大功率風光互補智能充電樁的設計研究適用于高速公路

　　劉丹
 

　　安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
 

　　摘要：為解決新能源汽車長途出行用電不足難題,將風能、光能互補轉化為電能作能源輸入,提出了依托高速公路的設計方案,并研究和完善風光互補智能充電樁設計。該設計在沿海等風能儲備充足空間適宜的高速路段架設風力發(fā)電機,在高速服務區(qū)建設充電終端,終端擁有人機交互界面,后臺遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能,提供更加智能、便捷的新能源汽車充電服務。
 

　　關鍵詞：高速公路;新能源汽車;風光互補;智能化;充電樁
 

　　一、研究背景
 

　　隨著化石能源儲量日漸減少,環(huán)境問題也不斷地凸顯,新能源汽車以其環(huán)保、節(jié)能的*優(yōu)勢得到人們的認可,但是作為新型技術產業(yè),存在一定的發(fā)展阻力,而如何提高新能源汽車的續(xù)航性能應屬于較需攻克的難題了。在解決新能源汽車續(xù)航問題上,我國不斷加快建設公共新能源汽車充電樁。用電能去取代化石能源,這真的是*嗎,將燃燒化石能源的直接碳排放,改為電能生產的間接排放,這樣的新能源汽車依舊不是“綠色”的。這時就需要一套更加綠色、環(huán)保的供能系統(tǒng),去保證能源輸入的清潔性。在東部沿海及西北部等地區(qū),風能儲備充足,而在城際間的大部分高速路段空間充足,具備架設風力發(fā)電設備的條件,汽車連續(xù)地高速行駛形成的空氣流動,在一定程度上也為風電設備提供了動力輸入。在城際間的高速路段建設新能源汽車充電設備,保證能源輸入的情節(jié)性,同時也提高了新能源汽車的續(xù)航性能。
 

　　二、設計方案
 

　　1、供電系統(tǒng)
 

　　風能、光伏發(fā)電系統(tǒng)是整個設計重要組成部分,主要經(jīng)過風力發(fā)電機、光伏發(fā)電板組發(fā)電通過充電裝置穩(wěn)壓、限流后儲存在高速服務去的蓄電站中。風力發(fā)電機和光伏發(fā)電板組的分布示意圖如圖1所示,高速公路兩行車道之間綠化帶中安置垂直軸風力發(fā)電機,其中安置密度需對高速周圍空間、風能儲備情況、車流量等進行數(shù)據(jù)分析來確定風力發(fā)電機的安裝密度。根據(jù)行車的高度限制、風力大小來確定安裝風機的高度及使用風機的規(guī)格、大小。行車道兩側可安置光伏發(fā)電板,根據(jù)植被的生長需要,選擇光伏板發(fā)電板的規(guī)格及安裝高度、密度。
 

圖1分布示意圖
 

　　2、充電終端
 

　　高速公路的服務站點可安置新能源汽車充電樁,經(jīng)配電室配送至每個充電樁位。充電終端由小型風力發(fā)電機、光伏發(fā)電板組、充電樁三部分構成,風力發(fā)電機、光伏發(fā)電板組為系統(tǒng)提供更多的電力輸入。高速服務站點可根據(jù)場地需要,建制圖2橫向停車位充電終端和縱向停車位充電終端。充電終端以MCU為主控單元,包含充電口檢測、網(wǎng)絡通信及儲存單元等基本電路,具有電壓電流檢測、充電槍口溫度檢測、緊急停用等功能,同時提供顯控觸摸人機交互界面,支持二維碼快捷支付,使用者可以通過手機小程序查看充電狀態(tài),充電終端也會將充電數(shù)據(jù)反饋給服務后臺,保證充電樁的安全使用。
 

圖2橫向停車位充電終端
 

　　三、實現(xiàn)功能與展望
 

　　完整的充電系統(tǒng)包含供電系統(tǒng)和充電終端兩大部分,其中需要風力發(fā)電機組、光伏發(fā)電機組、蓄配電室、監(jiān)控室、充電區(qū)、維護室等六部分組成。根據(jù)充電使用電量及發(fā)電組的發(fā)電量的數(shù)據(jù)分析,配電室應具備給予充電終端220V市電配送的功能,以防止東南沿海等地區(qū)連續(xù)陰雨天氣的出現(xiàn),導致供電不足情況的發(fā)生。監(jiān)控室實時監(jiān)控發(fā)電機組的發(fā)電量以及地區(qū)的天氣數(shù)據(jù)、充點終端運行情況,并完成管理情況的報表打印等。
 

　　隨著硅材料光伏發(fā)電板技術的不斷創(chuàng)新與發(fā)展,發(fā)電效率將逐步提高,發(fā)電量也會不斷增多,四通八達的高速網(wǎng)路也將建立起新能源的發(fā)電網(wǎng),分布式的風光電站將過多的電量并入電網(wǎng)。充電終端逐漸的普及,可在城鎮(zhèn)中建起小型的公共充電站,再一次對新能源汽車的續(xù)航性能作再一次的提升,來適應市場的需求,刺激新能源汽車的新一輪發(fā)展。
 

　　四、安科瑞充電樁運營管理平臺
 

　　1、系統(tǒng)架構
 

　　安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。
 

　　充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體功能如下：
 

　　資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。
 

　　交易結算：充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表
 

　　用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理
 

　　充電服務：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等
 

　　微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能
 

　　數(shù)據(jù)服務：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析
 

　　變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進行調度管理，即當負荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。
 

　　2、平臺功能
 

　　2.1平臺登錄
 

　　在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。
 

2.2平臺首頁
 

       2.3實時監(jiān)控

 

　　l 充電站監(jiān)控
 

　　充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進行負荷限制、故障查詢。
 

l 充電槍監(jiān)控
 

　　充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。
 

       2.4微信小程序

 

　　l 搜索與使用
 

　　微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示
 

l 授權登錄界面
 

　　用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面，需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：
 

l 主功能頁
 

　　初次進入主功能頁時需要授權定位才可以使用地圖相關功能，在地圖上查看到當前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導航等。
 

l 充電
 

　　掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進進行評價。
 

l 個人信息
 

　　個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能
 

       3、硬件配置

 

　　3.1平臺服務器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。
 

　　推薦硬件配置清單：(如申請阿里云可忽略)
 

若客戶自己租用阿里云服務器，服務器配置根據(jù)充電槍點數(shù)的不同，分別如下：
 

　　3.2現(xiàn)場推薦硬件配置清單：
 

       五、安科瑞限流式保護器的介紹與選型

 

　　1、限流式保護器的設計
 

　　電氣防火限流式保護器可克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關和監(jiān)控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發(fā)生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現(xiàn)滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和財產的安全。
 

　　安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態(tài)開關，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(微斷)。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關的斷開是一種機械運動過程，分斷時間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開時通常伴隨有電弧的產生。而固態(tài)開關的斷開則是依靠半導體內部的載流子運動實現(xiàn)，分斷時間微秒級，速度快，無電弧產生。
 

　　如圖1所示，當發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態(tài)開關則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。
 

圖1短路故障前后電流與時間關系圖
 

　　從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開關與固態(tài)開關在短路時所釋放的能量差別可以達到數(shù)千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發(fā)生短路故障時，就可以避免電弧的產生，從而降低了電氣火災。
 

　　2、ASCP200-1功能特點
 

　　ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，較大額定電流為63A。主要功能如下：
 

　　A)短路保護功能，線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內實現(xiàn)快速限流保護；
 

　　B)過載保護功能，線路持續(xù)過載時，保護器限流保護；
 

　　C)表內超溫保護功能，保護器內部器件工作溫度過高時，保護器限流保護；
 

　　D)過/欠壓保護功能，線路欠壓或過壓時，保護器告警或限流保護(可設)；
 

　　E)電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報警設定值時，保護器告警或限流保護(可設)；
 

　　F)漏電流監(jiān)測功能，線路漏電超過報警設定值時，保護器告警或限流保護(可設)；
 

　　G)通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監(jiān)控軟件或平臺，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
 

　　3、ASCP200-1技術參數(shù)
 

       4、應用方案圖示

 

　　ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關下端，額定電流值根據(jù)入戶開關的具體規(guī)格進行設置，典型應用示意圖如圖2所示：
 

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖
 

　　5、使用注意事項
 

　　在選用限流式保護器時，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。
 

　　ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質，并注意環(huán)境溫度和通風散熱。
 

　　為確?？煽窟B接，接線時應按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實。
 

　　保護器內部帶有交流電，嚴禁非人士擅自打開產品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發(fā)生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。
 

　　當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風散熱不良等原因導致，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。
 

　　六、結束語
 

　　節(jié)能是未來汽車發(fā)展的新方向,新能源汽車成為市場新的經(jīng)濟增長點。充電樁等基建設備的完善,勢必會促進新能源汽車的新一輪發(fā)展。同時風、光發(fā)電從技術層面上有一定局限性,這勢必會阻礙新能源汽車充電設備的發(fā)展,但也為該設計的生產開發(fā)明確了研究方向。隨著新能源科技的不斷發(fā)展,能源利用效率的逐步提高,新能源汽車的諸多問題終會被解決。
 

　　參考文獻
 

　　[1] 黨改慧.中國新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀[J].汽車實用技術,2018(16):7-8
 

　　[2] 陳旭根，滕道祥，胡士邁，張雯，徐奉娣.適用于高速公路的大功率風光互補智能充電樁設計研究
 

　　[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版