优璇豆蔻对《电动汽车充电桩安装调试与运行维护》的笔记(8)

新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车等。

1.1.1.1　纯电动汽车

纯电动汽车是完全由可充电蓄电池（如铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池或锂离子蓄电池）提供动力源的汽车。纯电动汽车由底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器和辅助设施六部分组成。由于电动机具有良好的牵引特性，因此纯电动汽车的传动系统不需要离合器和变速器。车速控制由控制器通过调速系统改变电动机的转速即可实现。现在纯电动汽车技术发展已经相当成熟，国外发达国家和我国都有部分车型投入量产和商业化运营。纯电动汽车具有如下优点。

按我国现行电价和油价水平，纯电动汽车的运行费用低于传统汽车，具有较好的经济性。但是目前纯电动汽车还存在着续驶里程较短、蓄电池价格较高等缺点。

虽然纯电动汽车已有100多年的历史，但一直仅限于在某些特定范围内应用，市场规模较小。主要原因是由于各种类型的蓄电池普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等缺点。目前采用的铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子电池，根据其实际装车时的循环寿命和市场价格，可估算出纯电动汽车从各种动力蓄电池上每取出1kW·h电能所必须付出的费用。

在估算纯电动汽车从各种动力蓄电池上每取出1kW·h电能所必须付出的费用时，假设蓄电池最高可充电的荷电状态（SOC）为0.9，放电SOC为0

.2，即实际可用的蓄电池容量仅占总容量的70%。由电网供电价为0.5元/（kW·h），蓄电池的平均充放电效率为0.75，粗略计算中可知，从电网取电仅需0.5元/（kW·h），但充入蓄电池，再从蓄电池放电，铅酸蓄电池每提供1kW·h电能的价格为3.05元左右，其中2.38元为蓄电池折旧费，0.67元为电网供电费，而从镍氢蓄电池中每提供1kW·h电能的，费用为9.6元，锂离子电池为10.2元，即后两种先进的蓄电池供电成本是铅酸蓄电池的3倍多。

目前国内市场上用柴油机发电，价格大致为3元/（kW·h），若用汽油机发电，供电价格估计为4元/（kW·h），即从铅酸蓄电池提供电能的价格大致与柴油机发电价格相等，仅从取得能量的成本来考虑，采用铅酸蓄电池比汽油机驱动有一定的价格优势，但是由于铅酸蓄电池太过笨重，充电时间又长，因此只被广泛用于车速小于50km/h的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车、叉车以及电动自行车上。实践证实铅酸蓄电池在这一低端产品市场上有较强的竞争力和实用性。

相对于铅酸蓄电池，镍氢蓄电池在能量体积密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。镍氢蓄电池虽然具有较高的比能量和比功率、相对寿命较长等优点，但由于镍金属占其成本的60%，导致镍氢蓄电池价格居高不下。镍氢蓄电池并非是电动汽车的理想蓄电池，其可能只是一种过渡性的蓄电池。目前，镍氢蓄电池仍是近期和中期电动汽车使用的首选动力蓄电池，随着锂离子电池的大规模生产和成本的降低，镍氢蓄电池终将退出。

锂离子电池技术发展很快，近10年来，其比能量由100W·h/kg增加到180W·h/kg，比功率可达2000W/kg，循环寿命达1000次以上，工作温度范围达-40～55℃。近年，由于磷酸铁锂离子电池的研发有重大突破，又大大提高了锂离子电池的安全性。目前已有许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力蓄电池的主攻方向。预计到2020年后，锂离子电池的性价比有望达到可以和铅酸蓄电池竞争的水平，而成为未来电动汽车的主要动力蓄电池。

纯电动汽车的技术难度小于插电式混合动力汽车，目前国内即将上市的纯电动汽车的各项性能指标已经可以满足一般用户的需求，技术已经基本成熟。在低端市场，纯电动汽车的经济性优势十分明显。充电网络建设滞后影响了纯电动汽车使用的便利性，是目前制约纯电动汽车发展的最主要因素。随着充电网络建设的不断完善，纯电动汽车的发展速度会比较快，尤其在低端市场，纯电动汽车的份额会显著提高。但由于充电因素的制约，在高端市场普及难度很大。

普通混合动力汽车是指那些采用常规燃料的，同时配以蓄电池、电动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。混合动力汽车按照混合度（即电动机功率与发动机功率之比或使用电的比例与使用燃油的比例）的不同，又可以分为微混、轻混、中混、强混等。普通混合动力汽车的优点如下。

①采用混合动力后可按平均需用的功率来确定发动机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。在需要大功率时（发动机功率不足），由蓄电池来补充；负荷少时，富余的功率可用于发电，给蓄电池充电，发动机可持续工作，蓄电池又可以不断被充电。

②因为有了蓄电池，可以十分方便地回收制动、下坡、怠速时的能量，并作为电能再次利用，从而减少能源的浪费。

③在繁华市区，可关停发动机，由蓄电池单独驱动，实现“零”排放。

④可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。

缺点是长距离高速行驶基本不能省油，有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。

普通混合动力汽车利用发动机的富余功率给蓄电池充电，无需外接充电，虽然节能效果明显，但是没有从根本上摆脱交通运输对石油资源的耗用问题。因此，普通混合动力汽车是电动汽车发展过程中一段时期内的一种过渡性技术。

普通混合动力汽车在目前的新能源汽车中技术最成熟并已成功实现了商业化，由于不需要充电，因此普通混合动力汽车的使用便利性在新能源汽车中是最好的。目前普通混合动力汽车的综合成本要高于燃油汽车，在经济性方面的明显劣势会严重影响普通混合动力汽车的发展。

近几年发展起来的插电式混合动力汽车（plug-inhybridvehicle，PHV）是一种新型的混合动力汽车。通过外接充电电源为蓄电池充电，充电后可仅凭充电蓄电池作为动力驱动电动汽车行驶。另外，在蓄电池的剩余电量用完后，并不是切换至发动机行驶模式，而是通过发动机带动发电机，利用由此产生的电力为蓄电池充电，继续用电动机驱动行驶。插电式混合动力汽车更接近于纯电动汽车，而且它在一定程度上解决了纯电动汽车续航里程短和需要及时充电的问题，即使行驶到没有充电设施的地方，也可以作为一般的混合动力汽车来使用。

插电式混合动力汽车的技术已经比较成熟，但是目前国内只有几家领先企业掌握了插电式混合动力汽车的核心技术，其他大部分汽车生产企业还处于研发阶段。插电式混合动力汽车使用的便利性不如燃油汽车，但优于纯电动汽车，基本达到了消费者可接受的范围。由于国家政策的倾斜，目前插电式混合动力汽车的综合成本已经低于燃油车。在国家补贴政策的强力支持下，近期插电式混合动力汽车很可能成为增长速度最快的新能源汽车。

1.1.1.3　燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电能，依靠电动机驱动的汽车。燃料电池电动汽车的工作原理是，作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生电能供给电动机运行，进而驱动汽车行驶。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池电动汽车是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，因此从能源的利用和环境保护方面看，燃料电池技术是内燃机技术的最好替代，燃料电池电动汽车代表了电动汽车未来的发展方向。

现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段，此外，燃料电池的理想燃料——氢，在制备、供应、储运等方面还有着大量的技术与经济问题有待解决。因此，燃料电池电动汽车目前和今后一段时间尚不具备商业化的条件。

（1）电动汽车充电桩的技术条件

①在充电桩没有与动力蓄电池建立连接时，充电桩经过自检后自动初始化为常规控制充电方式（可选择手动、IC卡或充电桩监控系统操作方式）。充电桩采用手动操作时，应具有明确的操作指导信息。

②在充电桩与动力蓄电池建立连接后，通过通信获得动力蓄电池的充电信息，自动初始化为动力蓄电池自动控制充电方式。

③电动汽车充电桩对供电电压的要求如下。

a.直流充电桩的输入额定线电压为380V±38V、50Hz±1Hz的三相交流电。

b.对于容量小于（等于）5kW的交流充电桩，输入额定电压为220V±22V、50Hz±1Hz的单相交流电。

c.对于容量大于5kW的交流充电桩，输入额定线电压为380V±38V、50Hz±1Hz的三相交流电。

d.交流输入隔离型AC/DC充电桩的输出电压为额定电压的50%～100%，并且输出电流为额定电流时，功率因数应大于0.85，效率应大于等于90%。

④电动汽车充电桩接口和通信要求如下。

a.充电桩接口。充电桩与电动汽车之间的连接应包括以下几部分：高压充电线路、充电控制导引线、充电控制电源线、充电监控通信连接线、接地保护线。同时，充电桩应预留与充电站监控系统连接的通信接口。

b.充电桩通信要求。推荐采用CAN总线以及CAN2.0协议作为充电桩的通信总线和通信协议。通信内容包括动力蓄电池单体、模块和总成的相关技术参数，充电过程中蓄电池的状态参数，充电桩工作状态参数，车辆基本信息等。

（2）电动汽车充电桩功能　电动汽车充电桩可实现对不同厂家生产的不同类型的电动汽车进行充电，在智能充电网络系统中，作为电能从电网传输到电动汽车的“中转站”，电动汽车充电桩应具备以下功能。

①指示功能。包括指示动力源能量、正在充电、充电结束等充电状态及输出过电压及欠电压、温度异常、主断路器断开等异常情况。

②记录功能。记录输入的电能、一次充电量和日累计量、温度（充电时动力源温度、充电机温度、环境温度）、输出过电压和欠电压以及温度异常（包括动力源与充电机）。

③自动计费功能。充电桩可以采用IC卡充电操作，可自动计费并显示、打印计费结果或直接用IC卡结算。

④监测功能。监测动力源的温度等参数。

⑤故障保护和报警功能。对输入电源过压、缺相、过流、过热、短路、开路、极性接反、超温等故障均有自动保护并发出声光报警信号；具有断电时保护数据，电流、电压、时间等参数不超出所设定范围以及软件故障的提示等安全措施。

1.3.1.1　电动汽车充电桩的功能

根据电动汽车充电方式的不同，电动汽车充电设施可以分为充电桩、充电站、换电站、充换电站四种类型。

（1）充电桩　电动汽车充电桩的功能类似于加油站里面的加油机，是一种“加电”设备，直流充电桩是一种高效率的充电器，利用专用充电接口，采用传导方式，可以快速地给电动汽车充电。电动汽车充电桩具有相应的通信、计费和安全防护功能。市民只需要购买IC卡并充值，就可以使用充电桩为汽车充电。

充电桩可以固定在地面或墙壁上，安装于公共建筑（公共楼宇、商场、公共停车场等）和居民小区停车场或充电站内，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。充电桩外观如图1-8所示。



图1-8　充电桩外观

充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。充电桩一般提供常规充电和快速充电两种充电方式，人们可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面上刷卡使用，进行相应的充电方式、充电时间、费用数据打印等操作。利用充电桩给电动汽车充电时，显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。

为满足大规模的家用电动汽车用户及时、方便地充电的需求，可在住宅小区或商业大厦的专用停车场安装一定数量的智能充电桩，充电桩可提供220V或380V交流电源接口，为电动汽车提供应急充电服务。充电桩占地面积很少，建设成本较低，更适合于支撑大规模的家用电动汽车充电。根据电流种类不同，充电桩可分为直流充电桩、交流充电桩、交直流一体充电桩，分别采用相应的充电方式完成对车载蓄电池的充电。

①直流充电桩是俗称的“快充”装置，它固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电动汽车蓄电池提供小功率直流电源的供电。直流充电桩具有充电机功能，可以实时监视并控制被充电蓄电池状态，同时，直流充电桩可以对充电电量进行计量。

直流充电桩的输入电压采用三相四线AC380V±57V，频率50Hz，输出为可调直流电，直接为电动汽车的动力蓄电池充电。一般充电功率10～40kW，充电时间1～4h；占地面积也不大（1～2m2）。由于充电功率不大，一般的动力用电回路可满足使用。由于直流充电桩采用三相四线制供电，可以提供足够的功率，输出的电压和电流调整范围大，可以满足快充的要求。

直流充电桩具有无人值守、智能刷卡消费和区域组网管理功能，方便运营部门管理。电动汽车在市内运行时，中间停顿的机会较多，此时也是对电动汽车临时补充充电的机会。直流充电桩投资小，占地小，电网较易满足，因而可以大量在停车场、办公楼、购物中心、宾馆、饭店、游览区、有车位街道、小区等设置。

②交流充电桩是俗称的“慢充”装置，固定安装在电动汽车外、与交流电网连接，为电动汽车车载充电机（即固定安装在电动汽车上的充电机）提供交流电源，同时具备计量计费功能。交流充电桩只提供电力输出，没有充电功能，需连接车载充电机为电动汽车充电。交流充电桩具有占地面积较小、布点灵活等特点。

交流充电桩提供单或双路220VAC/380VAC输出接口，为电动汽车车载充电机提供交流电源，交流充电桩基本结构由箱体、安全配电盘、磁电开关、电量计量、刷卡消费和智能管理系统组成。

交流充电桩的输出功率一般为5kW（220VAC）/20kW（380VAC），但真正的充电功率是受车载充电机制约的，一般小型电动汽车的车载充电功率为2～3kW之间。鉴于费用较低和充电时间方便的原因，电动汽车将优先选择在夜间充电，由于我国大部分家庭没有自己的专属车库，户外也不允许私拉电线，因而需要为每一辆电动汽车配备1个交流充电桩。

（2）充电站　电动汽车充电站是指为电动汽车充电的站点，与现在的加油站相似。充电站至少应具备补充能源（主要为电能）和提供维修服务两大基本功能，并配备相应的专业技术人员来完成这项工作。在充电站的基础设施方面，需配备电力输入设备（接口与缆线）、快速充电机、电能输出设备线路（接口与缆线）、动力源性能检测与诊断仪器、专用灭火器材以及电动汽车零配件等。充电站主要由行车道、充电区、配电装置、充电装置、监控装置等组成，充电站内有多台充电机、多个充电桩，占地面积较大，采取快充、慢充等多种方式为电动汽车提供电能，并能够对充电机、蓄电池进行状态监控。

充电站按照功能可以划分为四个子模块，即配电系统、充电系统、蓄电池调度系统、充电站监控系统。充电站给电动汽车充电一般分为两种方式，即普通充电、快速充电。普通充电多为交流充电，可以使用220V或380V的电压。快速充电多为直流充电。充电站主要设备包括充电机、充电桩、有源滤波装置、电能监控系统。

（3）换电站　换电站的功能是将电动汽车开到换电站，把车上的蓄电池取下，换上充满电的蓄电池，同时支付相应的费用。电动汽车换电站可以省去车主大笔的购买蓄电池的费用，并且可以解决充电时间过长的问题，但因蓄电池重量大，必须使用机械设备更换，而且对电动汽车制造有一定的限制，即必须统一蓄电池标准，对基础设施建设要求高。换电站为用户提供更换蓄电池和蓄电池维护服务，换电站的主要设备是蓄电池拆卸、安装设备，换电站具有操作专业性强、更换蓄电池时间短、占用场地面积比充电站小等特点。换电站对换下的蓄电池进行统一充电和维护，其优点是快速，用户换完蓄电池就可以上路，比加油都快。

（4）充换电站　电动汽车充换电站具有充电站、换电站的功能，电动汽车充换电站是一种较为综合的电动汽车能量补给场所，具有蓄电池更换及大功率充电设备，可对不同型号的车辆蓄电池进行普通充电和快速充电，为多种车辆提供不同要求的充电服务。

充换电站由多台充电机、充电桩组成，占地面积较大，采取快充、慢充和换蓄电池等多种方式为电动汽车提供电能，并能够对充电机、动力蓄电池、蓄电池更换设备进行状态监控。一个完整的充换电站主要由配电室、中央监控室、充电区、更换蓄电池区和蓄电池维护间五个基本组成部分。

①配电室。充换电站的配电室内部建有变配电设备、配电监控系统以及相关的控制、补偿设备、计量设备。充换电站的配电室包括高压配电和低压配电两部分。

a.高压配电部分包括高压供电线路和高压供电设备等，其功能是将高压电变换为低压电。根据电动汽车的动力蓄电池容量、充电时的电压和电流设置、车辆数量等数据的不同，充电系统总容量可能达到兆伏安等级以上，此时需要采用高压供电方式为充电系统供电。

b.低压配电部分包括低压配电线路和低压配电设备等，其功能是将低压动力电源分配给充电机及其他辅助设备，完成对电动汽车的充电及其他辅助功能。

②中央监控室。中央监控室用于监控整个充换电站的运行情况，并完成数据库管理、报表打印等。内部建有充电机监控系统主机、烟雾传感器监视系统主机、配电监控系统通信接口、视频监视终端等。充换电站智能综合管理网络架构如图1-9所示，充换电站安防监控系统如图1-10所示。

石化行业基于现有的终端网络，将部分加油站改造成为具备充电功能的综合服务站，石化行业应用方案如图1-12所示。公交集团利用原有的停车站场建设充换电站，公交充换电站应用方案如图1-13所示。出租车充电设施通常设置快充充电终端，电动出租车在1h内即能充满电，出租车充电设施应用方案如

充电桩。安装在户外的充电桩防护等级不应低于IP54，安装在户内的充电桩防护等级不应低于IP32。充电桩一般建设在以下场所。