一種預裝式純電動客車充換電站集成化最新設計
作者：鄭曉敏
目前純電動客車充換電服務網(wǎng)絡已開始進入快速發(fā)展階段，電網(wǎng)企業(yè)、油氣企業(yè)以及其他相關行業(yè)投入不斷加大，眾多城市已經(jīng)編制完成電動汽車發(fā)展規(guī)劃，示范應用規(guī)模和范圍都呈現(xiàn)出快速增長勢頭。
充換電站是采用電池更換方式為電動汽車提供電能供給的場所。但充換電站涉及產(chǎn)品較多，包含充電產(chǎn)品、換電產(chǎn)品、配電產(chǎn)品、監(jiān)控產(chǎn)品等．所有沒備均在房屋建筑物內(nèi)放置，因此所需建筑物面積較大，明顯與當前城市用地面積緊張狀況相違背。現(xiàn)有充換電站建設模式采用建筑與設備分別建設，建筑物采用鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)，設備在工廠內(nèi)制造．完成后運至現(xiàn)場再進行組合調(diào)試，建設周期長、占地面積大、投資金額高，不適宜在土地資源較緊張的大中城市系列化推廣。
本文主要針對以上問題進行研究，優(yōu)化布局安裝．開發(fā)出代替原有房屋結(jié)構(gòu)、適合換電產(chǎn)品的箱體結(jié)構(gòu)，設備在箱體內(nèi)部完成安裝及電纜連接，現(xiàn)場直接連接主電纜及箱體間連接電纜即可實現(xiàn)設備工作。目前，在國際上預裝式箱體在大規(guī)模儲能方面有部分應用及國內(nèi)乘用車充電方面有部分應用．未見在換電領域應用。預裝式純電動客車充換電站也比較少，且均未能大量開展換電服務，僅有充電服務。本研究的特色是集成性及節(jié)約性，設備過程中明確純電動客車的確實需求．大大提高了充換電站的服務能力。
1 純電動客車充換電站體系結(jié)構(gòu)設計
本文研制的預裝式純電動客車充換電系統(tǒng)，包括供配電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、換電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及輔助設施等，其基本框架拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本文考慮充換電站模塊化、組合化及未來擴展的方便性和便于設備的運輸與安裝，將充換電設備、監(jiān)控系統(tǒng)設備、電池維護設備等輔助設備安裝于4個相同的標準預裝式箱體內(nèi)，組成一個工位，如圖2所示。供配電系統(tǒng)根據(jù)不同網(wǎng)省公司的要求及不同的現(xiàn)場環(huán)境，提供不同解決方案。
單個充換電工位配置：在換電工位兩側(cè)各設置1臺自動多箱換電設備、7組充電架和7面充電機柜。自動多箱換電設備一次可更換1~4箱電池．對每車次平均換電時間不超過10 min：左側(cè)充電架有效充電位數(shù)量為56位，右側(cè)充電架有效充電位數(shù)量為70位，分別由7組12工位充電架組合而成：工位左、右側(cè)各配置7面充電機柜．并配置2面交流分電柜和1面間隔層通信柜。每天換電能力為96車次，每天工作16 h。
2預裝式充換電站集成化設計可行性研究
本文提出了一種新型預裝式充換電站系統(tǒng)．即用預裝式箱體代替原有充換電站房屋，只在現(xiàn)場建設簡易大棚。充換電及監(jiān)控產(chǎn)品、照明暖通、給排水及消防環(huán)保設備通過配線和電纜連接在箱體內(nèi)預裝，各部分設備通過電纜連接有序配合．共同完成電池更換功能，實現(xiàn)集成化設計，從而達到節(jié)約人力物力財力、減少占地面積和快速建站的目標,箱體內(nèi)所有產(chǎn)品均考慮適應戶外條件，能適應較惡劣環(huán)境，在惡劣環(huán)境中均能正常工作。預裝式箱體內(nèi)所有產(chǎn)品均在公司內(nèi)部完成安裝、電纜接線，產(chǎn)品到達充換電現(xiàn)場后只需做各箱體間電纜連接即可，從根本上解決了現(xiàn)場房屋建設問題，節(jié)約了現(xiàn)場建設周期和成本及人員管理成本。箱體在設計時均考慮了產(chǎn)品的散熱、保溫、防塵及電纜連接的方便性。方案整體效果如圖3所示。
表1所示為預裝式與現(xiàn)有充換電站的優(yōu)點。針對目前市場需求、純電動客車發(fā)展現(xiàn)狀及市場現(xiàn)有產(chǎn)品情況．經(jīng)綜合分析與論證．確定產(chǎn)品的試制包括2個主要階段：(1)針對預裝式純電動客車充換電系統(tǒng)的設備開發(fā)．解決基本的安裝維護問題；(2)在基本型設備的基礎上，考慮節(jié)約成本、現(xiàn)場安裝、人員舒適性等問題。
本系統(tǒng)實用的難點是：徹底打破原有房屋式充換電站模式，系統(tǒng)的穩(wěn)定性需重新考慮：產(chǎn)品系統(tǒng)由以往零亂式產(chǎn)品變?yōu)榧墒浇M裝．需考慮整體運輸問題：產(chǎn)品為戶外運行，需考慮系統(tǒng)的散熱與保溫及防護問題：預裝式箱體與換電站產(chǎn)品的結(jié)合性；集約化設計工作人員工作的舒適性：系統(tǒng)集約化設計設備維護的方便性。
3預裝式充換電站集成化設計實現(xiàn)性分析
本研究預裝式箱體與箱變結(jié)構(gòu)類似．在結(jié)構(gòu)和功能上有許多相同之處，但由于其適用及服務對象不同，需做出較大改變，必須依靠現(xiàn)有技術人員及相關經(jīng)驗，才能順利完成本研究。本研究的關鍵技術在于現(xiàn)場安裝的方便性、箱體制造加工的簡易性、箱體的散熱保溫性以及箱體本身的防護性。
3.1 鋼結(jié)構(gòu)大棚設計研究
整站工作車問防護采用鋼結(jié)構(gòu)大棚方式，預裝式箱體直接裸漏于外部，在兩側(cè)預裝式箱體中間區(qū)域處建設鋼結(jié)構(gòu)大棚。鋼結(jié)構(gòu)大棚立柱結(jié)構(gòu)采用H型鋼構(gòu)件組合結(jié)構(gòu)，8根立柱直接固定于地面基礎上，單側(cè)各4根，結(jié)構(gòu)全部采用高強度螺栓鉸接裝配，鋼結(jié)構(gòu)采用工廠內(nèi)加工并預拼裝，提高現(xiàn)場施工的精確及裝配施工速度。立柱嵌入預裝式箱體內(nèi)部，不影響電池箱更換設備的工作。
結(jié)構(gòu)頂部采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)側(cè)邊直接與預裝式箱體相連接，連接處采用密封處理，連接板采用傘玻璃安裝，能在白天為室內(nèi)提供有效的照明。頂棚正面設計電動伸縮門，門上裝有紅外感應裝置器，當車體接近門3m（距離可調(diào)）時，所有的感應裝置經(jīng)反饋信息至處理器，門自動提升。案剖面視圖如圖4所示。
3.2預裝式箱體結(jié)構(gòu)設計研究
本方案共采用4個預裝式箱體，箱體尺寸10.0 mx2.7 mx3.1 m。箱體充電架處不設計支撐板，屏柜后部為全固定側(cè)板，所有屏柜按前接線設計，充電機柜后側(cè)開有模塊進出風孔。
箱體1設備布置和正面示意如圖5所示。箱體1放置電池維護、充電架、充電機柜等設備，充電架正面?zhèn)认潴w懸空設計，方便換電進行。電池維護設備室外側(cè)設計卷閘門，方便工作人員出入．充電屏柜與電池維護設備室之間采用隔板隔斷，隔板開有活動門，方便對設備進行維修。
箱體2設備布置和正面示意如圖6所示。箱體2設有充電架、充電機柜、休息室、衛(wèi)生間等，充電架正面?zhèn)认潴w懸空設計，方便換電進行。休息室與衛(wèi)生問正而設計活動門，休息室門部設計玻璃窗。充電屏柜與休息室之間采用隔板隔斷，隔板開有活動門，方便對設備進行維修。充電機右側(cè)設計電纜進線孔，引入外部電源。
箱體3設備布置和正面示意如圖7所示。箱體3放置充電架、充電機柜及監(jiān)控二次機柜等設備．充電架正面?zhèn)认潴w懸空設計，方便換電進行。為方便對監(jiān)控二次機柜進行溫度控制，將充電機柜與二次機柜用隔板隔離，隔離板上設計活動門。箱體正面右側(cè)設計活動門，方便對設備進行維修。
箱體4設備布置和正面示意如圖8所示。箱
體4設有充電架、充電機柜、監(jiān)控室，充電架正面?zhèn)认潴w懸空設計，方便換電進行。監(jiān)控室設置4操作工位，監(jiān)控室兩側(cè)設置玻璃窗。充電機左側(cè)設計電源進線孔，引入外部電源。
本研究預裝式箱體結(jié)構(gòu)特點參數(shù)如表2所示。
本產(chǎn)品擬在周圍采取隔熱材料達到保溫效果，同時在必要地方加通風隔柵窗，保證箱體內(nèi)部空氣流通，在冬季時，將通風隔柵窗封閉．使箱體內(nèi)部熱量不外流，保證箱體內(nèi)部溫度在一個合理范圍，如在北方較寒冷條件下運行，考慮在箱體內(nèi)部加入加熱元件，保證箱體內(nèi)部產(chǎn)品在寒冷條件下亦能正常運行。實物結(jié)構(gòu)如圖9所示。
3.3預裝式充換電站供配電系統(tǒng)設計研究
依據(jù)《電動汽車電池更換站設計規(guī)范》，充換電站進線電源采用10 kV雙路供電．10 kV側(cè)采用單母線分段接線方式，配電變壓器采用低損耗節(jié)能型干式變壓器，低壓側(cè)0.4 kV采用單母分段接線方式。本文對供配電系統(tǒng)中配電變壓器容量選擇進行了詳細研究。
配電變壓器容量(SN)選擇主要根據(jù)充電設施內(nèi)充電機的輸入容量(用S表示，根據(jù)充電機的輸出功率(P)進行折算）、充電機數(shù)量(N)、充電機同時系數(shù)(Kx)及變壓器最佳負荷率(Piii)，功率因數(shù)( cosp)決定。
考慮到充電設施配電系統(tǒng)安裝了有源濾波無功補償裝置，cosp可以達到0.95，充電機容量折算如式(1)。
式中：n為充電機工作效率，高頻開關整流充電機取0.9。
換電站負荷總?cè)萘繛?
式中：充電機同時系數(shù)Kx由充電機使用情況和數(shù)量決定，考慮到電池更換站充電機使用頻率很高．并取一定的裕量，該值取0.6：Se為除去充電機外其他充電設施用總負荷容量，可按照更換設備、其他監(jiān)控、照明、空調(diào)和辦公用電負荷等總值計算：總負荷S1為2臺換電設備總負荷值．
3.4預裝式充換電站充換電系統(tǒng)設計研究
充換電系統(tǒng)是整個換電站的核心部分．主要為電動汽車動力電池系統(tǒng)安全自動的充滿電并實現(xiàn)可靠換電。圖10顯示了充換電系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的邏輯關系。
充電機是控制和調(diào)整動力蓄電池充電的電能轉(zhuǎn)換裝置，應采用模塊化的高頻開關變換型電源，滿足電池箱充電的要求交流輸入與直流輸出電氣隔離。多臺充電機組屏安裝，組成充電機柜�？紤]更換過程的安全性，電池箱設計具備硬鎖緊．并具有鎖緊狀態(tài)信號輸出。電池箱更換設備采用BSE -Rl00換電機器人，采用四立柱整體框架內(nèi)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，換電平穩(wěn)無沖擊：采用機械視覺定位，定位準確，具有柔性隨動功能：能同時全自動更換4箱2x2分布電池箱：具有可靠的機械鎖止機構(gòu)，保證電池箱更換過程中的安全；采用以太網(wǎng)與更換站監(jiān)控系統(tǒng)通信，將電池更換設備狀態(tài)信息發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)，同時接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的各電池箱位置、充電狀態(tài)等信息。換電機器人兩側(cè)增加單向欄桿，防止工作時人員隨意進入，里面的操作人員在緊急情況下可以快速脫離危險區(qū)域；換電機器人行走過程中具備聲光報警功能，提醒區(qū)域內(nèi)人員撤離，防止碰撞。
集成化充換電工位排布如圖11所示。
4預裝式充換電站方案優(yōu)勢分析
4.1 技術經(jīng)濟性對比分析
本研究的預裝式充換電站與現(xiàn)有房屋建筑式充換電站技術經(jīng)濟分析主要考慮成本、周期、占地面積3個方面。本文以南京某充換電站為比較對象。
(1)成本分析（含配電、監(jiān)控產(chǎn)品）。成本包括頂棚、箱體、地基和溫控設備等產(chǎn)品的價格總和，按優(yōu)化后價格來算，對比南京某充換電站報價約低13.3%。
(2)周期分析。預裝式方案周期包括水泥地基、設備生產(chǎn)與運輸、設備安裝與電纜連接、設備調(diào)試及大棚安裝時間等，其中水泥地基和設備生產(chǎn)與運輸同步進行、設備安裝與電纜連接和設備調(diào)試同步進行。建房方案周期包括基礎與房屋建筑、設備生產(chǎn)與運輸、設備安裝、電纜連接、設備調(diào)試時間等，其中基礎與房屋建筑和設備生產(chǎn)與運輸同步進行。綜合對比，則預裝式方案建設周期能減少47%左右。
(3)占地面積。預裝式方案如圖2所示，總占地面積S約為352.35 1T12。圖12為南京某充換電站設計施工圖。
由圖12所示，總占地面積s約為400 m2，綜合對比，預裝式方案建設面積減少11.9%左右。
4.2后期使用運行維護優(yōu)勢分析
此預裝式充換電站大棚內(nèi)4個獨立性箱體單元采用模塊化、集成化設計，設備布置更集中更專業(yè)．每個功能模塊有專業(yè)人員單獨運行操作使用．減少了誤操作誤動作的發(fā)生，同時又增強了電氣設備和箱體等的使用壽命。智能化監(jiān)控系統(tǒng)可第一時間看到電池箱是否充滿電、是否鎖止在充電架上，機器人是否處于正常運行狀態(tài)；換電機器人采用模塊化設計，保證設備故障時盡快恢復換電作業(yè)，并減少備品備件數(shù)量；換電機器人的人機交互界面易識別并掌握，用戶經(jīng)過短期培訓即可熟練操作換電全過程，并具備日常維護和常見故障處理能力：站內(nèi)無構(gòu)架，外露連線少，有利于運行巡視的安全，人員不易觸碰到帶電設備，設備檢修維護方便。充換電站箱體、房屋均采用預裝式設計，若城市規(guī)劃等發(fā)生變化，充換電站需要移動時，可將鋼結(jié)構(gòu)大棚直接拆除，整體吊裝與移動，在新地方同樣可以快速組裝，將損失降至最低。
5結(jié)語
本文對預裝式充換電站集成化設計可行性進行了研究，進而對充換電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成化設計進行了研究，并對部分研究內(nèi)容進行了樣機加工制造，已在充換電站上運行。
本研究的預裝式純電動客車充換電系統(tǒng)主要應用于電動汽車充換電站，具有建設周期短、成本低等優(yōu)點，目前國內(nèi)外對這種產(chǎn)品的研發(fā)還比較少，尚未形成成熟產(chǎn)品一如果本研究短期內(nèi)成功完成，將會給充換電站建設帶來創(chuàng)新性的改變。給電力系統(tǒng)帶來巨大的能源效益。
6摘要：近幾年，隨著世界能源的不斷減少和短缺，特別是汽車的大量使用，導致石油儲量匱乏。世界各國都在大力發(fā)展和推廣清潔能源交通工具純電動汽車，如何實現(xiàn)純電動汽車長期服役，并實現(xiàn)其安全快速高效充換電服務，配套設施充換電站建設是首當其沖要發(fā)展的項目�，F(xiàn)有充換電站是先土建蓋好“房子”，然后在里面調(diào)試組裝供配電設施、充換電設施、監(jiān)控設施及輔助設施等。提出了一種新型預裝式充換電站系統(tǒng)，即用預裝式箱體代替原有充換電站房屋，只在現(xiàn)場建設簡易大棚。充換電及監(jiān)控產(chǎn)品、照明暖通、給排水及消防環(huán)保設備通過配線和電纜連接在箱體內(nèi)預裝，實現(xiàn)集成化設計，從而達到節(jié)約人物財力、減少占地面積和快速建站的目標。
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