充电桩设计需要系数与新能源汽车技术关联的思考

充电桩设计需要系数与新能源汽车技术关联的思考

岑永良

广州珠江外资建筑设计院有限公司510000

在当下这个科技发展迅速的年代，新技术的出现频率相当高，普及速度也相当快。而其中，新能源汽车的发展及其配套的充电站（桩）建设与我们传统的供配电系统息息相关。自2014年《电动汽车充电站设计规范》实施以来，建设部、各地方政府也陆续颁布了一系列文件指导建设方和设计方去对充电站（桩）进行大规模建设。

但因现行汽车大多为化学燃料汽车，电动汽车及混合动力汽车仍属于起步阶段，配套充电站（桩）的建设属于摸着石头过河，到底预留多少负荷和建设到什么程度较为合适，一直在不断变化中。在这几年间，各式各样的设计方案层出不穷，各种对充电桩负荷预测的调研也将现行设计做法逐渐稳定和明朗下来。

在研读了诸多前辈与同行的见解，并经历了多个项目的充电桩供配电设计之后，我也迸发出诸多想法。在此，我将我对统建小区充电桩设计的拙见说与各位分享。

由于对汽车的热爱，平时较多注意到新能源汽车的类型与特点。从现在的科技发展来看，新能源汽车分以下3类：

插电式混合动力汽车（PHEV）

油电混合动力汽车（HEV）

纯电动汽车（EV）

其中，（HEV）利用自身动能回收充电，不需要充电桩充电。而（PHEV）和（EV）虽然同样需要充电桩，但它们之间的区别还是很大的。（EV），完全没有油箱，电池续航时间长。（PHEV）则是以化学燃料为主，电池为辅，其电池续航时间比较短。基于此，我查了一组数据，见下图：

我们可以发现，以通用沃兰达和日产聆风为代表的（PHEV），其电池容量只有ModelS和比亚迪E6的1/3~1/4左右。故此我们大胆假设一下，首先，此类车并不需要长时间占用变压器为其充电。其次，部分（PHEV）车主并不在意车里电池电量是否不足——因为没电不影响汽车使用汽油行驶。所以此类车使用充电桩的频率相对会很低，而且使用时间很短。那搞清楚（EV）和（PHEV）的保有量比例构成对我们取系数是有很大帮助的。

然后，我们再查找一下去年（EV）和（PHEV）的比例构成，以及对未来保有量的预测情况：

以数据显示的情况来看，各大厂商的趋势还是以（EV）为主要方向（占比65%左右），（PHEV）注定只是过渡产品（占比14%）。

但另一方面，我们需要看到的是，这个增长过程是需要10~15年的跨度的。所以，在这个过渡时期中，充电桩的建设是否需要完全考虑15年之后的情况呢？我们现在大批量建设的充电桩如果以15年后作为目标使用情况的话，现在肯定是有所浪费的，但到时是否会过时呢？这个问题我们是需要慎重考虑的。

继而，我再进一步从电动汽车电池的特性来推测分析一下。

目前最成熟的燃料电池仍然为锂电池，主流汽车电池分为钴酸锂、三元锂、锰酸锂和磷酸铁锂四种。锰酸锂是早期（PHEV）所使用的。钴酸锂安全性太差，寿命也短，几乎没有厂商会使用。现在使用最多的是磷酸铁锂，其次是三元锂。我们再看看现在的市场占比和特性：

结合两图，我们可以看到——

第一，三元锂电池的能量密度非常优秀，磷酸铁锂的能量密度就逊色得多了。

第二，三元锂电池由于在200度左右会发生分解（磷酸铁锂则需要温度高达700度），并且分解后会产生更加剧烈的化学反应，因此在汽车碰撞时更容易着火，这也是三元锂电池普遍被认为不安全的地方，而磷酸铁锂就没有这个问题，它非常稳定。

第三，三元锂电池寿命短，而磷酸铁锂寿命长。从使用成本来说，明显时磷酸铁锂占优。

了解完各类锂电池的基本特性之后，我们再来看看它们的充电特性。

当车载充电机接上交流电后，并不是立刻将电能输出给电池，而是通过BMS电池管理系统首先对电池的状态进行采集分析和判断，进而调整充电机的充电参数。整个充电过程是一个相对比较复杂的过程。充电过程中，电能转化为化学能在电池的正负两级形成材料堆积。由于电池的构造特性，在充电的过程中，随着电池电量的不断提升，电池正负极两端的电压也随之上升，充电电流的大小由充电动机输出电压与电池电压的压差决定，称之为充电压差。由于电池组的整体电阻相对很小，如果固定充电电压，在电池充电初期，电池电压较低，充电压差较大，这时充电电流会非常大，会导致电池过热甚至电池损伤。在电池电量不断上升之后，电池电压逐渐升高，充电压差不断缩小，会导致充电电流很小，无法满足充电要求。

这就要求充电动机有一个合理的充电安排，并要求在电池电压较低的时候控制电流以一个较为恒定的电流充电。电池电压达到一定高度接近充满的时候，又要保障电池电压以一定的速度缓慢上升，保证电池能够充满。因此充电过程大致可分为三个阶段，分别是恒流阶段、恒压阶段和截止阶段。详见下图：

结合电池基本特性和充电特性之后，我们可得知三元锂电池因为化学特性更活跃的缘故，它可以兼容45KW快充和7KW慢充，而磷酸铁锂电池基本只能支持7KW慢充。而两种电池在慢充过程中，恒流阶段时间较长，故此在充电过程中长时间是额定功率7KW工作。

通过汽车种类、使用习惯、汽车电池类型构成，我们可以展望一下：从2017到2030年，新能源汽车对于整体汽车占比为40%，其中（EV）份额达到80%，即占整体汽车32%。以一个统建住宅小区来算，充电桩配建比例达到32%已满足。其中30%为45KW快充，70%为慢充。考虑每辆（EV）日行驶40KM，30%电量时充电，则平均每7天充一次电。所以同时在占用变压器容量的按1/7考虑。一个快充车位预留负荷按6个慢充来折算的话，我们设计时按整个车库（100%）中的12%车位预留同时使用慢充7KW的负荷已经足够。

结论：经过几年的沉淀，现行做法是负荷预留18%车位同时使用7KW慢充的负荷，即需要系数取0.18的做法是完全可满足使用至2030年的。而因为不确定哪个业主会买什么类型的车，是否使用快充等因素，只将负荷留到低压柜不出线，也是减少浪费的一个很好的办法。

参考文献

[1]新能源汽车网站

[2]中国汽车数据统计网站

[3]搜狐汽车网站

[4]汽车之家网站