大功率风光互补智能充电桩的设计研究适用于高速公路

　　刘丹
 

　　安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
 

　　摘要：为解决新能源汽车长途出行用电不足难题,将风能、光能互补转化为电能作能源输入,提出了依托高速公路的设计方案,并研究和完善风光互补智能充电桩设计。该设计在沿海等风能储备充足空间适宜的高速路段架设风力发电机,在高速服务区建设充电终端,终端拥有人机交互界面,后台远程数据监控等功能,提供更加智能、便捷的新能源汽车充电服务。
 

　　关键词：高速公路;新能源汽车;风光互补;智能化;充电桩
 

　　一、研究背景
 

　　随着化石能源储量日渐减少,环境问题也不断地凸显,新能源汽车以其环保、节能的*优势得到人们的认可,但是作为新型技术产业,存在一定的发展阻力,而如何提高新能源汽车的续航性能应属于较需攻克的难题了。在解决新能源汽车续航问题上,我国不断加快建设公共新能源汽车充电桩。用电能去取代化石能源,这真的是*吗,将燃烧化石能源的直接碳排放,改为电能生产的间接排放,这样的新能源汽车依旧不是“绿色”的。这时就需要一套更加绿色、环保的供能系统,去保证能源输入的清洁性。在东部沿海及西北部等地区,风能储备充足,而在城际间的大部分高速路段空间充足,具备架设风力发电设备的条件,汽车连续地高速行驶形成的空气流动,在一定程度上也为风电设备提供了动力输入。在城际间的高速路段建设新能源汽车充电设备,保证能源输入的情节性,同时也提高了新能源汽车的续航性能。
 

　　二、设计方案
 

　　1、供电系统
 

　　风能、光伏发电系统是整个设计重要组成部分,主要经过风力发电机、光伏发电板组发电通过充电装置稳压、限流后储存在高速服务去的蓄电站中。风力发电机和光伏发电板组的分布示意图如图1所示,高速公路两行车道之间绿化带中安置垂直轴风力发电机,其中安置密度需对高速周围空间、风能储备情况、车流量等进行数据分析来确定风力发电机的安装密度。根据行车的高度限制、风力大小来确定安装风机的高度及使用风机的规格、大小。行车道两侧可安置光伏发电板,根据植被的生长需要,选择光伏板发电板的规格及安装高度、密度。
 

图1分布示意图
 

　　2、充电终端
 

　　高速公路的服务站点可安置新能源汽车充电桩,经配电室配送至每个充电桩位。充电终端由小型风力发电机、光伏发电板组、充电桩三部分构成,风力发电机、光伏发电板组为系统提供更多的电力输入。高速服务站点可根据场地需要,建制图2横向停车位充电终端和纵向停车位充电终端。充电终端以MCU为主控单元,包含充电口检测、网络通信及储存单元等基本电路,具有电压电流检测、充电枪口温度检测、紧急停用等功能,同时提供显控触摸人机交互界面,支持二维码快捷支付,使用者可以通过手机小程序查看充电状态,充电终端也会将充电数据反馈给服务后台,保证充电桩的安全使用。
 

图2横向停车位充电终端
 

　　三、实现功能与展望
 

　　完整的充电系统包含供电系统和充电终端两大部分,其中需要风力发电机组、光伏发电机组、蓄配电室、监控室、充电区、维护室等六部分组成。根据充电使用电量及发电组的发电量的数据分析,配电室应具备给予充电终端220V市电配送的功能,以防止东南沿海等地区连续阴雨天气的出现,导致供电不足情况的发生。监控室实时监控发电机组的发电量以及地区的天气数据、充点终端运行情况,并完成管理情况的报表打印等。
 

　　随着硅材料光伏发电板技术的不断创新与发展,发电效率将逐步提高,发电量也会不断增多,四通八达的高速网路也将建立起新能源的发电网,分布式的风光电站将过多的电量并入电网。充电终端逐渐的普及,可在城镇中建起小型的公共充电站,再一次对新能源汽车的续航性能作再一次的提升,来适应市场的需求,刺激新能源汽车的新一轮发展。
 

　　四、安科瑞充电桩运营管理平台
 

　　1、系统架构
 

　　安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。
 

　　充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：
 

　　资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。
 

　　交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表
 

　　用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理
 

　　充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等
 

　　微信小程序：扫码充电，账单支付等功能
 

　　数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析
 

　　变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。
 

　　2、平台功能
 

　　2.1平台登录
 

　　在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。
 

2.2平台首页
 

       2.3实时监控

 

　　l 充电站监控
 

　　充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。
 

l 充电枪监控
 

　　充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。
 

       2.4微信小程序

 

　　l 搜索与使用
 

　　微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示
 

l 授权登录界面
 

　　用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示：
 

l 主功能页
 

　　初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。
 

l 充电
 

　　扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。
 

l 个人信息
 

　　个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能
 

       3、硬件配置

 

　　3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。
 

　　推荐硬件配置清单：(如申请阿里云可忽略)
 

若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：
 

　　3.2现场推荐硬件配置清单：
 

       五、安科瑞限流式保护器的介绍与选型

 

　　1、限流式保护器的设计
 

　　电气防火限流式保护器可克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大，以及使用寿命短等当弊端，发生短路故障时，能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护，从而能显著减少电气火灾事故，保障使用场所人员和财产的安全。
 

　　安科瑞ASCP200-1电气防火限流式保护器的主要元件是固态开关，不同于传统家用的空气开关(微断)。我们知道，传统空气开关的断开是一种机械运动过程，分断时间需要几十毫秒(一般30～50ms)，带负载断开时通常伴随有电弧的产生。而固态开关的断开则是依靠半导体内部的载流子运动实现，分断时间微秒级，速度快，无电弧产生。
 

　　如图1所示，当发生短路故障时，传统空气开关在电流升至C点时才能动作，且无法瞬时切断电流，而固态开关则可以在电流升至B点时即瞬间切断短路电流。
 

图1短路故障前后电流与时间关系图
 

　　从流过电阻的电流热量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，传统空气开关与固态开关在短路时所释放的能量差别可以达到数千倍之多。因此当装配限流式保护器的回路发生短路故障时，就可以避免电弧的产生，从而降低了电气火灾。
 

　　2、ASCP200-1功能特点
 

　　ASCP200-1型电气防火限流式保护器是单相限流式保护器，较大额定电流为63A。主要功能如下：
 

　　A)短路保护功能，线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护；
 

　　B)过载保护功能，线路持续过载时，保护器限流保护；
 

　　C)表内超温保护功能，保护器内部器件工作温度过高时，保护器限流保护；
 

　　D)过/欠压保护功能，线路欠压或过压时，保护器告警或限流保护(可设)；
 

　　E)电缆温度监测功能，被测线缆温度超过报警设定值时，保护器告警或限流保护(可设)；
 

　　F)漏电流监测功能，线路漏电超过报警设定值时，保护器告警或限流保护(可设)；
 

　　G)通讯功能，保护器配置1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到安科瑞Acrel-6000安全云平台，或第三方监控软件或平台，从而实现远程监控。
 

　　3、ASCP200-1技术参数
 

       4、应用方案图示

 

　　ASCP200-1型电气防火限流式保护器建议安装在入户开关下端，额定电流值根据入户开关的具体规格进行设置，典型应用示意图如图2所示：
 

图2ASCP200-1家用防火解决方案安装示意图
 

　　5、使用注意事项
 

　　在选用限流式保护器时，限流式保护器的设定的额定电流应该与其前上级的断路器的额定电流保持一致。例如，当限流式保护器输入端断路器的额定电流为32A时，应将限流式保护器的额定电流设置为32A。为保障限流式保护器的正常使用，严禁将其使用于与其前端断路器的额定电流不匹配的配电线路中。
 

　　ASCP200系列采用限流式保护器采用壁挂式安装，可以挂墙安装，也可以安装在箱体内，应确保安装场所无滴水、腐蚀性化学气体和沉淀物质，并注意环境温度和通风散热。
 

　　为确保可靠连接，接线时应按接线图进行，同时为了防止接头处接触电阻过大而导致局部过热，也避免因接触不良而导致保护器工作不正常，线头应采用合适大小的U形冷压头压接后，再插入保护器相应端子上并将螺钉拧紧压实。
 

　　保护器内部带有交流电，严禁非人士擅自打开产品外壳。保护器在使用期间，若被保护线路发生短路或过载故障而被限流保护时，保护器仍处于带电状态，不允许随意碰触用电线路的金属部分。待检查线路，并排除故障后，长按保护器的复位按键约2秒钟，使保护器恢复正常运行时。
 

　　当保护器因超温而发生限流保护时，则可能是因为负载电流过大，环境温度过高或通风散热不良等原因导致，可通过加强通风等措施，等保护器温度降下来后，再长按复位键，使保护器复位，恢复正常运行。
 

　　六、结束语
 

　　节能是未来汽车发展的新方向,新能源汽车成为市场新的经济增长点。充电桩等基建设备的完善,势必会促进新能源汽车的新一轮发展。同时风、光发电从技术层面上有一定局限性,这势必会阻碍新能源汽车充电设备的发展,但也为该设计的生产开发明确了研究方向。随着新能源科技的不断发展,能源利用效率的逐步提高,新能源汽车的诸多问题终会被解决。
 

　　参考文献
 

　　[1] 党改慧.中国新能源汽车发展现状[J].汽车实用技术,2018(16):7-8
 

　　[2] 陈旭根，滕道祥，胡士迈，张雯，徐奉娣.适用于高速公路的大功率风光互补智能充电桩设计研究
 

　　[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版