淺析適用于高速公路的大功率風(fēng)光互補智能充電樁設(shè)計研究
發(fā)布時間：2021-09-03 13:36
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摘要：為解決新能源汽車長途出行用電不足難題,將風(fēng)能、光能互補轉(zhuǎn)化為電能作能源輸入,提出了依托高速公路的設(shè)計方案,并研究和完善風(fēng)光互補智能充電樁設(shè)計。該設(shè)計在沿海等風(fēng)能儲備充足空間適宜的高速路段架設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī),在高速服務(wù)區(qū)建設(shè)充電終端,終端擁有人機(jī)交互界面,后臺遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能,提供更加智能、便捷的新能源汽車充電服務(wù)。
關(guān)鍵詞：高速公路;新能源汽車;風(fēng)光互補;智能化;充電樁
一、研究背景
隨著化石能源儲量日漸減少,環(huán)境問題也不斷地凸顯,新能源汽車以其環(huán)保、節(jié)能的獨特優(yōu)勢得到人們的認(rèn)可,但是作為新型技術(shù)產(chǎn)業(yè),存在一定的發(fā)展阻力,而如何提高新能源汽車的續(xù)航性能應(yīng)屬于較需攻克的難題了。在解決新能源汽車?yán)m(xù)航問題上,我國不斷加快建設(shè)公共新能源汽車充電樁。用電能去取代化石能源,這真的是零排放嗎,將燃燒化石能源的直接碳排放,改為電能生產(chǎn)的間接排放,這樣的新能源汽車依舊不是“綠色”的。這時就需要一套更加綠色、環(huán)保的供能系統(tǒng),去保證能源輸入的清潔性。在東部沿海及西北部等地區(qū),風(fēng)能儲備充足,而在城際間的大部分高速路段空間充足,具備架設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的條件,汽車連續(xù)地高速行駛形成的空氣流動,在一定程度上也為風(fēng)電設(shè)備提供了動力輸入。在城際間的高速路段建設(shè)新能源汽車充電設(shè)備,保證能源輸入的情節(jié)性,同時也提高了新能源汽車的續(xù)航性能。
二、設(shè)計方案
1、供電系統(tǒng)
風(fēng)能、光伏發(fā)電系統(tǒng)是整個設(shè)計重要組成部分,主要經(jīng)過風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電板組發(fā)電通過充電裝置穩(wěn)壓、限流后儲存在高速服務(wù)去的蓄電站中。風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電板組的分布示意圖如圖1所示,高速公路兩行車道之間綠化帶中安置垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),其中安置密度需對高速周圍空間、風(fēng)能儲備情況、車流量等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析來確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝密度。根據(jù)行車的高度限制、風(fēng)力大小來確定安裝風(fēng)機(jī)的高度及使用風(fēng)機(jī)的規(guī)格、大小。行車道兩側(cè)可安置光伏發(fā)電板,根據(jù)植被的生長需要,選擇光伏板發(fā)電板的規(guī)格及安裝高度、密度。
圖1分布示意圖
2、充電終端
高速公路的服務(wù)站點可安置新能源汽車充電樁,經(jīng)配電室配送至每個充電樁位。充電終端由小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電板組、充電樁三部分構(gòu)成,風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電板組為系統(tǒng)提供更多的電力輸入。高速服務(wù)站點可根據(jù)場地需要,建制圖2橫向停車位充電終端和縱向停車位充電終端。充電終端以MCU為主控單元,包含充電口檢測、網(wǎng)絡(luò)通信及儲存單元等基本電路,具有電壓電流檢測、充電槍口溫度檢測、緊急停用等功能,同時提供顯控觸摸人機(jī)交互界面,支持二維碼快捷支付,使用者可以通過手機(jī)小程序查看充電狀態(tài),充電終端也會將充電數(shù)據(jù)反饋給服務(wù)后臺,保證充電樁的安全使用。
圖2橫向停車位充電終端
三、實現(xiàn)功能與展望
完整的充電系統(tǒng)包含供電系統(tǒng)和充電終端兩大部分,其中需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電機(jī)組、蓄配電室、監(jiān)控室、充電區(qū)、維護(hù)室等六部分組成。根據(jù)充電使用電量及發(fā)電組的發(fā)電量的數(shù)據(jù)分析,配電室應(yīng)具備給予充電終端220V市電配送的功能,以防止東南沿海等地區(qū)連續(xù)陰雨天氣的出現(xiàn),導(dǎo)致供電不足情況的發(fā)生。監(jiān)控室實時監(jiān)控發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量以及地區(qū)的天氣數(shù)據(jù)、充點終端運行情況,并完成管理情況的報表打印等。
隨著硅材料光伏發(fā)電板技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展,發(fā)電效率將逐步提高,發(fā)電量也會不斷增多,四通八達(dá)的高速網(wǎng)路也將建立起新能源的發(fā)電網(wǎng),分布式的風(fēng)光電站將過多的電量并入國家電網(wǎng)。充電終端逐漸的普及,可在城鎮(zhèn)中建起小型的公共充電站,再一次對新能源汽車的續(xù)航性能作再一次的提升,來適應(yīng)市場的需求,刺激新能源汽車的新一輪發(fā)展。
四、安科瑞充電樁運營管理平臺
1、系統(tǒng)架構(gòu)
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。
充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體功能如下：
資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。
交易結(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表
用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理
充電服務(wù)：充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等
微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能
數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析
變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)荷下降為止。
2、平臺功能
2.1平臺登錄
在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進(jìn)行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。
2.2平臺首頁
2.3實時監(jiān)控
l 充電站監(jiān)控
充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。
l 充電槍監(jiān)控
充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。
2.4微信小程序
l 搜索與使用
微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示
l 授權(quán)登錄界面
用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進(jìn)入這個頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面，如圖所示：
l 主功能頁
初次進(jìn)入主功能頁時需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等。
l 充電
掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價和預(yù)計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評價。
l 個人信息
個人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設(shè)置支付密碼等功能
3、硬件配置
3.1平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。
推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）
若客戶自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點數(shù)的不同，分別如下：
3.2現(xiàn)場推薦硬件配置清單：
五、安科瑞限流式保護(hù)器的介紹與選型
1、限流式保護(hù)器的設(shè)計
電氣防火限流式保護(hù)器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當(dāng)弊端，發(fā)生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現(xiàn)滅弧保護(hù)，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財產(chǎn)的安全。
安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護(hù)器的主要元件是固態(tài)開關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機(jī)械運動過程，分?jǐn)鄷r間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負(fù)載斷開時通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開關(guān)的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運動實現(xiàn)，分?jǐn)鄷r間微秒級，速度快，無電弧產(chǎn)生。
如圖1所示，當(dāng)發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關(guān)在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態(tài)開關(guān)則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。
圖1短路故障前后電流與時間關(guān)系圖
從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開關(guān)與固態(tài)開關(guān)在短路時所釋放的能量差別可以達(dá)到數(shù)千倍之多。因此當(dāng)裝配限流式保護(hù)器的回路發(fā)生短路故障時，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而有效降低了電氣火災(zāi)。
2、ASCP200-1功能特點
ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器是單相限流式保護(hù)器，較大額定電流為63A。主要功能如下：
A）短路保護(hù)功能，線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護(hù)；
B）過載保護(hù)功能，線路持續(xù)過載時，保護(hù)器限流保護(hù)；
C）表內(nèi)超溫保護(hù)功能，保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護(hù)器限流保護(hù)；
D）過/欠壓保護(hù)功能，線路欠壓或過壓時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；
E）電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報警設(shè)定值時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；
F）漏電流監(jiān)測功能，線路漏電超過報警設(shè)定值時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；
G）通訊功能，保護(hù)器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監(jiān)控軟件或平臺，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
3、ASCP200-1技術(shù)參數(shù)
4、應(yīng)用方案圖示
ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器建議安裝在入戶開關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開關(guān)的具體規(guī)格進(jìn)行設(shè)置，典型應(yīng)用示意圖如圖2所示：
圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖
5、使用注意事項
在選用限流式保護(hù)器時，限流式保護(hù)器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當(dāng)限流式保護(hù)器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應(yīng)將限流式保護(hù)器的額定電流設(shè)置為32A。為保障限流式保護(hù)器的正常使用，嚴(yán)禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。
ASCP200系列采用限流式保護(hù)器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內(nèi)，應(yīng)確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱。
為確保可靠連接，接線時應(yīng)按接線圖進(jìn)行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導(dǎo)致局部過熱，也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護(hù)器工作不正常，線頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護(hù)器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實。
保護(hù)器內(nèi)部帶有交流電，嚴(yán)禁非專業(yè)人士擅自打開產(chǎn)品外殼。保護(hù)器在使用期間，若被保護(hù)線路發(fā)生短路或過載故障而被限流保護(hù)時，保護(hù)器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護(hù)器的復(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護(hù)器恢復(fù)正常運行時。
當(dāng)保護(hù)器因超溫而發(fā)生限流保護(hù)時，則可能是因為負(fù)載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е拢赏ㄟ^加強(qiáng)通風(fēng)等措施，等保護(hù)器溫度降下來后，再長按復(fù)位鍵，使保護(hù)器復(fù)位，恢復(fù)正常運行。
六、結(jié)束語
節(jié)能是未來汽車發(fā)展的新方向,新能源汽車成為市場新的經(jīng)濟(jì)增長點。充電樁等基建設(shè)備的完善,勢必會促進(jìn)新能源汽車的新一輪發(fā)展。同時風(fēng)、光發(fā)電從技術(shù)層面上有一定局限性,這勢必會阻礙新能源汽車充電設(shè)備的發(fā)展,但也為該設(shè)計的生產(chǎn)開發(fā)明確了研究方向。隨著新能源科技的不斷發(fā)展,能源利用效率的逐步提高,新能源汽車的諸多問題終會被解決。
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