1.2 电动汽车充电站总体结构

1.2.1 电动汽车充电站变配电系统

充电站变配电系统为电动汽车充电站的充电设备、监控系统和办公场所等提供交流电源。变配电系统不仅提供充电所需的电能，也是整个充电站正常运行的基础。充电站的变配电系统包括高压配电部分、配电变压器和低压配电部分。

1.高压配电部分

高压配电部分包括高压供电线路和高压供电设备等，根据电动汽车的动力电池容量、充电时的电压和电流、车辆数量等数据的不同，充电设施总容量可能达到MVA等级以上，此时需要采用高压供电方式为充电设施供电。高压配电的主要设备有：

1）进线隔离柜。即内置高压隔离开关，保证高压电器及装置在检修工作时的安全。

2）高压进线柜。即内置高压断路器，主要是分断、闭合电路，有继电保护功能。

3）压变柜。即内置电压互感器，是将10kV电压变换成100V，提供仪表和二次控制回路的操作电源。

4）计量柜。即内置电压互感器、电流互感器、电能计量表等，计量电能消耗量。

5）馈电柜。即出线柜，配电至变压器。

6）联络柜。用于将两路高压母线联通或断开。

7）直流屏。即把交流电源转化为直流电源，为高压设备和二次回路提供操作、测量、保护用的直流电源。

2.配电变压器

配电变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（流）变成频率相同的另一种或几种数值不同电压（电流）的设备。随着我国“节能降耗”政策的不断深入，国家鼓励发展节能型、低噪声、智能化的配电变压器产品。主流的节能配电变压器主要有节能型油浸式变压器和非晶合金变压器两种：

1）油浸式配电变压器按损耗性能分为S9、S11、S13系列，相比之下S11系列变压器的空载损耗比S9系列低20%，S13系列变压器的空载损耗比S11系列低25%。国家电网公司已经广泛使用S11系列配电变压器，并正在城网改造中逐步推广S13系列，未来一段时间S11、S13系列油浸式配电变压器将完全取代现有在网运行的S9系列。

2）非晶合金变压器兼具了节能性和经济性，其显著特点是空载损耗很低，仅为S9系列油浸式变压器的20%左右，符合国家产业政策和电网节能降耗的要求，是节能效果较理想的配电变压器。

3.低压配电部分

低压配电部分包括低压配电线路和低压配电设备等，通过低压配电设备将380V低压动力电源分配给充电机及其他辅助用电设备。低压配电设备主要有进线柜、馈线柜、联络柜和电容补偿柜等。

1）进线柜。进线柜为配电变压器负荷侧的总开关柜，该柜担负着整段母线所承载的电流，该开关柜所连接的是主变与低压侧负荷输出，其作用极其重要。在继电保护配置上确保当主变低压侧母线或断路器发生故障时，由进线柜的开关来切除故障。

2）电容补偿柜。电容补偿柜的作用是提高供电系统的功率因数，降低因电网功率因数低带来的能源浪费。

3）联络柜，也称为母线分段柜。联络柜是用来连接两段母线的开关设备，主要用在具有两个电源的配电系统中，两个电源的两段分别与联络柜的上、下端连接。在低压供电系统正常供电时，联络柜的开关分断，当一段母线需检修停电或故障停电时，自投装置控制联络柜开关合闸，通过联络柜为停电母线供电。

4）出线柜。出线柜通过配电线路为用电设备提供电源。

1.2.2 电动汽车充电站充电设施

充电站充电设施是整个充电站的核心部分，充电设施应满足多种形式的充电需求，提供安全、快捷的能量补给服务。充电站充电设施由充电机和充电桩组成，充电机为充电桩提供稳定可靠可调节的直流电源。充电站配置的充电桩有交流充电口和直流充电口，以完成对电动汽车的充电控制和充电操作。

充电站计费装置内置集成在充电站内部作为充电运营管理收费系统的硬件设备，充电站运营收费一般可采用刷卡收费、扫描二维码或手机APP在线支付等方式计量收费。

1.交流充电桩

交流充电桩集交流充电接口、人机交互接口、高低压配电控制、保护于一体，配合电动汽车车载充电机提供了一种极为简洁的刷卡操作和常规充电方式。交流充电桩的设计化繁为简，将简易人机交互与齐备的控制保护集成在体积小巧的充电桩体内，桩体外观新颖、设计精巧，无不体现出低碳环保、科技智能和实用主义的核心理念。

交流充电桩通过车载充电机为动力电池充电，相对于直流充电桩而言，交流充电桩成本低，结构简单，对动力电池更友好，适合大范围面积普及推广。交流充电桩本质就是一个带控制的交流插座，输出的是交流电，需要车载充电机进行变压整流，受限于车载充电机功率，交流充电桩一般功率较小，3.3kW和7kW的居多。

交流充电桩的电气原理框图如图1-2所示，主回路由输入保护断路器、交流智能电能表、交流控制接触器和充电接口连接器组成；二次回路由控制继电器、急停按钮、运行状态指示灯、充电桩智能控制器和人机交互设备（显示、输入与刷卡）组成。

主回路输入断路器具备过负荷、短路和漏电保护功能，交流接触器控制电源的通断，连接器提供与电动汽车连接的充电接口，具备锁紧装置和防误操作功能。

二次回路提供“启停”控制与“急停”操作；信号灯提供“待机”“充电”与“充满”状态指示；交流智能电能表进行交流充电计量；人机交互设备提供刷卡、充电方式设置与启停控制操作。

充电桩的交流工作电压通常为220V（1±15%），输出电流为32A（AC、七芯插座），普通纯电动汽车用交流充电桩充满电需要6～8h。交流充电桩一般由桩体、电气模块、计量模块、财务管理模块四部分组成。

2.直流充电桩

直流充电桩是集充电控制模块、功率转换模块、人机交互模块、智能通信模块、计量模块、财务管理模块于一体的电动汽车智能充电产品，安装简便，防护性高。除了能够提高安全可靠的快速充电服务外，人机交互友好，充电操作简单，同时能够配合充电服务云平台实现智能搜索、预约提醒、信息推送和功率分配等智能服务。

直流充电桩的电气部分由主回路和二次回路组成，主回路的输入是三相交流电，经过输入断路器、交流智能电能表之后由充电模块（整流模块）将三相交流电转换为动力电池可以接受的直流电，再连接熔断器和充电枪，给电动汽车的车载动力电池充电。二次回路由充电桩控制器、读卡器、触摸屏、直流电能表等组成，二次回路还提供“启停”控制与“急停”操作，信号灯提供“待机”“充电”与“充满”状态指示，触摸屏作为人机交互设备提供刷卡、充电方式设置，通过控制器将“开机”“关机”“输出电压”“输出电流”等指令下发给充电模块。

直流充电桩采用三相四线制供电，可以提供足够大的功率，输出的电压和电流调整范围大（适用于乘用车和大巴车的电压需求），可以实现快充。直流充电桩的结构框图如图1-3所示。

在直流充电桩的交流输入端配置有空气开关（断路器）、防雷保护器及漏电开关，三相380V交流电经过防雷滤波模块后输入至充电模块交流端，目前，单个的充电模块只有15kW，不能满足功率要求，需要多个充电模块并联在一起工作，需要由CAN总线来实现多个模块的均流。直流充电桩配置的三相四线制电能表计量整个充电机工作时的实际充电电量。充电机输出经过充电枪直接给动力电池进行充电，充电桩的输出若是高压、大电流，则应设置熔断器。

在直流充电桩工作时，辅助电源给主控单元、显示模块、保护控制单元、信号采集单元及刷卡模块等控制系统进行供电。另外，在动力电池充电过程中，辅助电源给电池管理系统供电，由电池管理系统实时监控动力电池的状态。

3.计量计费系统

计量计费系统主要由计量部分和计费部分组成，计量部分由端口电能表、直流电能表、交流电能表（含三相表与单相表）以及充电站计量管理机组成；计费部分主要由计费工作站与服务器组成。

在充电站内由用电采集终端负责采集各个端口电能表、直流电能表、交流电能表的实时电量信息，通过本地工业以太网与计费工作站通信，将整个充电站的总电量、各充电机的每次充电电量传送到后台进行处理，并把电量和计费信息存储到数据库服务器中；通过充电站计量管理机完成与用电信息采集系统或上级监控中心的通信，确保上级系统能够实时获取充电站内的电量信息。

1）充电计费系统管理平台对系统涉及的基础数据进行集中式管理，例如电动汽车信息、购电用户信息和资产信息等。

2）充电计费系统运营平台用于对电动汽车的充电用户的充值进行运营管理。

3）充电计费系统查询平台用于对管理平台及运营平台产生的相关数据进行综合查询。

1.2.3 电动汽车充换电站动力电池调度系统

1.动力电池调度网络

在整个动力电池调度网络内，可配送的动力电池数量是十分庞大的，所以及时、准确地配送数量庞大的可更换动力电池，不仅能够保证整个充电站网络的正常运行，还将大大降低配送过程中的人力、物力成本。

动力电池调度网络集动力电池的充电、物流调配以及换电服务于一体，这种一体化的运营结构将有利于动力电池企业的标准化生产，有利于能源供给企业的集约化管理，从而能够显著降低运营成本。

以国家电网公司颁布的《基于物联网的电动汽车智能充换电服务网络运行管理系统技术规范》为例，在动力电池调度网络中包含集中型充电站、换电站、配送站等三类，其中集中型充电站承担大规模的动力电池充电功能，充满电的动力电池将被配送至具有小规模充电能力和更换动力电池功能的换电站以及仅具备更换动力电池功能的配送站，从而实现为用户的动力电池供应能量。图1-4所示为电池调度网络运行的基本结构。

在换电模式下，通过对集中型充电站或换电站进行充电管理，可实现动力电池的统一调度和监控。规模化的动力电池可作为巨大的储能单元，有效地参与负荷管理和系统调峰，提高电网负荷率，最大限度地减少谐波污染等对电网的不利影响，从而提高系统整体运行的效率。

动力电池调度系统对所有的动力电池实时进行数量、质量和状态的监控和管理，具备动力电池存储、更换、重新配组、均衡、实际容量测试、故障的应急处理等功能。动力电池更换是动力电池调度系统的核心。自动更换方式是动力电池快速更换的主要方式，由更换机械装置和控制系统组成的更换机器人完成。

通过智能调度可实现充换电站运行管理系统与公交运营管理系统的有效互动和信息共享，智能运行调度在两个运行管理系统之间进行有效、及时的信息互动，对电动汽车运行状态、动力电池充放电特性、换电站工况等相关数据实施综合处理，通过必要的统一调度，实现公交车与电动汽车充换电站高效有序地运行。可使充换电站在降低动力电池备用数量的同时，提高充换电站设施的使用效率。

2.更换动力电池区

更换动力电池区是车辆更换动力电池的场所，需要配备动力电池更换设备，同时应建设用于存放备用动力电池的存储间。动力电池重量大，更换须用半自动小型吊车或吊架装置，可由现有汽车修配厂常用的类似设备改装或专门设计批量生产。

1）动力电池箱更换设备。乘用车动力电池箱更换时间不宜大于300s，商用车动力电池箱更换时间不宜大于600s。动力电池箱更换设备应具备最大功率限制和防倾倒等功能。自动或半自动动力电池箱更换设备应具备手动操作及紧急停机功能。在装载、搬运和卸载动力电池箱过程中，动力电池箱更换设备应保证操作人员、车辆和设备的安全。

2）动力电池箱转运设备。动力电池箱转运设备应具有安全、快捷转移和运输动力电池箱的能力。在转运动力电池箱的过程中，应保证操作人员和设备的安全。

3.动力电池维护间

动力电池维护间包括筛选和维护充电间以及备用动力电池库，动力电池重新配组、动力电池组均衡、动力电池组实际容量测试、动力电池故障的应急处理等工作都是在动力电池维护间进行的，其消防等级按化学危险品处理。动力电池维护间可采用计算机控制的大型充电设备，可同时为几十至几百个不同型号动力电池按各自最佳的标准化电流程序同时充电，手动或自动识别动力电池种类，按电荷量计费。小型充电站可采用较简单的充电设备，但必须保证能为各类型动力电池充足电。

动力电池进入维护间后，首先进行动力电池的筛选，确定动力电池的好坏。对不能使用的动力电池进行恰当处理，避免污染环境，可以继续使用的动力电池进行维护和活化。维护完的动力电池送充电间充满电后，进行装箱，为编组准备动力电池。

动力电池维护间配备的动力电池箱检测与维护设备应具备动力电池箱总体电压及各个动力电池单体电压、动力电池箱内部电芯温度、动力电池箱容量的检测功能。动力电池箱检测与维护设备应具备动力电池箱绝缘性能检测功能，应能检测各动力电池单体或动力电池模块绝缘性能。动力电池箱检测与维护设备宜具备动力电池箱内阻检测功能，应能检测各动力电池单体内阻，动力电池箱检测与维护设备应具备动力电池均衡功能。

1.2.4 电动汽车充电站监控系统

1.安防监控系统

在充电站的供电区、充电区、电池更换区、营业窗口等位置设置摄像机，安防监控系统与报警系统实现联动，发生报警时自动触发录像并弹出报警区摄像机的图像，对监控视频的来源，记录的时间、日期和其他系统信息全部或有选择性地保存，视频信息质量及保存时间满足管理需要。在充电站供电区、监控室、电池维护区、电池存储区等位置设置入侵探测器，实现全部或部分探测回路的布防及撤防，充电站安防监控系统如图1-5所示。

1）火灾报警系统。对火灾报警设备按所装设位置进行编号，当发生报警时，安防监控系统可根据编号启动该报警位置摄像机进行事故监视、录像。火灾报警设备的限值由消防部门确定，当发生报警时，启动声光报警器，同时上传火灾发生位置图像到监控中心，工作人员根据情况采取相应措施。

2）视频监控功能。充电站内设置的云台摄像机实时监视关键设备、充电场所、休息区、值班室、营业窗口等位置，发生异常时进行识别处理。发现有闯入报警时上传报警并触发声光报警，现场工作人员需判断发生异常有无安全问题，不影响正常工作时可撤防，有无报警时视频资料均可保存，同时可对所有视频文件进行统一管理。

3）温湿度监测。站内监测系统对配电区、监控室、休息区、更换动力电池操作间等场所进行温湿度监测，并对温湿度数据进行存储。作为火灾报警和热故障的参考，温湿度传感器定时采样，为日常运维提供参数。

4）分布式充电桩异常信息监测。实时监测分布式充电桩的运行情况，发生异常时，摄像机对预先设置好的监测位置进行连续拍照，并以10s间隔抓拍异常图片最少6张，将视频信息及抓拍的相片上传到监控中心。

5）红外感应监测。在分布式充电站内，设置红外传感探测器，通过红外传感探测技术探测充电站安全工作区内是否有车辆接近，当有车辆进入时应发出声光告知信号。

2.充电监控系统

充电监控主要功能包括充电设施数据采集与处理、报警处理、充放电事件记录、事件顺序记录和事故追忆、控制和操作、管理、在线统计计算、画面显示、制表打印、人机接口、远动、通信接口、系统的自诊断和自恢复、维护及权限管理功能等。

1）对充电桩的监控。监视充电桩的交流输出接口的状态，如电流、电压、开关状态、保护状态等；采集与充电桩相连接的电动汽车的基本信息；控制充电桩交流输出接口的通断。

2）对充电机的监控。充电机作为被监控对象，上传送给监控系统的数据主要包含充电机状态信息和动力电池状态信息。

3.变配电监控系统

采用变配电监控系统进行监测管理，可连接智能电力监控仪表、带有智能接口的低压断路器、中压综合保护装置、变压器、直流屏等，实现遥控、遥测、遥信功能，对系统各种运行开关量状态和电量参数进行实时采集和显示，可完整地掌握变配电系统的实时运行状态，及时发现故障并做出相应的决策和处理，同时可以使运行人员根据变配电系统的运行情况进行负荷分析、合理调度、远控合分闸、躲峰填谷，实现对变配电系统的现代化运行管理。

变配电监控系统具有电气参数实时监测、事故异常报警、事件记录和打印、统计报表的整理和打印、电能量成本管理和负荷监控等功能，使设备按最佳工况运行，以节约能源。采用智能变配电监控管理系统，可使供电系统更安全、合理、经济地运行，提高供配电系统可靠性。

变配电监控系统实现了对电动汽车充电站配电设备的监控，方便统一管理和数据共享。可实现对整站的总功率、总电流、总电量、功率因数、主变状态、开关状态、无功补偿及谐波治理设备的监视和控制。

配电系统监控分为保护和测控两个部分，负责针对充电站配电系统的监控及保护功能的实现，通过通信管理机与充电站后台系统实现双向数据交换。