陳一帆，王清華，龍澤鏈，羅秀璋，趙永詠

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

我國新能源汽車的產(chǎn)銷量及保有量都進入了持續(xù)的快速增長期，截至2021年12月，我國新能源汽車保有量達到了640萬輛，年銷售量達到了352萬輛。而根據(jù)我國的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，預(yù)計到2030年，我國新能源汽車保有量將達6 420萬輛。為此，充電基站不足、清潔電能不足將會成為阻礙我國未來幾年新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問題[1-3]。

此外，充電基站對電網(wǎng)的苛刻要求，使基礎(chǔ)建設(shè)的不足和偏遠地區(qū)充電基站的管理、建設(shè)、維護等成本高和經(jīng)濟效益低之間的沖突不斷增加，也給新能源汽車的發(fā)展和使用帶來了很大的困難。為此，建設(shè)以清潔能源為基礎(chǔ)，結(jié)合電網(wǎng)開發(fā)高效、易安裝的新能源汽車充電站的方法，可解決充電樁數(shù)量和清潔能源不足等問題，成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要出路。

1 我國新能源汽車充電樁的發(fā)展特點

1.1 充電樁數(shù)不足

當前我國的新能源汽車充電樁和充電站主要以電網(wǎng)供電為主，且存在嚴重的數(shù)量不足的問題。如圖1所示為我國新能源汽車充電樁的建設(shè)情況圖。通過對近5年我國新能源汽車充電樁與新能源汽車市場保有量情況進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)盡管近年來我國新能源汽車充電樁建設(shè)數(shù)量迅速增加，但是隨著我國新能源汽車保有量的快速增長，充電樁的缺額也在迅速且持續(xù)增長。截至 2021年年底，全國新能源汽車公共充電樁數(shù)量僅有132萬座，然而車樁比不到3∶1，即便加上私人充電樁也不足2∶1，為此，排隊充電和充電困難的現(xiàn)象也在逐漸增加。預(yù)計到2030年，我國新能源汽車保有量將達6 420萬輛，根據(jù)政府車樁比1∶1的建設(shè)目標，未來10年，我國新能源汽車充電樁建設(shè)缺口依舊較大。由此可見，新能源汽車充電基站建設(shè)，已經(jīng)成為當前限制我國新能源汽車發(fā)展的重要問題[4]。

圖1 我國充電樁的建設(shè)情況曲線圖

1.2 清潔電能占比低

由于新能源汽車保有量的增多，電能的需求也在不斷增加。然而當前我國電能的生產(chǎn)主要還是以熱電為主。如下頁表1所示為2018—2021年我國發(fā)電量構(gòu)成表。由表1可知，熱電占我國總電能的近70%，而可再生電能的占比約為30%，這對于我國實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”帶來了一定的挑戰(zhàn)[5-11]。此外，隨著新能源汽車的增加，新能源汽車的用電消耗量劇增。根據(jù)國家電網(wǎng)下屬的充電網(wǎng)路充電量顯示，2020年新能源汽車充電量達到20.7億kW·h，同比增長近30%。為此，開發(fā)清潔能源驅(qū)動的分布式新能源汽車充電基站，已成為當前推動我國新能源汽車快速發(fā)展的重要方向。

表1 2018—2021年我國發(fā)電量構(gòu)成表

1.3 充電基站對電網(wǎng)的沖擊較大

電動汽車同時快速充電時的瞬時功率會對電網(wǎng)造成嚴重干擾，影響系統(tǒng)安全。如果搭建專用電網(wǎng)，整個工程十分浩大，費用高昂，對于國家電網(wǎng)建設(shè)造成了很大的挑戰(zhàn)。為此，李惠玲等[12]從電動汽車充電對配電網(wǎng)的影響及對策進行了研究，發(fā)現(xiàn)適宜的充電滲透率、根據(jù)電網(wǎng)負荷狀態(tài)變化的智能充電模式能有效改善電動汽車充電對電網(wǎng)的沖擊。此外，分布式供能系統(tǒng)也可以有效緩沖用電單元對于電網(wǎng)的沖擊。為此，基于分布式能源系統(tǒng)理論，研究建設(shè)新能源汽車充電站。

2 風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電基站設(shè)計

2.1 風能和太陽能發(fā)電特性

風能和太陽能是最常見的清潔能源。我國風力資源和太陽能資源豐富，然而對比常規(guī)的火力和水力發(fā)電，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電在動態(tài)出力特性上具有很大的不同，大型風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的穩(wěn)定性和充電能力一直限制著太陽能和風能發(fā)電的入網(wǎng)率。但是如果小型風力和太陽能發(fā)電系統(tǒng)配備儲能系統(tǒng)，能有效避免太陽能和風能發(fā)電系統(tǒng)的缺點，實現(xiàn)太陽能和風能發(fā)電系統(tǒng)的高效利用[13-15]。為此，基于風能和太陽能開發(fā)小型新能源汽車充電基站，可以較低的成本滿足偏遠地區(qū)新能源汽車的充電需求，緩解充電基站對電網(wǎng)的沖擊，是解決新能源汽車里程焦慮、長途行駛、清潔電能和基建設(shè)施升級壓力等問題的有效途徑。

2.2 風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電站原理設(shè)計

考慮到太陽能和風能的不穩(wěn)定性和充電能力不足等問題，結(jié)合新能源汽充電樁的使用特性，對充電站進行設(shè)計。充電站結(jié)構(gòu)的基本組成如圖2所示，包括：(1)太陽能、風能發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，解決清潔電能并網(wǎng)問題，實現(xiàn)充電站具備調(diào)峰功能；(2)蓄能系統(tǒng)，解決太陽能和風能發(fā)電質(zhì)量較低問題和汽車充電過程對電網(wǎng)瞬時沖擊的問題，保障充電站調(diào)峰功能的實現(xiàn)；(3)功率控制單元，解決電網(wǎng)和太陽發(fā)電系統(tǒng)、風能發(fā)電系統(tǒng)和蓄能系統(tǒng)之間的功率控制；(4)充電樁及附屬系統(tǒng)，保證充電功能的正常進行和安全。

充電站的基本原理是：

(1)太陽能發(fā)電模塊通過太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)和蓄電穩(wěn)壓系統(tǒng)進行穩(wěn)壓調(diào)峰后，獲得較穩(wěn)定的直流電流并將其儲存于蓄電系統(tǒng)。風能發(fā)電模塊通過風力發(fā)電控制器和穩(wěn)壓系統(tǒng)進行穩(wěn)壓調(diào)峰后獲得較穩(wěn)定的直流電流，并將其儲存于蓄電系統(tǒng)。

圖2 風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電站結(jié)構(gòu)示意圖

(2)蓄能系統(tǒng)儲存采用電容和鋰離子電池混合蓄電，電容蓄電模塊和鋰離子電池蓄電模塊分別由超級電容和鋰離子電池串并聯(lián)組成，電容蓄電模塊和鋰離子電池蓄電模塊之間通過電控雙電源自動切換開關(guān)連接，用于電能的輸出和輸入。將蓄能模塊和電子控制模塊安裝于地下，電子控制模塊根據(jù)各模塊內(nèi)傳感器信息監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，模塊與周邊環(huán)境做絕緣和防水處理，系統(tǒng)采用液體冷卻，冷源采用穩(wěn)定的地溫，通過地下?lián)Q熱管網(wǎng)和換熱器實現(xiàn)溫度控制，通過水泵進行冷卻循環(huán)，可以較為穩(wěn)定地解決主蓄能模塊和電子控制模塊的工作溫度穩(wěn)定性問題。

(3)在充電樁內(nèi)設(shè)置DC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/AC轉(zhuǎn)換器，可以將電能轉(zhuǎn)換為不同電壓，滿足不同規(guī)格的新能源汽車的充放電需求。在充電模塊內(nèi)設(shè)置安全模塊，未收到充電信號前，充電槍無法拔出，充電模塊無法供電，且處于深度接地模式以保障安全性；設(shè)置無線電控制模塊，該模塊會根據(jù)電子控制模塊檢測的主蓄能模塊電量情況，向外發(fā)布充電站的蓄能情況，同時會接收手機無線充電信息，向電子控制系統(tǒng)發(fā)布充電信號。

(4)可以通過后臺控制，實現(xiàn)對充電基站與電網(wǎng)之間電能的交互使用，保障電網(wǎng)和充電基站的安全穩(wěn)定運行。

2.3 風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電基站建模設(shè)計

通過對風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電基站的設(shè)計思路，利用SolidWorks建模軟件對充電基站進行建模，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。充電基站圍繞室外停車位進行設(shè)計，在車位后端或者側(cè)端安裝充電樁系統(tǒng)，頂端安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，車位外側(cè)安裝風力發(fā)電系統(tǒng)，蓄能單元和電子控制單元安裝在車位下端。此外，考慮到充放電過程蓄能系統(tǒng)和電子控制單元需要散熱的需求，還需要設(shè)置冷卻系統(tǒng)。

2.4 風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電基站參數(shù)設(shè)計

在確定風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電基站的基本結(jié)構(gòu)后，還需要對充電基站的各部分參數(shù)進行設(shè)計。本文首先考慮充電基站的太陽能和風能發(fā)電模塊功率?？紤]到充電基站主要用于室外停車場和車位，為此，太陽能電池板的尺寸主要以車位大小進行標定，通常室外標準車位尺寸為2.5 m×5.3 m，根據(jù)太陽能發(fā)電板的發(fā)電功率約為2 kW，而風能發(fā)電機功率根據(jù)基站所處位置的風力特征不同，發(fā)電功率可以進行靈活設(shè)置，通常在0～1 kW。

圖3 風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電基站模型圖

在蓄能系統(tǒng)的參數(shù)方面，主要根據(jù)太陽能和風能發(fā)電能力、充電基站的位置、蓄能系統(tǒng)的作用和純電動汽車充電的需求進行設(shè)定。為此，當充電基站不能與電網(wǎng)連接時，蓄能系統(tǒng)需要較大功率的電池模塊，通常需要>30 kW的儲能系統(tǒng)才能滿足需求；當充電基站能與電網(wǎng)連接時，則需要根據(jù)儲能系統(tǒng)的作用設(shè)計儲能系統(tǒng)的功率；當儲能系統(tǒng)的主要作用為調(diào)峰電源時，蓄能系統(tǒng)功率需要>30 kW才能滿足需求；當蓄能系統(tǒng)主要以調(diào)節(jié)充電過程對電網(wǎng)的沖擊作用時，儲能系統(tǒng)功率可以設(shè)計為<5 kW。

而在電子控制系統(tǒng)和充電樁等方面，則需要根據(jù)儲能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的連接狀態(tài)來確定。

2.5 風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電基站中試試驗

為了驗證基站的運行性能，對基站進行中試試驗。中試試驗的主要部件參數(shù)見表2。根據(jù)表2所示，考慮到造價成本和試驗的效率，中試試驗采用了200 W、24 V單晶太陽能電池板，200 W、24 V風力發(fā)電機及功率控制單元進行試驗。充電站試驗結(jié)果顯示：(1)太陽能和風能并網(wǎng)，工作正常，經(jīng)過5 h試驗顯示并網(wǎng)電量約為1.3 kW；(2)充電樁工作正常，通過充電試驗，無任何不良反應(yīng)。試驗結(jié)果較好。

表2 風-光-電混合驅(qū)動的新能源汽車充電基站中試參數(shù)表

3 經(jīng)濟效益分析

對比普通充電站和換電站，本文所研究的充電基站經(jīng)濟性具有非常明顯的優(yōu)勢：(1)對比普通基站，太陽能-風能驅(qū)動的新能源汽車充電站不需要增設(shè)大容量的調(diào)壓裝置，可以離網(wǎng)運行，不需要加強電網(wǎng)容量，從短期基建投入和長期運行維護成本的角度來說都具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢；(2)對比換電站，一個換電站的建設(shè)投入達300～1 000萬元，而太陽能-風能驅(qū)動的新能源汽車充電站的建設(shè)成本約5～15萬元，建設(shè)成本遠低于換電站；(3)從長期運行維護的角度來說，太陽能-風能驅(qū)動的新能源汽車充電站可以持續(xù)將太陽能、風能轉(zhuǎn)化為電能，可以持續(xù)產(chǎn)生價值，而普通基站和換電站則無法實現(xiàn)。由此可見，該項目經(jīng)濟效益遠大于普通充電站和換電站。

4 結(jié)語

本文通過對當前新能源汽車發(fā)展和預(yù)期發(fā)展帶來的充電樁不足、能源安全和環(huán)境污染壓力等問題進行研究發(fā)現(xiàn)，當前我國存在且將持續(xù)存在一個較大的以清潔電能驅(qū)動的新能源汽車充電基站建設(shè)需求。

為了解決清潔電能和充電基站不足的問題，本文從清潔電能、充電基站等角度進行了研究，提出一種風-光-電混合驅(qū)動的分布式新能源汽車充電基站設(shè)計思路，并從理論研究到建模分析對充電基站進行模型設(shè)計、參數(shù)設(shè)計并進行計算。

通過試驗，發(fā)現(xiàn)充電基站設(shè)計完全符合當前的需求，并通過分析系統(tǒng)效益發(fā)現(xiàn)，在城郊使用充電基站，相對于換電站、普通充電樁具有更明顯的經(jīng)濟效益優(yōu)勢。