动堆垛及换电设备及备用电池暂存架
具体配置如下：
自动换电工位配置120台电池箱专用直流充电机（DC30～90V；0～150A）、2组电池架（电池架分6层，每组可放置60个电池箱），配备1套电池更换设备（含自动堆垛设备、自动换电设备各2套，手动堆垛设备、手动换电设备各2套），同时配置有相应的综合监控、安防、计量系统及电池检测维护设备。
手动换电工位配置60台电池箱专用直流充电机（DC30～90V；0～150A）、1组电池架（电池架分6层，每组可放置60个电池箱），配备1套电池更换设备（含手动换电设备2套、自动堆垛设备1套，手动堆垛设备1套），同时配置有相应的综合监控、安防、计量系统及电池检测维护设备。
4站区自然条件
某换电站位于某旅游开发区彩宇广场东北侧彩宇大街与102国道交汇处，此处为某开发区与经济开发区的交通要道，交通便利，车流量较大，是换电站发挥较高效率的理想地段。
某换电站地理坐标为东经125度21分，北纬43度52分，所在位置海拔高度为204米，为亚欧大陆中温带半干燥半湿润季风气候区，年平均气温4.7℃，平均最高气温为28.3℃,平均最低气温-22.4℃，绝对最高气温38.8℃，绝对最低气温-34.9℃；平均相对湿度69%；年降水量600毫米左右。
5设计范围
设计范围：
某换电站10kV电源、进站道路，建筑本体（建筑内道路、给排水、消防、采暖）、换电站配电室配电装置、换电站换电区域及其监控系统、站用交直流系统、工程概算以及生产辅助设备的设计。
6主要用地指标
序号
项目名称
单位
数量
1
站区内总建筑面积
m2
2460.95
2
站区围墙内用地面积
m2
3642
3
建筑高度
m
11.6
第二篇建设方案
1某换电站总平面布置
某换电站包括换电功能区、配电室、停车区、营业服务区组成。
换电功能区、配电室设置在本体建筑一层，营业服务区设置在二层，停车区设在室外，进站道路的东南侧。
2某换电站供配电系统方案
（一）外电源方案
1、10kV主电源引自彩云66kV变电站10kV企联线新设环网柜，电缆长0.56km×2根，采用ZR-YJLV22-8.7/15-3×185电缆，电缆运行方式为一用一备。
本工程将彩云66kV变电站10kV企联线在新设10kV环网柜位置断开，环网柜为两进三出全绝缘、全密闭SF6气体绝缘环网柜。
环网柜两个进线单元，一个接彩云66kV变电站侧电缆，一个接企联开关站侧电缆；三个配出单元，一个断路器配出单元接某换电站，其余两个配出单元预留。
2、10kV备用电源引自某66kV变电站所带10kV新城线兆基E区中压开关站，电缆长5.14km×2根，采用YJLV22-8.7/15-3×185及ZR-YJLV22-8.7/15-3×185电缆，电缆运行方式为一用一备。
本次设计在兆基E区中压开关站内增加1台KYN28A-12型高压配出柜，内装固封极柱式真空断路器，参数为630A，31.5kA。
（二）站内供电系统
（1）站内供电系统
电池更换站供电系统主要包括10kV开关柜、变压器、低压配电柜、有源滤波、站用电源等组成部分。
换电站所配套设置的配电室为双电源供电方式，主、备电源设计总容量均为4000kVA（2000kVA×2）。
配电站电气设备一次设备配置如下：
2台10kV干式非晶合金低损耗变压器，容量均为2000kVA。
12面10kV高压开关柜，型号为KYN28A-12型,其中包括2面进线柜，2面主受柜，2面PT消谐柜，2面计量柜，2面配出柜，2面母联柜；
16面0.4kV低压开关柜，型号为GCS型，其中包括6面有源滤波柜，2面主受柜，7面配出柜，1面母联柜。
3面直流屏，参数为200Ah，直流220V。
配出柜配出回路电缆型号及长度详见材料表。
（2）配电变压器的选择
参照国家电网公司电动汽车电池更换站的设计要求，本电动汽车电池更换站高压侧选用双路10kV进线电源，配置2台低空载损耗的干式配电变压器。
考虑到电池更换站用电容量很大，2台变压器采用常供方式，每台变压器正常情况承担二分之一的站用负载。
电池更换站配电变压器容量计算：
配电变压器容量（
）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（
）及变压器最佳负荷率（
），功率因数（
）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，
可以达到0.95，充电机容量折算采用如下简易算法：
（1.1）
式（1.1）中，
为充电机工作效率，高频开关整流充电机取0.9。
配电容量为：
（1.2）
充电机同时系数（
）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1.0。
为变压器负荷率，取0.8。
为除去充电机外其它充电设施用总负荷容量，可按照1套电池更换设备共80KW、1台电池检测及维护设备20KW、其他监控、照明、空调和办公用电负荷等150KW计算。
由于本换电站共需180台功率为13KW（具体计算见下文）的直流充电机，根据上述数据可计算配电变压器总容量为：
3733KVA
因此，选择容量为2台2000KVA的变压器。
（3）高压开关柜选择
本设计10kV高压开关柜采用金属铠装中置柜，型号为KYN28A-12型，柜内配置固封极柱式真空断路器，机械寿命30000次，便于维护的模块化分合闸操作机构，额定短路开断电流开断次数50次。
断路器额定电流选择630A。
开关柜具有充裕的电缆连接空间、完善可靠的五防联锁机构以及短路关合能力快速的合闸接地开关。
（4）低压开关柜选择
0.4kV侧采用单母线分段的接线方式，设主受柜、有源滤波柜，配出柜及分段联络柜。
本站配置2面主受柜、7面配出柜、6面有源滤波柜及1面母线联络柜。
低压柜采用GCS型抽屉柜。
进线开关采用框架断路器，具有完善的三段式保护、上下级配合功能。
出线开关根据断路器的容量，额定工作电流630A及以下的断路器，采用普通塑壳断路器。
低压断路器配置辅助触点和报警触点，以便和综自系统配合工作。
0.4kV接地系统采用变压器中性点直接接地系统，采用TN-S接地方式，接地电阻应不大于4Ω。
（5）有源滤波的选择
电动汽车充电站属于谐波源负荷，会产生谐波电流注入公用电网，影响电网电能质量水平。
因此需要采取措施抑制其谐波电流注入，以确保电能质量和电力系统的安全、经济运行。
a谐波考核标准
谐波监测点为充电设施接入点，考核标准依据GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》及GB/Z17625.6-2003《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》等规定。
b谐波治理原则
谐波治理工程应按照“同时设计、同时施工、同时验收、同时投运”的原则进行。
本设计方案采用有源滤波技术在低压母线集中补偿。
c配置原则
按照充电机在交流电源输入端产生的谐波电流含有率（取输出电压范围内的最大值），确定APF补偿电流为290A。
根据确定的补偿容量，兼顾经济性和实用性的前提下，每套APF容量增加适当的备用容量，用于无功功率的柔性补偿，确定选择每套有源滤波的容量为300A，站内供配置2套（每套3面柜）。
（6）站用电源的选择
电池更换站站用电源由0.4kV母线供电，设置双回路供电，取自不同母线，通过交流配电箱分配给站内照明、空调、风机、插座等设备供电。
直流电源系统：
选用直流屏，直流母线采用单母线接线。
直流系统充电装置采用智能化整流电源模块，具备显示、上传直流系统状态量的功能。
综合考虑保护装置、总控等需要直流电源的用电设备和不间断电源的供电设备用电需求，直流电源电池容量确定为200AH，配置2台整流电源模块及主监控、绝缘检测等装置，共需配置两面柜。
不间断电源系统：
监控系统设置不停电电源，不停电电源采用直流电源和逆变电源组成。
不停电电源的容量选择确定为3kVA。
监控系统站控层采用交流不停电电源（UPS）供电，容量确定为3kVA。
3充电系统
站内充电系统包括充电机和充电架，在设计中提出充电机的选型及相关电气性能参数、充电机与充电架的布置。
3.1充电机选型及性能参数
根据与车厂交流所得结果，见下表
电池型号
磷酸铁锂电池
单节电池
3.2V90AH
单节放电终止电压
2.5V
单节充电终止电压
3.6V
电池装箱方式
2并14串、2并8串
电池箱个数/车
10
景区内所用车辆的单箱电池电压为50V～60V，充电截止电压为55V～70V，考虑到一定的裕量，充电机电压调节范围选择为30V～90V。
单体电池容量为180Ah，成组后总容量360AH，最大充电电流在120A左右。
考虑到一定的裕量，充电机最大充电电流选择150A。
充电机的主要性能参数如下：
a工作环境温度：
-20℃～+50℃
b相对湿度：
5％～95％
c柜体防护等级：
IP54
d输入电压：
380VAC±10%,50±1Hz
e输出电压范围：
DC30V～90V
f最大输出电流：
150A
g直流输出功率：
最大13.5KW
h充电方式：
充电预处理、恒流-恒压、智能充电
i输入功率因数：
≥0.95（半载以上）
j效率：
≥90%（半载以上）
k输出电压误差：
≤1%（在电源和负载波动范围内）
l输出电流误差：
≯±1%（≥30A），≯±0.3A（＜30A）
m输出电压纹波：
≤1%
n谐波和波形畸变：
符合GB/Z17625.6-2003《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》有关要求
o平均故障间隔时间（MTBF）：
≥3000h，置信度85%
3.2充电机的布置
充电机布置在800×800×2260（长×宽×高）充电机柜内，每个充电机柜放置6台充电机。
本电池更换站共180台充电机，因此需要配置30面充电机柜。
3.3充电机主要功能
充电机具有根据电池管理系统（BMS）和后台监控系统提供的数据，动态调整充电参数、自动完成充电过程的功能。
充电机具备通过CAN接口与电池管理系统通信的功能，获得电池箱参数及充电电池的状态参数。
充电机具备通过以太网或CAN接口与监控系统通信的功能,用于将电池信息、充电机信息上传到电池更换站监控系统，并接收来自监控系统的指令。
充电机能判断电池箱是否连接正确。
与电池箱正确连接后，充电机才能允许启动充电过程。
当充电机检测到与电池箱的连接不正常时，必须立即停止充电。
充电机具有待机、充电、充满等状态指示，并将此信息送至充电架。
充电机能够显示直流电压、直流电流等必要的信息。
充电机故障时有相应的告警信息。
充电机具有实现外部手动控制的输入设备，可对充电机参数进行设定。
充电机具备交流输入过欠压保护、交流输入过流保护、直流输出过压保护、直流输出过流保护、内部过温保护等功能。
3.4充电架
带有充电接口的立体支架,可实现对电池箱进行存、充电、监控等功能。
具备符合标准电池箱要求的安装位置，具有良好的稳固性、承重能力、绝缘能力、可扩展性等，满足大规模电池箱充电和存储的需求。
电池箱连接器：
电池箱联接器插头布置在电池架的后侧，集成在充电架上，实现充电、通讯、控制等功能。
温控及报警等配件：
电池架上配置有必要的温度控制设备及报警等附件，包括风扇、烟感等设备。
电池箱状态指示灯：
指示架子中电池箱的电量状态，包括满电状态、充电状态、待充状态和待维护状态等。
充电架的重量：
500kg/列。
电池箱总成重量：
电池箱的总重加上充电架的重量。
（10个电池架为例）支撑脚数量：
11列*2，共计38个。
单个支撑点承重1100kg。
支撑脚接触面直径：
60mm。
4电池更换系统
4.1电池更换系统组成
电池更换系统是电池更换站的核心组成部分，由堆垛设备、换电设备、暂存架、电池箱以及连接器等组成。
4.2电池更换系统的边界条件
现对本设计方案的前期边界条件做界定：
（1）本方案中的堆垛设备为全自动、智能化的高精度工业机器人，要求实现无人介入、自主识别工作。
（2）本方案采取独立的换电设备与堆垛设备方式，电池的转运过程通过电池暂存架（临时存放台）实现。
换电设备与堆垛设备完成相对单一独立的工作。
（3）在完整实现电池更换的前提下，场地布局力求节约、合理、可扩展。
（4）电池箱要求：
电池箱技术参数表如下：
物理尺寸
W:
840H:
330L:
870
承载重量
300Kg
环境温度
-10～50℃
冲击负荷
50Kgf
识别方式
RFID
电池箱抓取方式为机械勾手采取硬接触方式进行推拉动作，解锁使用锲形状勾手插入进行推压解锁,电池箱开锁机构如图所示（此为Bus侧用）；另外前后各有2个小拉环，为堆垛机器人机械手使用。
根据国家电网公司《电动汽车电池更换站技术导则》和《电动汽车设计规范》的要求，平均每辆车的电池更换时间要控制在10分钟以内，考虑到实际运行中的一些不可控因素，以严格要求考虑，电池更换的净时间要控制在8分钟以内（基于单侧5箱电池计算）。
4.3换电区的平面布置
换电区沿车辆进出运行方向对称分布，中间为车辆停靠区，两侧依次分布换电机器人及其导轨，电池暂存架，堆垛机器人及电池充电存储区，靠北侧集中布置为换电站的高低压配电、APF及直流屏等设备。
4.4电池更换系统的工作流程
整个过程为：
将电动汽车开到指定位置，由机器人将汽车两侧上的电池逐个卸下，再将准备好已充满电的电池，推入汽车内，完成更换。
另一机器人将更换下的电池逐个搬入电池架进行充电。
电池更换装置示意图（以电动汽车一侧为例）
4.5电池箱及连接器
（1）电池箱
指由若干单体电池、箱体、电池管理系统及相关安装结构件（设备）等组成的成组电池，具备符合标准的电池箱结构、电池箱监控设备 （电池电压、内阻、温度、充放电电量、电池箱身份识别、充放电过程管理等）、电池箱接插件、电池箱环控设备等。
a实现防火、防水、防尘、温控、防震、动力可靠传输、容量可调、电安全防护要求等性能。
与机械、人配合可以实现抽屉式快装快卸。
力求结构简单、操作方便、使用安全。
b通用化、系列化、标准化,结构简单、操作方便、使用安全。
c实现了防火、防水、防尘、温控、防震、动力可靠传输、容量可调、电安全防护要求等性能。
d设计机械锁止机构，增加了予紧力与锁止状态观察孔，配合机械手可进行快装快卸。
性能
本方案
结论
锁止机构
机械锁止机构，具备予紧力与锁止状态反光膜观察孔，配置机械手、兼顾人工快速操作
提高了安全与方便性，提高了抗震性能，异常情况方便方便拆卸和维修
散热性
采用后置离心风机与温度显示，提高风压和流量
可与车身空调对接，实现可靠的热管理，提高前面板的密封性能
材质结构
锰钢管骨架与绝缘防腐蒙皮结构
提高电安全性和承载强度，更利于搬运和储存，避免了内箱体下支撑钣金过薄易变形的问题
电池兼容与成组紧固方法
考虑了多种电池的兼容性。
多节电池整体与内箱体紧固
可装载20度电量，减少单体电池的震动，避免连接件的松动
箱体结构
降低了内箱体高度，外箱体可与整车厂车身骨架配合，增加整体强度减少重量。
没有更多的轮系传动，减少了重量。
尺寸更合理，重量更轻
导轨与对电池的支撑
内箱体设微型定向与支撑导轨，提高了强度，外箱体设置滚轮的抽屉式传输方式
对内箱体设计了四销定位弹性锁止方法，保证电池组空间三轴方向的可靠锁止
接插件
浮动接插件
在轨道和导向机构保证下能可靠保证电力的传输
前面板安全显示功能
报警与匹配阈值设置、控制策略、相关显示及报警系统，24小时不间断蜂鸣报警、温度、绝缘及电量灯光显示、SOC的精度校正方法
新增了在前面板的显示功能
（2）电池箱连接器
蓄电池箱在换电站或在汽车上安装及运行时存在插入误差及使用中的振动，本连接器是一种在振动中能可靠连接、同时在振动时连接器具有X、Y、Z轴向位移的连接器、分离后连接器可自动恢复到初始位置的一种新型连接器。
电池箱连接器在四个角的位置使用了压缩弹簧，所以能够长期维持浮动功能，而且四个压缩弹簧可以独立准确控制各个方向压缩行程。
四个压缩弹簧还能够保证正常位置位置的复位功能，同时通过圆锥面配合，能够准确自动定心。
电池箱连接器的插座装配在内箱上，插座的安装板与内箱是浮动的，插头装在外箱上，通过导向销的导向，保证连接器能够准确插合，插合后插头和插座形成一个整体，该整体和外框形成一个整体，该整体与内箱之间是一个软连接，有一定的浮动量，在振动过程中保护了连接器及连接器的核心部件——插针和插孔。
电池箱连接器的示意图如下所示：
4.6堆垛机器人
堆垛机器人的设计是电池更换站设计的核心之一，堆垛机器人也是电池更换站中最为主要和关键的设备。
其与电池箱、电池架的配合，整体平面结构的布置，与电动车辆之间的配合、电池更换的实现方式以及整体所需时间都是设计的关键点和难点，技术要求严格。
外形尺寸：
2000mm（L）*4500mm（H）*1800mm（W）
工作半径：
1000mm
设备重量：
2000kg
设备功率：
≤20kW
导轨长度：
不小于电池架长度
地面要求：
±5mm/m，±20mm/总长
4.7换电机器人
同堆垛机器人一样，换电机器人的设计是电池更换站设计的核心之一，也是电池更换站中最为主要和关键的设备。
其与电池箱、电池架的配合，整体平面结构的布置，与电动车辆之间的配合、电池更换的实现方式以及整体所需时间都是设计的关键点和难点，技术要求严格。
外形尺寸：
2000mm（L）*1800mm（H）*1400mm（W）
工作半径：
1200mm
设备重量：
1600kg
设备功率：
≤20kW
导轨长度：
不小于暂存架和电动汽车长度
地面要求：
±5mm/m，总长±20mm
4.8暂存架
暂存架作为堆垛机器人和更好机器人交互的立体支架，具有良好的稳固性、承重能力、绝缘能力、可扩展性等，满足电池箱暂存的需求。
堆垛机器人把充电架上充好电的电池箱搬运至暂存架，并且把暂存架上待充电的电池箱搬运至充电架。
换电机器人把电动汽车上的电池箱搬运至暂存架，并且把暂存架上充好电的电池箱搬运至电动汽车上。
暂存架的物理尺寸：
为保证暂存架的容量以及操作的便捷性，本方案中暂存架设计高度为1层，共放置7个电池箱。
暂存架的重量：
1000kg。
电池箱总成重量：
300kg*7+暂存架重量。
支撑脚数量：
16个，单个支撑点承重150kg。
支撑脚接触面直径：
60mm。
暂存架的示意图如下所示：
4.9应急电池更换方案
为了保证电池更换站运行的长期稳定、可靠，保障在换点电设备发生意外故障停运或换电站内停电无法运行等突发情况下依然可以进行换电服务，需要设计应急电池更换方案。
在本方案设计中，提出手动应急电池更换方案：
a为换电机器人提供双路工作电源，换电机器人可以实现自动电源切换功能。
b换电机器人和电池堆垛机可以切换至遥控模式下，可以使用遥控或操作机构完成人为控制下的换电过程。
c将配置4台手动换电装置，3台手动堆垛装置，2个应急暂存架保证在全失电情况下可以完成全手动方式的换电。
4.10换电区的安全防护
半自动（手动）电池更换设备采用机械助力方式，单人可轻松快捷完成电池箱的更换，该设备提供了一种低成本的电池箱更换方案，可用于电池配送站、电池更换站等应用场合。
（1）功能特点：
a体积小巧坚固，采用液压助力机构，灵活易用；
b具有助力操作解锁机构，使电池箱取出操作简单易行；
c设置可前后移动的操作平台，便于和电动汽车电池箱对位、存取；
d操作平台设置锁定机构，确保搬运操作过程中的设备安全。
（2）技术参数：
a升降动作：
速率0.05米/秒；
b有效工作高度：
350-950mm；
c有效负载：
300公斤。
4.11换电区的安全防护
本设计方案中的电池堆垛机器人的自动化程度高，运行速度快，需要措施来保证设备和人身的安全：
（1）在主要设备工作场地四周设置防护的围挡和提示标志。
（2）换电工作场地的门安装自动感应装置，在发现门在换电设备工作时候开启，换电设备就会启动保护功能，停止工作，起到防误保护功能，
4.12电池检测与维护设备
根据本站内电池箱数量及更换站间运行安排，综合考虑更换站规模、人员配置等因素，确定本电池更换站配备1套电池箱检测与维护设备，设置专门的电池检测与维护间，以放置电池检测与维护设备，并进行电池的保养、实验、检测工作。
检测与维护设备能重新标定单体电池实际容量，最大误差不超过±5％。
检测与维护设备能检测单体电池内阻，最大误差不超过±5％。
检测与维护设备能检测电池箱和单体电池绝缘性能，最大误差不超过±5％。
检测与维护设备能对电池箱中的单体电池进行单独充放电，从而实现对单体电池的维护操作。
5监控系统方案
5.1电池更换站综合监控后台
（1）后台构成
电池更换站监控后台由1台服务器及5台工作站组成，服务器与工作站之间通过以太网络互联。
电池更换站监控系统作为电池更换站自动化系统的核心，主要包括电池更换站监控后台、充电机控制系统、配电系统监控、电池更换监控系统、计量计费系统、安防系统及通讯管理机等。
电池更换站监控后台主要完成采集、处理、存储来自充电机及配电系统的数据，提供图形化人机界面及语音报警功能，完成系统的数据展现及下发控制命令，用以监控充电机及配电系统的运行；除配电站监控SCADA功
升级会员 