电动汽车充电站充电设备方案

郑州85路公交电动汽车充电站
充电设备方案
河南龙源许继科技发展股份有限公司
2010-04-02
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一．项目背景
1.1车辆概况
郑州公交公司建设一条85路纯电动公交线路，起始站设在郑东新区新客站（商都路与东风路交叉口），终点站为郑州火车站。

公交车型为宇通纯电动空调客车，车长11.6米，宽2.5米，转弯半径12米。

公交线路往返里程为28公里，运营车辆共20辆，每辆车一天最大行驶里程为200公里。

1.2动力电池
宇通电动客车动力电池采用磷酸铁锂锂离子电池，电池额定容量为500Ah ，单只额定电压为3.2V ，最高充电电压为3.6V 。

动力电池整组180只，额定功率为288kWh ，电池额定充电电流为0.3C ，循环充放电次数为1000次。

动力电池总重3吨，采用分箱安装。

1.3运营概况
表1-1 运营线路
起始站 终点站
单程里程
双向发车 平均速度 运行时间 郑东新客站
火车站 14公里
是
15km/h
1小时
表1-1 运营计划
分类 时段 发车间隔
运营车辆
峰段 6:30-8:30
17:30-19:30 平均6分钟 20辆 谷段
其它时间
平均7～10分钟 12～18辆
二．充电系统建设方案
2.1充电模式选择
该充电站设有两个充电区：站区综合楼前充电区和公交停车场专用充电区，
在站区综合楼前充电区配置交流充电桩，满足带车载充电机的电动汽车加电需求，展示电动汽车充电设施的社会示范效应；在公交停车场专用充电区配置直流充电桩，利用综合楼内的非车载充电机在电动汽车夜间停运时间进行“整车集中充电”的模式，满足85路公交纯电动大巴的加电需求。

2.2充电设备布置
充电站站址在郑东新区商都路与站南路交叉口西南角，站区面积10611m 2，合15.917亩，站区布置如图2-1所示。

图2-1 充电站布置图
充电设备的布置由三部分组成：
1、在站区综合楼前充电区布置10台交流充电桩。

2、在公交停车场专用充电区布置14台直流充电桩。

3、在站区综合楼低压配电室布置13台充电机和1台充放电机。

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2.3充电设备技术方案
1、交流充电桩
主要功能指标
a)充电桩壳体可提供不锈钢板或冷轧钢板防腐处理及表面喷涂工艺，满足
室外应用环境，防护等级IP54；
b)配置车辆充电连接器，充电接口定义如图2-2所示；
c)充电连接器接口满足AC220V/32A的交流供电能力；
d)配置触摸屏，可设定定电量、定金额、自动等充电方
式，显示充电方式、时间、电量及计费信息；
e)配置急停开关，能快速切断充电桩交流输入电源；
f)配置交流智能电能表，准确度等级为0.5S级，可将
计量信息上传给用电采集终端和充电桩控制器。

g)充电桩控制器获取智能电能表计量信息，可完成充电
计费和充电过程的联动控制；将用户信息、设备状态
信息和交互指令上传给后台监控系统，获取并执行后
台监控系统的控制命令；
h)配置读卡器，支持IC卡预付费方式；充电桩高度可选1.3～1.6米
i)具备充电接口连接状态判断与联锁功能；
j)具备交流输出漏电保护、过流保护及告警功能；
k)满足《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》中对交流充电桩技术指标的要求。

图2-2 交流充电桩充电连接器接口定义
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充电交易流程
图2-3 完备的电动汽车充电刷卡交易流程
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2、 非车载充电机 充电机方案选择
高频开关整流充电机由三相全桥AC/DC 整流器、DC-DC 变换器（包括高频DC/AC 逆变器、变压器和AC/DC 整流器）、LC 滤波器、PWM 驱动与调节系统、充电控制系统组成，其原理框图如图2-4所示。

直流输出
DC/DC变换器
图2-4 高频开关充电机原理框图
全桥AC/DC 整流器将输入交流电进行整流，得到与交流电不隔离的直流电给后级的DC/DC 变换器，DC/DC 变换器由PWM 驱动与调节系统控制输出与交流侧电气隔离的脉动直流，经LC 滤波获得稳定的直流电压。

充电控制系统实现与电能计量表计、电池管理系统、人机交互终端和充电监控系统的通信，完成充电机的充电控制，满足电动汽车动力电池的充电要求。

高频开关整流充电机采用MOSFET 或IGBT 高频开关功率器件实现AC 到DC 的功率转换，易于实现高精度输出电压和电流的控制，满足电动汽车锂离子动力电池高精度安全充电要求。

由于采用了PWM 高频控制技术，充电机的效率大大提高，体积也大大缩小，同时可实现模块化设计和多模块并机热备份工作，且多模块自主均流，支持热插拔，系统可靠性高，易于维护，适用于电动汽车高效率及各种输出功率的充电要求。

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按输入全桥AC/DC 整流器的功率因数校正技术区分，高频开关整流充电机分为无源校正型和有源校正型两种。

A、无源校正型高频开关整流充电机
无源校正型高频开关整流充电机的输入AC/DC整流器采用三相普通二极管整流，经LC滤波校正后提供给后级的DC/DC变换器。

其输入功率校正电路是采用无源LC器件，充电机的输入功率因数可以达到0.93以上，但是其谐波电流总畸变率（THD-I）很大，达到25％以上。

无源校正型高频开关整流充电机的输入整流电路简单，技术相对成熟，工作稳定，性价比高，但谐波干扰大，对电网污染严重，在充电站供电系统需要集中安装有源滤及无功补偿装置（APF）。

B、有源校正型高频开关整流充电机
有源校正型高频开关整流充电机的输入AC/DC整流器采用三相PWM整流，经电容滤波后提供给后级的DC/DC变换器。

其输入功率校正电路是采用有源可控的开关器件，充电机的输入功率因数可以达到0.99以上，谐波电流总畸变率限制在3％以内，对电网污染很小，在充电站供电系统无需集中安装有源滤波及无功补偿装置，或者只需安装较小容量的有源电力滤波器，节约充电站配电系统设备的投资。

如前所述，充电机的原理拓扑结构有多种，在综合考虑充电机的性能参数的基础上，结合充电站的运行特点，电动汽车非车载充电机的选择应优先考虑采用有源校正型高频充电机。

许继有源校正型高频开关充电模块的技术优势
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许继ZCD11充电机系统原理方案
如图2-5所示，ZCD11高频开关充电机的硬件采用模块化设计方案，系统包括计量表计、充电模块、充电控制模块及人机交互界面等功能单元。

图2-5 ZCD11高频开关充电机系统框图
计量表计根据充电站计量计费系统的建设要求配置智能电能表。

高频开关充电模块输出功率设计为10kW ，采用12个同种规格的充电模块并联工作，形成满足120kW 输出功率的整体充电机。

充电控制模块是充电机的中央控制系统，具有通信、输入和输出I/O 接口，实现与计量表计、充电模块、人机交互界面、电池管理及充电监控系统的通信，完成充电机的数据处理与充电控制。

人机交互界面提供系统显示和手动控制的输入设备（液晶触摸屏），显示充电机的充电、告警和输入信息，设定充电机的工作参数。

高频开关充电模块是充电机的功率单元，采用ZCD10系列有源校正型高频开关整流充电模块，它的硬件方案说明如下。

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ZCD10有源校正型高频开关整流充电模块的输入采用PWM 整流，其硬件主要包括输入电感、三相PWM 整流、PWM 开关功率变换器、高频变压器、输出整流桥、LC 滤波器以及采样、控制、调节和监控单元。

有源校正型充电模块的电路拓扑结构如图2-6所示。

交流
输入
图2-6 ZCD10有源校正型充电模块电路拓扑结构
ZCD11充电机主要功能指标 a) 交流输入电压：380V±15％； b) 交流电源频率：50±1Hz ； c) 输入功率因数：≥0.99； d) 谐波电流总畸变率：≤3％； e) 满载工作效率：≥94％； f) 最大输出功率：120kW ； g) 直流输出电压：360V ～680V ； h) 直流输出电流：5A ～160A ； i) 输出稳压精度：≤0.5％； j) 输出稳流精度：≤1％； k) 输出纹波系数：≤0.5％； l) 工作噪声：≤55dB ；
m) 满足室内应用环境，防护等级不低于IP32；
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n) 满足《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》中对充电机功能
的要求；
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o) 配置交流智能电能表，准确度等级为0.5S 级，可将计量信息上传给用电
采集终端和充电机控制器；
p) 充电机控制器获取智能电能表计量信息，可完成充电计费和充电过程的
联动控制；将计量计费、充电机工作信息传送给直流充电桩，获取直流充电桩上送的用户信息并执行上送的交互指令。

ZCD11充电机柜尺寸
每台充电机由两面2260X800X600标准机柜组成。

3、 直流充电桩
a) 直流充电桩壳体可提供不锈钢板或冷轧钢板防腐处理及表面喷涂工艺，
满足室外应用环境，防护等级不低于IP54；
b) 直流充电桩一桩配置两套车辆充电连接器和电缆，可满足同时连接两辆
电动汽车并自动完成切换充电；充电连接器的接口定义如图2-7所示。

c) 大、中、小型标准充电机充电连接器接口分别满足DC550V/400A 、
DC550V/200A 、DC400V/100A 的直流供电能力；公交专用充电机充电连接器接口满足DC750V/200A 的直流供电能力；
d) 配置触摸屏，可设定定电量、定金额、自动等充电方式，显示充电方式、
时间、电量及计费信息；
e) 配置急停开关，能快速切断充电机交流输入电源； f) 配置读卡器，支持IC 卡预付费方式；
g) 具备完善的通信功能，可将用户信息和交互指令上传给充电机控制器，
获取充电机控制器传送的计量计费、充电机工作设备状态、连接状态、充电方式、充电电压、充电电流等信息。

h) 直流充电桩的外形尺寸为1600X600X600。

图2-7 直流充电桩充电连接器接口定义
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许继电动汽车充电站整体解决方案综合实力分析
一、 概述
电动汽车充放电站的发展对于实施国家能源建设，促进节能减排有着非同寻常的意义，许继集团很早便开始了电动汽车充放电站的研究，在充分考虑了目前中国电动汽车充放电站建设所面临的问题，以及未来发展需要的条件下，设计并开发了EVC-8000充放电站系统，该系统具备以下五个特点：
是以“电网能量统一管理”为基础的，具有三级结构的一个完整充放电站的自动化系统，为“将充放电站真正建设成坚强智能电网的重要组成部分”提供技术保障；
提供安全、高效的电动汽车充放电设备及其相关控制，免除用户后顾之忧，满足未来技术发展的需要；
系统包含有完备的计量计费流程，以及全面的自动化管理功能，降低充放电站的运营成本；
分散式与集中式兼顾的充电站谐波治理措施，确保系统可靠运行，避免对电网造成污染；
将充电站相关的“供配电”、“充放电”、“计量计费”、“安防及辅助设施”等各部分有机融合在一起进行综合控制与管理，完成系统高级应用，降低建设成本。

最近两年，许继集团参与的智能电网研究和充电站建设项目包括： 上海世博园区电动大巴充电站――9kW 和30kW 非车载充电机； V2G 技术在世博智能电网中的应用展示――30kW 双向充放电装置； 上海漕溪公共示范充电站――MW 级电池储能系统150kW 双向变流器及80kW 非车载充电机。

郑州日产电动汽车充电站――交流充电桩和30kW 非车载充电机。

二、 许继的技术优势
许继集团作为我国电力装备行业的大型骨干和龙头企业，产品覆盖电力系统一次及二次装备、交流及直流装备领域，是国内综合配套能力最强、最具竞争力
的电力装备制造商及系统解决方案提供商。

在智能电网领域，许继集团很早就开展了充电站技术的系统研究，掌握有核心的电池充放电控制技术，参与国家电网公司电动汽车充放电装置技术标准的制订，获得了从充电站的建设与运营模式、谐波治理方法、充放电控制策略、充电站与电网之间的能量协调管理等研究成果，开发出涵盖了充放电站建设的一二次配电设备、谐波治理设备、充放电设备、监控与计量计费管理系统的整体解决方案。

EVC-8000充电站综合控制与管理系统是许继集团充分考虑了目前中国电动汽车充电站建设所面临的实际问题及未来发展的需要，将供配电、充放电、计量计费、安防等部分有机融合在一起的、专门应用于电动汽车充电站的综合自动化系统，并为用户提供了多种典型建设方案，满足不同运营需求。

三、许继EVC-8000解决方案
EVC-8000是实现电网系统能量的统一管理，相关设备协调配合，确保每个充放电单元安全高效运转的，一个完整的充放电站自动化系统。

EVC-8000系统涵盖了“每个充电单元的设备及其监控子系统”，“站级的相关设备及其综合控制与管理子系统”，直到“区域级的，包含了多个充放电站的集中统一管理系统”，从而形成的一个具有“三级结构”完整的充放电站自动化系统。

图1 EVC-8000系统三级结构示意图
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3.1 智能充放电单元监控（第一级）
充放电单元包括了“充放电的功率模块”、“车辆电池及其管理系统（BMS ）”、“电能仪表（SM ）”、“用户交易终端”、“与车辆电池的连接器”等相关设备。

EVC-8000系统通过“智能充放电单元控制”来实现这一层面的智能监控，利用“EVC-SCD10智能充放电控制器”对这些设备进行数据采集和数据处理，并通过与站级系统后台的有效交互，智能充放电控制器能够根据来自就地或站级系统的充放电工作参数与运行模式设置，结合实际SOC 数据，完成充放电过程的智能化调节与控制，确保充放电过程的安全与高效。

图2 EVC-8000智能充放电单元控制结构图
3.2 站级综合控制与管理（第二级）
供配电建设配电变压器配电柜谐波治理保护测控装置
站用电配置
快速更换设备
电池充电架交流充电桩
直流充电机
直流充放电机
烟光传感器
摄像头录像机
门禁系统
报警装置
GPS对时装置消防设施增值业务远程服务站内其它设备
充放电设备安防系统配套设施
电能采集终端三相电能表单相电能表用户交易终端自助售电终端
计量计费
图3 EVC-8000站级综合控制与管理结构图
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采用抽象数据模型，对配电二次设备、充放电机及其人机交互终端、计量计费、谐波治理设备、安防设施数据等运行信息进行统一的数据描述，将充放电站相关环节的实时监控有机融合在一起，而不是相互割裂的独立系统，综合配电容量、实时的供配电质量（电压、电流及其谐波）与当前充电设备的运行工况，对站内各充放电设备的运行参数和工作状态进行智能化调节，实现站级的综合控制与管理。

3.3 区域充放电站统一管理（第三级）
从电网能量的统一管理出发，针对区域内诸多充放电站同时运行的特点，根据系统能量分布和整体调度的要求，对相关充放电站进行集中管理，并提供包括“电池远程巡检”、“城区电动汽车调度与维护”、“门户网站的预约和浏览”等增值服务。

图4 区域充放电站统一管理
将为数众多的电动汽车动力电池作为在一定程度上可计划使用的储能设备，为实现充放电站与整个电网的有效互动和V2G提供各种运营策略，使得充放电站能够真正成为坚强智能电网的一个重要组成部分。

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四、充电站综合技术实力比较
充电站的系统复杂，一个完整的充电站涵盖配电设备、充电设备、监控设备、计量计费及其它配套设施，充电站的建设不但要满足各种电动车辆的充电需求，还要满足不同的运营需求，因此应将其各部分统一设计，并综合控制与管理。

除此之外，还必须很好地规划充电设施的布点，协调充电设施与电网的关系，实现充电站与电网能量的有效互动和统一管理，达到国家电网“把充电设施建设成为坚强智能电网的重要组成部分”这一战略目的。

秉承“做一流的电力装备制造商和一流的电力装备系统集成商”这一理念，许继集团为电动汽车充电设施的建设提供“交钥匙”工程，为电动汽车充电设施的建设与运营提供“一站式”服务。

图5 许继EVC-8000电动汽车充电站完整装备
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电动汽车充电站整体解决方案实力对比
设备情况 综合技术实力 对比参考项目 许继集团
南瑞科技 珠海泰坦 充电模块是否自主研发制造
是
无充电模块技术外购配套
是
充电模块运行经验 在电力系统近
5万台运行经验
市场占有率30％
极少量 在电力系统近 2万台运行经验市场占有率10％充电模块输入 功率校正技术 三相PWM 整流功率因数＞0.99
二极管整流 功率因数＞0.9 单相PFC 电路 功率因数＞0.98充电模块高频 开关变换技术
PWM 全范围软
开关变换，工作可靠性高，工作温升低，EMI 干扰小，满载工作效率＞94％。

PWM 硬开关变换加吸收，工作可靠性差，工作温升高，EMI 干扰大，满载工作效率＞90％。

PWM 非全范围软开关变换，工作可靠性一般，工作温升较高，EMI 干扰较大，满载工作效率＞92％。

电磁兼容性能 通过GB/T17626全部11项试验，谐波电流畸变率＜5％，绿色无污染。

通过GB/T17626其中4项试验，谐波电流畸变率＞20％，对电网污染严重。

通过GB/T17626其中4项试验，谐波电流畸变率＞5％，对电网有一定污染。

三防处理
防尘隔离风道，
全部PCB 经三防
处理，绝缘性能
好，可靠性高。

PCB 无三防处理，绝缘性能一般，可靠性一般。

PCB 无三防处
理，绝缘性能一
般，可靠性一般。

充电模块并联 均流性能 ≤±3％（10％～100％负载） ≤±5％（50％～100％负载） ≤±5％（50％～100％负载） 输入电压范围
-20％～＋20％电网波动 -15％～＋15％电网波动 -15％～＋15％电网波动 关键元器件
开关管和快恢复二极管选用德国IXYS 公司产品；
电解电容选用日
本CHEMICON 或NICHICON 的105℃电容。

电解电容选用国产85℃电容。

电解电容选用国
产85℃电容。

充电设
备 综合评价
通过以上对比可以看出许继的高频开关充电模块性能最优，宽输入电压适应范围，高稳压和均流精度，高可靠性和稳定性，以及绿色、环保、节能，从一九九六年至今，许继已有6万多台套充电模块在国内电网安全可靠地运行，有良好的记录和丰富的运行经验。

17也是目前国内电力操作电源品种规格最全，产量最大的专业生产企业。

设备情况
综合技术实力 对比参考项目 许继集团 南瑞科技 珠海泰坦 干式变压器
自主研发制造 无 无 10kV 高压开关柜 自主研发制造 无 无 0.4kV 低压开关柜 自主研发制造 无 无 有源电力滤波器 自主研发制造 无 无 保护测控装置 EVC800系列 自主研发制造 DSA 系列
自主研发制造
无
配电设
备
综合评价 通过以上对比可以看出许继集团可以提供完整的充电站配电系统解决方案。

设备情况
综合技术实力 对比参考项目 许继集团 南瑞科技 珠海泰坦 充电监控系统 自主研发制造 自主研发制造无 配电监控系统 自主研发制造 自主研发制造无 计量计费系统 自主研发制造 无 无
监
控
系
统 综合评价
通过以上对比可以看出许继集团可以提供完整的充电站监控系统解决方案。

总之许继在充电站的技术实力和配套能力最强，可以提供充电站配电系统、充电系统、监控系统和计量计费系统完整的解决方案。

而南瑞科技只能提供单一的充电站监控系统设备，珠海泰坦也只能提供单一的充电系统设备。

对于充电站的核心设备－充电机，许继的技术实力是国内最强的，这一点已在上海世博园充电站得到充分的体现。

许继从2009年9月接到上海世博园充电站充电机的开发任务，仅用三月的时间就完成了产品的试制、中试和定型全过程，并于2010年1月20号按时交货252台充电机，现在上海世博充电站已完成全部调试任务，正在进行试运行，保证了上海世博充电站的正常运营。

对于另外一家充电机的供应商，到目前为止充电机还没有完全交付用户。