摘要：为满足快速增长的新能源汽车的充电需求和响应国家策略，建设光储充换放一体化充电站迫在眉睫。研究了充电桩、换电站、车辆到电网（V2G）、光伏和储能等充电站的重要组成部分，介绍了充电站的充电策略，并基于实际案例，提出了基于快充、慢充和超充3种充电速度下不同配置的6个设计方案，从经济性、施工难度、施工周期、充电站形象等多方面展开对比分析，认为充电终端数量多、功率调配灵活、经济性适中且施工方便的设计方案为充电站的最优设计方案。所提设计方案及比对方式可供后期充电站的设计做参考，对加快充电站的布局具有重大意义。

　　关键词：充电桩；V2G；光储充；换电站

　　0引言

　　随着汽柴油消费趋于达峰，新能源汽车发展进入爆发式增长阶段。2023年我国新能源汽车销量达到949.5万辆，同比增长37.9%，市场占有率达到31.6%，高出2022年6个百分点；截至2023年底，新能源汽车保有量达到2041万辆，占比6.1%。同时，受汽车市场整体增长动力不足影响，燃油汽车销量已经连续超过5年下滑，伴随车辆燃油经济性持续提升，汽柴油消费趋于饱和，而新能源汽车用电需求爆发式增长，道路交通领域用能结构正在发生快速变革。因此充电站服务市场潜力巨大，正加速形成新的业务机会，建设光储充换放一体化充电站迫在眉睫。

　　文献从发展需求、政策、架构、关键部件等论述了光储充放一体化的发展特点；文献介绍了光储充一体化智能微电网工程中的一些关键应用技术；文献阐述了新能源光储充一体化电站的现状，分析了其关键技术存在的难点及对策。上述文献从不同的角度介绍了光储充的特点和关键技术，但并没有详细地阐述充电站的各个组成部分及设计思路。本文介绍了充电桩的分类、基本参数、内部构成、充电策略等，研究了换电站、车辆到电网（Vehicle to Grid，V2G）和光伏储能等充电站的重要组成部分，并通过案例分析了充电站的设计研究，对满足新能源汽车的快速增长，加快光储充换放一体化充电站的建设具有重要的借鉴意义。

　　1充电桩

　　充电桩主要分为交流充电桩、一体化直流充电桩和分体式直流充电桩，其中分体式直流充电桩主要由充电堆和充电终端组成，按照冷却系统的不同，又分为风冷充电堆和液冷充电堆，风冷终端和液冷终端，两两可互相搭配，如图1所示。

　　目前也有7 kW一体化直流慢充充电桩，适用于部分未搭载车载充电机的车辆，相比于交流慢充充电桩，能够有效保护车辆内部的车载充电机，减少车辆零部件，降低成本，减少故障率，加强与车辆BMS系统的信息交互。

　　分体式直流充电桩由充电堆、冷却系统和充电终端组成，充电机内部元器件的关系如图2所示，其中充电堆内部的充电控制器负责充电模块运行控制、环境调控、功率投切控制等业务功能，充电终端内部的充电控制器负责车辆交互、人机交互等业务功能的实现。充电终端基本构成包括：输出开关单元、车辆插头、充电控制单元、控制电源、计量单元、人机交互单元等。多枪可同时输出电流，具备输出功率动态分配功能；液冷充电终端应包含配套枪线、冷却液、冷却泵等器件。直流充电终端（普通快充终端）枪线从壳体外部到枪头尾部长度不小于4 m。液冷超充终端枪线从壳体外部到枪头尾部长度不小于3 m。

　　一体化直流充电桩内部元器件的关系如图3所示，充电控制器负责充电机运行控制、车辆交互、人机交互、平台通信、充电模块运行控制、充电机内环境调控等业务功能的实现。

　　1.1充电模块

　　充电模块将交流电能转化为直流电能，主要由整流器和升压部分组成，功率有15、20、30、40、60 kW等，各个模块应用场景不同。因为模块作为充电系统的最小分配单元，要适应市场当前主流车辆的充电功率，因此随着车辆需求功率的增高，模块功率也逐步提高，目前模块的主流功率为30和40 kW，15和20 kW模块随着车辆需求功率的提高逐渐淘汰，60 kW模块主要用于大功率风冷充电堆、液冷充电堆和换电站等，服务于高电压、高电流、高功率的车辆使用，随着时代的发展，60 kW模块可能很快趋于主流，当然可能更高功率的模块也会诞生。

　　1.2功率分配单元

　　功率分配单元主要是将各模块分配到各个车辆充电，目前主流的分配模式有直流继电器和电源分配单元（Power Distribution Unit，PDU），分配方式包括环形、环形+米字形、全矩阵等，全矩阵能够调动任何一个模块给任何一辆车使用，环形和环形+米字形在车辆较多时会出现达不到车辆需求功率、模块闲置等问题，充电效率较低。当充电堆模块足够用时，还会灵活调配模块分配，提高模块寿命，例如当车辆需求30 kW充电功率，此时会调用2个30 kW充电模块，各承担15 kW充电功率，减少模块负担，加长模块寿命。

　　1.3充电桩规格型号

　　充电桩主要规格型号如表1所示。

　　1.4充电桩基本参数

　　直流充电桩基本参数如表2所示。

　　1.5充电桩控制功能

　　充电控制功能主要包括：充电产品具备扫码启动功能；具备VIN（车辆识别代码）自动识别充电；刷卡充电功能；定时充电功能；SOC智能充电功能；扫码充电功能；密码充电功能。

　　充电机应安装急停装置，分体式充电机充电堆和充电终端都应装设急停保护装置，在紧急情况下，可从硬件上切断充电回路。当充电堆启动急停装置时，应切断所有充电终端的直流输出；充电终端启动急停装置时，应切断此充电终端的直流输出。

　　1.6充电桩充电策略

　　设备支持以下充电策略。（1）均充充电：当仅有1辆车充电时，最大限度满足车辆需求。当车辆增多时，进行功率均分。（2）有主有次充电：当仅有1辆车充电时，最大限度满足车辆需求，当车辆增多时，最大限度满足后来车辆充电需求，以此类推，但至少保证后来车辆至少有1个模块使用。

　　2换电站和V2G

　　2.1换电站

　　换电站主要由充电系统、电池仓库、电源交换平台、蓄电池缓冲站等几部分组成，其中充电系统分为一体化和分体式，因换电站和充电桩所需要的充电策略不同，因此功率分配单元有所差异，所以一体化的充电系统给充电桩充电时存在局限性，因此出现了分体式充电系统，即充电系统未和其他系统集成到一起，更有利于给换电站和充电桩同时使用。

　　换电站的自适应柔性加解锁系统能够实现全系车型的快速适配，而且可快速解锁电池并锁定到车辆上，更加稳定可靠；兼容不同尺寸规格电池包，实现在一个换电站内跨车型换电；控制系统可实现对每个螺栓锁止进行过程分析及寿命预测，为用户的每一次换电提供可靠保障。车站协同系统能够自动识别车型，通过引入柔性技术的可移动定位机构匹配多车型及多电池，实现多款车型的多种能量电池包在一个换电站内进行互换；适应不同轴距不同尺寸的多车型多电池包在一个换电站内换电；面向智能化时代的全自动化换电，车辆准确定位，用户车内一键完成换电。

　　换电站的充电技术：换电站的充电策略—多电池同步充电；换电站内柔性充电—充分利用电力容量；换电站液冷系统—电池充电恒温管理；电池监控平台技术。

　　换电站的优势：体验舒适，一键泊车换电，换电速度快；结构紧凑；服务能力强；系统控制，无人值守；4G联网，能源云平台支持。

　　2.2 V2G

　　V2G一体化直流充电机由充放电模块、控制系统、配电系统等组成，充电功率目前比较分散，可实现电动汽车和电网能量的双向流动，合理利用电动汽车资源进行削峰填谷，降低用电成本，创造额外收益。V2G扮演着电源与负荷的双重角色，可以实现在低谷时充电，高峰时放电，但目前仍然存在影响电池寿命、充电策略多样等难点，在推广中面临巨大挑战。

　　主要优点为：车网互动，削峰填谷，降本增效；有序充放电，降低负荷波动；能够实现双向充电，车网互动。

　　V2G的关键技术：充放电控制；双向功率变换；安全保护；电力调度；有序充放电。

　　3光伏和储能

　　光伏主要由光伏组件、逆变器、并网箱/柜组成，光伏发出的电能可在本地消纳、上网或者储存，通过储能逆变器并到交流母线。充电站的光伏主要布置在雨棚、换电站站顶、休息区屋顶等位置，受场地面积的限制，容量一般较小，一般在几十或几百千瓦，多用于本地消纳。

　　储能系统是将电池、电池管理系统、储能变流器、监控部分、配电部分、消防及温控部分高度集成于一个标准化户外机柜内，可实现削峰填谷、需量管理、需求侧响应、光储充联动等策略，适用于工商业、光储充电站、微网侧等应用场景。储能是将能量以电化学、机械、电磁等形式储存起来，目前应用最广的为锂离子电池，其具有能量密度高、输出电压高、衰减慢等优势。储能系统能够提高电力可靠性，减少电力系统的峰值负荷，提高电力系统运行效率，实现节能减排。

　　4光储充换放一体化充电站设计策略

　　光储充换放一体化充电站目前主要以交流母线供电为主，部分以直流母线供电，主要包括光储系统、充电系统、放电系统和换电系统等，能够实现光储充设备一体化并网，能量双向流动，如图4所示。

　　5案例分析

　　以某地区项目为案例，该项目位于某办公大楼楼下，共有15个车位，斜向布置，车位离大楼最近距离大于10 m，附近设有电缆井。如图5所示。

　　供电电源：位于办公楼内部地下配电室，配电室设4台2 500 kVA变压器，但配电室空间较小，可放置开关柜位置有限，目前可用备用一单元（1D）的抽屉3个，内含200 A塑壳断路器开关（一单元抽屉最大可装250 A塑壳断路器），配电线路沿电缆沟、吊顶桥架、电缆井引至充电车位。

　　充电桩计算功率P估算：

　　S=UI（1）

　　S=Kt×Kx×(P/cosφ)（2）

　　功率因数cosφ取0.9，需要系数Kx取1，同时系数Kt取1，裕度取10%，由式（1）~（2）可得，1个200 A抽屉最大可带118 kW负荷。根据以上条件可得6个充电站主要配置方案，如表3所示。6种方案的优劣对比如表4所示。

　　由表可知，方案1施工比较简单，但充电功率较低，30 kW一体化充电桩为立柱式，形象较差，又因该项目位于办公楼下，不建议考虑；方案2施工方便，但单枪充电功率只有60 kW，成本相对较低；方案3虽然最高充电功率可达120 kW，但快充车位只有4个，终端数量过少，不建议考虑；方案4最高功率可达240 kW，功率调配比较灵活，建议考虑；方案5相比于方案4充电堆所带终端数量较多，产品种类少，形象统一，建议考虑；方案6采用液冷超冲组合，充电功率最高600 kW，宣传效果好，后期维修成本低，长时间内不需要更新设备，但成本较高，且需要在配电室增加开关柜，考虑变压器负荷率等多个因素，施工难度大，只能在特定情况下考虑。

　　6结束语

　　随着新能源汽车的快速增长，汽车电动化转型步伐持续加快，充电需求逐渐增加，同时，国家政策明确提出积极推进综合供能服务站，促进低碳跨越与绿色发展，然而目前充电站数量难以满足新能源汽车的充电需求，因此建设光储充换放一体化充电站愈发重要。本文研究了充电桩、换电站、V2G、光伏和储能等充电站的重要组成部分，介绍了充电站的充电策略，并基于实际案例，从经济性、施工周期、施工成本等方面进行方案比对，分析了充电站的设计研究，有利于促进光储充换放一体化充电站的设计发展，满足新能源车辆的补电需求，促进能源转型，对于节能减排、加快双碳建设具有重要意义。

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