李宏剛，潘景宜

鐵路綜合交通樞紐電動汽車充電樁系統(tǒng)設(shè)計

李宏剛1，潘景宜2

(1.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142；2.珠海泰坦科技股份有限公司，廣東 珠海 519015)

在綜合交通樞紐的快速發(fā)展和新能源汽車迅速增長的背景下，系統(tǒng)地分析了已建成的綜合交通樞紐的功能定位及空間布局，提出綜合交通樞紐的新能源電動汽車的充電方案及配電系統(tǒng)計算。從鐵路綜合樞紐內(nèi)的公車樞紐、社會公共停車場、出租車停車場等重點區(qū)域停放電動汽車的充電需求入手，結(jié)合每個停車區(qū)域的停車數(shù)量或規(guī)劃的公交路線、停運時間、最大充電時間，針對性地分析了公交車輛、私家車、出租車、社會車輛的充電方式，計算出充電樁數(shù)量，提出充電計費方式和配電系統(tǒng)設(shè)計方案。研究結(jié)果表明，該方案指導(dǎo)了鐵路綜合交通樞紐內(nèi)的電動汽車充電樁的系統(tǒng)設(shè)計，優(yōu)化了充電系統(tǒng)供電方案，控制了綜合樞紐的建設(shè)投資和運營成本。

鐵路綜合交通樞紐；電動汽車；充電樁；空間布局；配電設(shè)計

0 引言

根據(jù)國務(wù)院《關(guān)于印發(fā)“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃的通知》、《關(guān)于印發(fā)“十二五”綜合交通運輸體系發(fā)展的通知》以及國家發(fā)展改革委《關(guān)于印發(fā)促進綜合交通樞紐發(fā)展的指導(dǎo)性意見的通知》，集鐵路、公交、地鐵、飛機等交通運輸工具于一體的綜合性交通樞紐得到了快速發(fā)展，各省地級以上城市均已建成或正在建設(shè)綜合交通樞紐，實現(xiàn)了軌道交通、地面公共交通、鐵路等交通工具的零距離換乘的要求[1-2]。

根據(jù)《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》和《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015—2020年)》，明確要以純電動驅(qū)動為新能源汽車的主要戰(zhàn)略方向，電動汽車充電服務(wù)設(shè)施要滿足以使用者居住地、駐地停車位配建充電設(shè)施為主體，以城市公共停車位、路內(nèi)臨時停車位配建充電設(shè)施為輔助，以城市充電站、換電站為補充的發(fā)展方向。2015—2020年，新增超過430萬個用戶專用充電樁和50萬個分散式公共充電樁[3]。

本文根據(jù)國家關(guān)于電動汽車的發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合綜合交通樞紐的空間布局和建筑形態(tài)，對鐵路樞紐內(nèi)的公交停車場、社會停車場、出租車場等重點區(qū)域的充電樁配置、電費計量、配電設(shè)計等問題進行研究，適應(yīng)樞紐內(nèi)電動汽車的要求，滿足快速發(fā)展的城市電動汽車發(fā)展需求。

1 鐵路綜合交通樞紐的空間布局

全國城鎮(zhèn)體系規(guī)劃(2006—2020年)系統(tǒng)地提出了綜合交通樞紐，明確建立全國綜合交通樞紐體系，促進多種交通方式的有機銜接。綜合交通樞紐系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 鐵路綜合交通樞紐系統(tǒng)圖

目前，國內(nèi)已建成了北京南站、上海虹橋站、南京南站、天津站、天津西站、沈陽南站等許多以鐵路車站為中心的綜合交通樞紐，將軌道交通、公共交通、私人交通、鐵路運輸?shù)榷喾N運輸方式緊密結(jié)合在一起，實現(xiàn)了零距離換乘和無縫化銜接的旅客出行方式[4]。建成的鐵路綜合交通樞紐，一般情況下，在地面層設(shè)置了城市公交站和長途客運站，在地下分別設(shè)置了軌道交通車站、私家車和行政用車的社會車輛停車場、出租車場，用于滿足不同層次、不同結(jié)構(gòu)的旅客出行需求。 鐵路綜合交通樞紐空間布局如圖2所示。

圖2 鐵路綜合交通樞紐空間布局示意圖

本文根據(jù)國務(wù)院《關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》和國家發(fā)改委《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015—2020年)，結(jié)合國內(nèi)電動汽車的技術(shù)發(fā)展和綜合交通樞紐內(nèi)的空間布局，分別對樞紐內(nèi)的城市公交站、社會車輛停車場、出租車場、私家車場等?？侩妱悠嚨膱鏊M行充電樁系統(tǒng)研究[5-7]。

2 城市公交站充電樁系統(tǒng)設(shè)計

鐵路綜合交通樞紐一般依托于高鐵車站，在城市規(guī)劃中屬于地標(biāo)性建筑物或位于城市中心區(qū)域，因此在鐵路綜合交通樞紐的公交站的設(shè)計上一般存在兩種形式：一種樞紐內(nèi)設(shè)置停車場，用于始發(fā)車輛的?？亢途S護；一種樞紐內(nèi)不設(shè)停車場，所有公交車在綜合交通樞紐里只作為中間?？空?，夜間停車在終點站的停車場內(nèi)。

2.1 設(shè)停車場的公交站充電樁設(shè)計

2.1.1充電樁計算[8-21]

2.1.2供電方案

(1) 負(fù)荷分類及供電要求

由于中斷供電，會影響公交車的正常運營，影響旅客的正常出行，在一定范圍內(nèi)造成社會公共秩序混亂，故綜合交通樞紐內(nèi)的公交車場的充電樁負(fù)荷等級按二級負(fù)荷配電，宜由樞紐內(nèi)的供電系統(tǒng)接引兩回獨立的高壓電源供電，每回供電線路應(yīng)滿足100%負(fù)荷的供電能力。

(2) 負(fù)荷計算

2.1.3計費方案

計費方式的選擇，與電動公交車的組織方式有很大關(guān)系。常用的組織方式有兩種，一種是以經(jīng)濟考核單元體為單位，固定停車位及充電樁位置，電費計量；一種是混合充電，不固定充電位置，按車輛所行駛的里程數(shù)決定，里程計費。

(1) 電費計量

(2) 里程計費

2.2 不設(shè)停車場的公交站充電設(shè)計

2.2.1充電方案及數(shù)量

不設(shè)停車場的公交站，為保證電動公交車的應(yīng)急供電，可采用兩種方式：一種是根據(jù)樞紐內(nèi)電動公交車的電池類別，分別存放若干組電池組，采用快速更換電池組方案；一種是設(shè)置2~3套應(yīng)急快速充電樁，滿足應(yīng)急快速充電需求，確保電動公交應(yīng)急狀況下快速充電，確保安全運營。

2.2.2供電方案

(1) 快速更換電池組方案

在樞紐內(nèi)的公交站不設(shè)充電樁設(shè)施，由公交車中心充電站統(tǒng)一派送蓄電池組，集中存放在公交樞紐辦公樓內(nèi)的專用房間內(nèi)。

(2) 充電樁方案

應(yīng)急充電時應(yīng)在確保安全可靠的情況下，在最短的時間內(nèi)充電至公交車能安全運營至公交充電中心站，故設(shè)置2~3套高電壓(300~750 V)、大功率的直流充電樁。

2.3 計費方案

快速更換電池組方案不存在計費問題，可參與車輛救援標(biāo)準(zhǔn)收費。

快速充電方案，以經(jīng)濟考核單體為單元，按電費計價，參照式(8)計算。

3 出租車場充電系統(tǒng)設(shè)計

綜合交通樞紐內(nèi)的出租車場規(guī)劃時，電動出租車充電模式一般可分為三種：一種交流充電樁；一種快速更換電池組；一種直流充電樁。

對于交流充電，充滿電需要5~8 h，等待時間長，但對于出租車，不能長時間?？?，故在出租車場不考慮交流充電，本文只針對直流充電樁和快速更換電池組方案進行研究[22-23]。

3.1 快速更換電池組

快速更換電池組方案，需設(shè)置快速充電樁和電池組存放間，本文僅對充電樁數(shù)量、供電方案及計費進行考慮。

3.1.1充電樁數(shù)量計算

充電樁數(shù)量計算如式(10)所示。

3.1.2供電方案

(1) 負(fù)荷分類及供電要求

由于中斷供電，會影響出租車的正常運營，在一定范圍內(nèi)造成社會公共秩序混亂，故出租車充電樁按二級負(fù)荷考慮，宜由兩回高壓供電電源供電，每回供電線路應(yīng)滿足100%負(fù)荷的供電能力。

(2) 負(fù)荷計算

負(fù)荷計算參照式(5)—式(7)。

3.1.3計費方案

對于快速更換電池組的方案，宜采用里程計費，具體算法如式(11)所示。

3.2 直流快速充電樁

3.2.1充電樁數(shù)量計算

5/一般我們是通過吃胡蘿卜來獲得胡蘿卜素，這就產(chǎn)生了它另一個功效“膈寬腸，通便防癌”。因為胡蘿卜含有植物纖維，吸水性強，在腸道中體積容易膨脹，是腸道中的“充盈物質(zhì)”，可加強腸道的蠕動。

根據(jù)所在城市的電動出租車的發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合全市充電樁布局及規(guī)劃，合理確定綜合交通樞紐的日充電車輛能力，如式(12)所示。

3.2.2供電方案

(1) 負(fù)荷分類及供電要求

由于中斷供電，會影響出租車的正常運營，影響旅客的正常出行，會在一定范圍內(nèi)造成社會公共秩序混亂，故綜合交通樞紐內(nèi)的出租車充電樁負(fù)荷等級按二級負(fù)荷配電，宜由樞紐內(nèi)的供電系統(tǒng)接引兩回獨立的高壓電源供電，每回供電線路應(yīng)滿足100%負(fù)荷的供電能力。

(2)負(fù)荷計算

負(fù)荷計算參照式(5)—式(7)。

3.2.3計費方案

充電樁方案是針對每輛充電的出租車，個體識別容量，宜采用電費計量，如式(13)所示。

4 社會停車場充電樁設(shè)計

鐵路綜合交通樞紐內(nèi)社會停車場的充電樁設(shè)計主要受樞紐內(nèi)的人員流動情況、周邊市政配套工程的建設(shè)情況以及停車場管理費用等因素影響。市政配套齊全，周圍商業(yè)發(fā)展充分，會極大帶動樞紐內(nèi)停車場的停靠汽車數(shù)量，管理費用的高低影響汽車停靠時間。

4.1 國內(nèi)外電動汽車概況

受新能源汽車政策的大力支持，近幾年來，國內(nèi)外電動汽車得到了快速發(fā)展，北汽、比亞迪、江淮、奇瑞、吉利、寶馬、特斯拉等國內(nèi)外廠家投入了巨大人力財力進行研究及推廣，但受汽車技術(shù)、蓄電池技術(shù)及充電設(shè)施的限制，各生產(chǎn)廠家的電動汽車的電池容量、充電時間、續(xù)航里程不盡一致，具體情況如表1所示。

表1 電動汽車充電時間及續(xù)航里程統(tǒng)計表

4.2 社會停車場的汽車分類及特征

鐵路綜合交通樞紐社會停車場內(nèi)的電動汽車一般分為三類：第一類是樞紐內(nèi)的管理人員和商業(yè)經(jīng)營人員的汽車；第二類是樞紐周邊寫字樓及住宅人員的汽車；第三類是接送旅客的汽車。

根據(jù)樞紐內(nèi)的車輛活動規(guī)律和運營時間，針對綜合樞紐內(nèi)?？寇囕v的特點，分類總結(jié)停車場內(nèi)各類汽車的活動規(guī)律。第一類汽車基本上長期包月停留在停車場內(nèi)，停車時間在6~10 h；第二類汽車?？吭跇屑~內(nèi)的數(shù)量主要取決于綜合交通樞紐周邊的配套完善程度以及樞紐內(nèi)的停車收費政策，若在合理的政策指導(dǎo)下也屬于長期包月停留, 停車時間在6~15 h；第三類汽車，接送旅客，由于受綜合交通樞紐內(nèi)的地鐵、高鐵、長途汽車等交通工具的影響，基本停留時間保持在0.1~2 h。

4.3 充電樁設(shè)計

4.3.1充電樁數(shù)量

由于綜合交通樞紐的社會車場為按小時收費的公共停車場，停車費用比較高，這樣社會停車場的充電樁數(shù)量受政策、周圍市政配套工程落實情況等因素影響比較大，建議工程初期，綜合交通樞紐內(nèi)的充電樁數(shù)量按國務(wù)院辦公室下發(fā)的《加速電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)計建設(shè)的指導(dǎo)意見》的要求執(zhí)行，即建設(shè)充電設(shè)施的車位比例不低于10%。

4.3.2充電樁類型選擇

根據(jù)綜合交通樞紐社會停車場的功能要求、電動汽車的基本需求，結(jié)合停車場內(nèi)的電動汽車的分類及活動規(guī)律，建議綜合樞紐內(nèi)交流充電樁與直流快速充電樁比例宜為2:8。

4.4 供電方案

4.4.1負(fù)荷分類及供電要求

由于中斷供電，不會對正常運營的社會秩序產(chǎn)生混亂，故綜合交通樞紐內(nèi)的社會汽車充電樁屬于三級負(fù)荷。

4.4.2負(fù)荷計算

4.5 計費方案

計費采用電費計量，每輛汽車充完電后自動計算出電費，具體計算公式可參考式(13)。

5 結(jié)語

綜合交通樞紐是城市發(fā)展的必然需求，可滿足旅客快速換乘的需求。本文從交通樞紐的空間布局入手，對樞紐內(nèi)的公交車場、出租車場以及社會停車場等不同區(qū)域的電動汽車充電系統(tǒng)進行了研究，提出了電動汽車的充電樁計算方法和負(fù)荷計算，解決了綜合交通樞紐內(nèi)的充電系統(tǒng)設(shè)計。

[1] 中華人民共和國國務(wù)院. 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃的通知[Z]. 北京: 中華人民共和國國務(wù)院, 2017.

[2] 中華人民共和國國務(wù)院. 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”綜合交通運輸體系發(fā)展的通知[Z]. 北京: 中華人民共和國國務(wù)院, 2012.

[3] 國家發(fā)展改革委. 國家發(fā)展改革委關(guān)于印發(fā)促進綜合交通樞紐發(fā)展的指導(dǎo)意見的通知[Z]. 北京: 國家發(fā)展改革委, 2013.

[4] 胡世東. 城市綜合交通樞紐發(fā)展理念探討[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2010(10): 33-35.

HU Shidong. Exploration for developing concept on urban comprehensive transportation hub[J]. Railway Standard Design, 2010(10): 33-35.

[5] 陳游. 我國充電樁設(shè)計要求及相關(guān)概述[J]. 智能建筑電氣技術(shù), 2012, 11(3): 39-45.

CHEN You. Design requirements and related overview of charging piles in China[J]. Electrical Technology of Intelligent Buildings, 2012, 11(3): 39-45.

[6] 閆孟迪, 夏衛(wèi)國, 楊曉萍. 電動汽車充電設(shè)施行業(yè)政策綜述[J]. 新能源汽車供能技術(shù), 2017, 1(1): 32-37.

YAN Mengdi, XIA Weiguo, YANG Xiaoping. Review of the policy of electric vehicle charging infrastructure[J]. Energy Supply Techniques of New Energy Vehicles, 2017, 1(1): 32-37.

[7] 楊俊乾. 關(guān)于電動汽車充電模式的思考[J]. 電氣技術(shù), 2010(10): 10-11.

YANG Junqian. Think through EV charge mode[J]. Electrical Engineering, 2010(10): 10-11.

[8] 李洪峰, 李紅霞, 陳志剛, 等. 一種新型電動汽車充電樁技術(shù)方案探討[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(6): 142-147.

LI Hongfeng, LI Hongxia, CHEN Zhigang, et al. Discussion on technology scheme of a new EV charging pile[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(6): 142-147.

[9] 朱鷹屏, 韓新瑩, 劉世立, 等. 基于改進雙中心粒子群算法的電動公交車運營數(shù)量優(yōu)化策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(8): 126-131.

ZHU Yingping, HAN Xinying, LIU Shili, et al. Optimization of operation quantities of electric buses based on improved double center particle swarm optimization algorithm[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(8): 126-131.

[10] 徐鵬, 陳祺偉, 連湛偉, 等. 一種電動公交車交換電站動力電池全自動更換技術(shù)方案[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(3): 150-154.

XU Peng, CHEN Qiwei, LIAN Zhanwei, et al. An EV charging station automatic battery replacement technology[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(3): 150-154.

[11] 楊少兵, 吳命利, 姜久春, 等. 快速式電動公交充電站經(jīng)濟運行優(yōu)化策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(2): 335-340.

YANG Shaobing, WU Mingli, JIANG Jiuchun, et al. Optimal strategy for economic operation of electric bus battery swapping station[J]. Power System Technology, 2014, 38(2): 335-340.

[12] 劉文霞, 徐曉波, 周樨. 基于支持向量機的純電動公交車充/換電站日負(fù)荷預(yù)測[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 34(11): 41-48.

LIU Wenxia, XU Xiaobo, ZHOU Xi. Daily load forecasting based on SVM for electric bus charging station[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 34(11): 41-48.

[13] 李智, 侯興哲, 劉永相, 等. 基于深度學(xué)習(xí)的充電站容量規(guī)劃方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(21): 67-73.

LI Zhi, HOU Xingzhe, LIU Yongxiang, et al. A capacity planning method of charging station based on depth learning[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(21): 67-73.

[14] 朱意霞, 李紅霞, 史文強, 等. 電動汽車充電服務(wù)柔性管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2016, 44(10): 91-97.

ZHU Yixia, LI Hongxia, SHI Wenqiang, et al. Design and implementation of electric vehicle charging service flexible management system[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(10): 91-97.

[15] HUI Cai, QI Yuchen, ZHI Jianguan, et al. Hierarchical distributed control for decentralized battery energy storage system based on consensus algorithm with pinning node[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2018, 3(3): 52-60. DOI: 10.1186/ s41601-018-0081-5.

[16] 周娟, 任國影, 魏琛, 等. 電動汽車交流充電樁諧波分析及諧波抑制研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2016, 44(10): 18-25.

ZHOU Juan, REN Guoying, WEI Chen, et al. Harmonic analysis of electric vehicle AC charging spot and research on harmonic restriction[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(10): 18-25.

[17] 段慶, 孫云蓮, 張笑迪, 等. 電動汽車充電樁選址定容方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2017, 45(12): 88-93.

DUAN Qing, SUN Yunlian, ZHANG Xiaodi, et al. Location and capacity planning of electric vehicles charging piles[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(12): 88-93.

[18] 李炳華, 賈佳, 岳云濤, 等. 交流充電樁需要系數(shù)研究[J]. 智能建筑電氣技術(shù), 2017, 11(3): 12-16, 20.

LI Binghua, JIA Jia, YUE Yuntao, et al. Research on the demand coefficient of AC charging pile[J]. Electrical Technology of Intelligent Buildings, 2017, 11(3): 12-16, 20.

[19] 羅卓偉, 胡澤春, 宋永華, 等. 電動汽車充電負(fù)荷計算方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(14): 36-42.

LUO Zhuowei, HU Zechun, SONG Yonghua, et al. Study on plug-in electric vehicles charging load calculating[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(14): 36-42.

[20] 李俄收, 朱會田, 吳文民. 電動汽車蓄電池的充電方法和充電設(shè)備[J]. 電源技術(shù), 2009, 33(10): 11-13.

LI Eshou, ZHU Huitian, WU Wenmin. Charging equipment and method of electric vehicle battery[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2009, 33(10): 11-13.

[21] WANG Donghua, MAO Chengxiong, WANG Minwei, et al. The impact of charging plug-in electric vehicles on distribution system considering spatial and temporal distribution[J]. Advanced Materials Research, 2014, 953-954: 1367-1371.

[22] 張帝, 姜久春, 張維戈, 等. 電動出租車充電樁優(yōu)化配置[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(18): 181-187.

ZHANG Di, JIANG Jiuchun, ZHANG Weige, et al. Optimal configuration of charging spots for electric taxis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(18): 181-187.

[23] MU Yunfei, WU Jianzhong, JENKINS N, et al. A spatial-temporal model for grid impact analysis of plug-in electric vehicles[J]. Applied Energy, 2014, 114: 456-465.

System design of charging pile system for electric vehicle in railway comprehensive communication hub

LI Honggang1, PAN Jingyi2

(1. China Railway Design Corporation, Tianjin 300142, China; 2. China Titans Energy Technology Group Co., Ltd., Zhuhai 519015, China)

Under the background of the rapid development of integrated transportation hub and the rapid growth of new energy vehicles, this paper systematically analyses the functional orientation and spatial layout of the built integrated transportation hub, and puts forward the charging scheme and distribution system calculation of new energy electric vehicles in integrated transportation hub. Starting with the charging demand of parking electric vehicles in key areas such as bus hub, public parking lot and taxi parking lot in railway comprehensive hub, and combining the number of parking areas or the planned bus route, parking time and maximum charging time in each parking area, the charging mode of bus, private car, taxi and social vehicle is analyzed pertinently, the number of charging piles is calculated, and the billing mode and the design of distribution system are proposed. The results show that the scheme guides the system design of charging piles for electric vehicles in railway integrated transport hub, optimizes the power supply scheme of charging system, and controls the construction investment and operation of integrated transport hub.

This work is supported by National High-tech R & D Program of China (863 Program) (No. 2011AA11A247).

railway comprehensive communication hub; electric vehicle; charging pile; spatial distribution; design of power distribution

轉(zhuǎn)載自《電力系統(tǒng)保護與控制》2019年47卷19期

李宏剛, 潘景宜. 鐵路綜合交通樞紐電動汽車充電樁系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2019, 47(19): 152-157.

LI Honggang, PAN Jingyi. System design of charging pile system for electric vehicle in railway comprehensive communication hub[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(19): 152-157.

10.19783/j.cnki.pspc.181526

國家863高技術(shù)基金項目(2011AA11A247)

2018-12-06；

2019-02-26

李宏剛(1974—)，男，通信作者，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電氣自動化；E-mail: lihonggang@crdc.com

潘景宜(1951—)，男，本科，高級工程師，研究方向為電氣自動化。E-mail: 13600365135@139.com