我国制定了GB/T18487.1—2015《电动汽车传导充电系统》等关于充电接口和通信协议的标准, 以及GB/T29316—2012《电动汽车充换电设施电能质量技术要求》等关于电网对充电设施的要求, 且要求大型公共建筑物配建停车场、社会公用停车场建设充电设施的车位比例不低于10%。我国民用航空局于2011年发布了“关于加快推进行业节能减排工作的指导意见”, 要求“大力加强节能减排关键技术等基础研究、积极推进节能新技术在机场建设中的应用”, 飞行区充电设施的规划应用及研究是重要的组成部分。

目前国内外充电设施规划模型分为以下4类^[1]:以充电设施经济性为目标的节能模型;以设施加权距离和交通流量为目标的空间分布模型;以用户排队充电时间、排碳量最少为目标的时间分布模型;以对电网的影响为目标的电能质量模型。

在电动汽车规划建设方面, 大多侧重于研究充电站的选址定容, 对充电桩和换电站的研究较少;少数研究将多种充电设施都考虑在内, 但在建模过程中因考虑影响因素不够全面, 分析影响因素时较为理想化, 与实际偏差较大。

规划充换电设施时首先考虑需求及可行性。在需求方面综合考虑汽车保有量、充换电设施规模等因素;在可行性方面需考虑选站的地理位置、经济因素、电网承受等问题^[2]。针对飞行区充电设施的规划, 提出以下3个步骤。

1) 电动汽车充电需求预测及分类充电需求预测是电动汽车充电设施规划的基础, 已有研究提出多种充电需求的预测方法:基于交通网络流量的预测方法^[3]、基于停车生成率模型的预测方法^[4]、基于用户充电行为及蒙特卡罗模拟的预测方法^[5]等, 结合不同车辆类型和电动汽车渗透率计算电动汽车的保有量;其次根据不同电动汽车的驾驶行为、充电模式、充电场所的选择, 将电动汽车充电需求分为多种类型, 进而得到不同类型电动汽车的充电需求。目前充电类型有:直流充电桩、交流充电桩、充电站、换电站等。

2) 电动汽车充电设施的综合规划不同类型的电动汽车充电需求由不同类型的充电设施来满足。对于所有的充电设施, 考虑规划的投资成本、运维成本、电量成本以及其他成本, 以综合成本最小为原则, 建立统一的规划模型。

3) 规划方案的评价及调整由于实际工程与规划间往往存在差别, 规划方案需要根据实际评价进行调整。考虑环境因素、政策因素、经济因素以及其他相关因素, 评价规划方案的可行性, 对部分不可行的充电设施规划成果进行优化。

青岛胶东国际机场是在建的4F级机场, 设有2条3 600m长的跑道和50万m²的航站楼, 为国内首个申报绿色三星生态园区的机场, 其在充电设施的规划方面走在国内前列。

飞行区地面特种车辆有种类繁多、分布区域分散、充电类型差异大、服务公司数量多等特点。据可行性研究报告分析, 新机场的特种车辆总计约570辆, 按照新能源车占特种车辆≥30%计算, 则电动车需≥172辆。按照充电桩与电动车辆1∶1配置, 则充电桩需≥172套。可以看出, 现阶段电动特种车辆的电池组电压水平及充电需求差异较大。

充电基础设施体系需统一规划、分步实施、车桩相随、智能高效, 兼顾车位资源分配度、新能源车辆进驻进度及车辆的升级换代发展需求。根据不同车辆的充电需求, 设置集中充电站或分散充电桩以及换电站, 在运行管理方面具有安全、实用、灵活和智能的特点。

航站楼周边的飞行区主要有连接带、服务车道;站坪附近有登机桥固定端、廊桥活动区等。航站楼的外轮廓呈流线状, 机位线不规则, 机头位置空间较局促, 站坪安全区外还设有机务配电亭、升降式高杆灯、机位标记牌、飞机地面空调、地井控制箱等用电设备, GSE区设有飞机推杆等地面设备, 充电设施的规划以在航站楼外墙车道边为主, 具体结合车位布置、运行部门使用习惯、航站楼内工艺流程进行定位, 如图1所示。货运区域以特种车辆集中停放位置就近设置为主, 由图2可知, 交直流充电桩的分布呈现分散与集中相结合的特点。

典型换电站由大型车换电车间、小型车换电车间、配电室、监控设备室及休息间等组成, 建筑外形尺寸为26.5m×22m×8m (长×宽×高) (见图3) 。大型车换电工位为大型车 (机场摆渡车、飞机牵引车等) 提供电池更换服务, 服务能力为30辆电动车。小型车底盘换电工位为小型车 (场务、机务等工作车) 提供电池更换服务, 服务能力为144辆电动车。配置1台容量为2 000k VA的变压器, 电压等级为10/0.4k V;1回10k V进线及相应的保护、监控和通信。

电池更换系统由全自动电池更换设备、充电架 (机) 和电池箱等组成。全自动电池更换设备采用全自动自旋转一步式换电模式, 在换电工位两侧各配置1台电池更换设备, 共2台。每台更换设备独立工作, 一次动作可以取放多箱电池。根据电动汽车动力电池充电架的设计, 电池可采用单箱 (大箱24串) 、2箱 (小箱12串) 串联充电2种模式。

充电电流按0.4C (C是电池容量) 计算 (以摆渡车为例) :

式中:I_r为充电装置的额定电流;K_c为容量换算系数;I_m为电池容量, 此处按300Ah计。

充电电压 (最大) 计算:

式中:U_r为充电装置的额定电压;n为蓄电池单体个数, 此处取24;K_u为电压调节系数, 此处取1.35;U_cm为充电末期单体蓄电池电压, 此处取2.7V。

分箱充电模块选择:输出电流为150A, 输出电压为50~100V。分箱充电机通过连接对应动力电池充电架, 并根据电池充电架上动力电池的BMS信息和充电工位的就位信息, 实现对动力电池的充电。每面分箱充电机柜配置通信网关, 将充电状态信息上传至监控系统。

根据Q/GDW487—2010《电动汽车电池更换站设计规范》, 进行每换电工位电池箱配置数量的设计, 参照如下:

式中:N₃为每个换电工位日充电箱数 (箱) ;m₀为每车次的装载电池箱数, 取9箱;N₅为设计每换电工位对应的充电架工位基数;C为每天最大充电循环次数, 取6 (工作时间/电池充满时间=0.7×24/2.5) ;N₄为站内总的充电架工位数量;k₂为换电调节系数, 主要考虑来车不均匀、站内有辅助更换设备及临时换电工位等情况, 一般取1.0~2.0, 此处取1.0;N₁为设计换电工位数 (工位) ;k_t为每天有效工作时间系数, 按每天第1辆车进站换电到最后1辆车换电完成出站计, 一般取0.6~1, 此处取0.7;t₀为每工位对每车次的平均换电时间, 按车辆从进站换电到换电完成出站计, 取12min。计算得:N₃=756箱;N₅=126箱;N₄=126箱。

因每辆车共需要9箱电池, 则需126/9=14套电池。每个换电工位共需要配置N₄=126箱电池, 对应14组电池 (每组5大4小) 。同理, 得出小型车共需建设2套底盘换电站。

在总平面布置方面, 站内道路应与外部道路环通, 道路宽度和转弯半径满足消防车的要求。室外应设消防砂坑, 当电池发生紧急情况时将电池投入, 并用准备好的砂土进行掩埋, 防止事态进一步扩大。

在车辆的集中出入位置进行换电站规划, 位于飞行区东北和西南区域的地服车库及维修车库附近, 地理位置均衡, 场地条件基本符合要求, 如图4所示。

充电基础设施监控系统主要完成与充电设施有关的配电设备、充电设备、电动车辆的实时监控与设备管理, 确保充电设施的安全、可靠、高效运行, 应含以下子系统。

1) 配电设备监控子系统 (间隔层利用电力监控系统实现) 用于完成配电数据采集、控制操作、保护信息处理、事件报警等功能;对有源滤波及无功补偿装置进行实时监控, 设置运行参数, 采集其投切前后电网谐波的相关数据, 了解当前电网的电能质量。

2) 充电设备监控子系统主要采集、处理、存储来自直流充电桩或交流充电桩的实时运行数据以及电动汽车动力电池的实时参数;完成充电机的控制调节, 与电池管理系统 (BMS) 通信获取电池状态和运行信息;获取电能计量信息, 完成充电计费和充电过程的联动控制。完成充电事件记录、报警处理、充电设施智能负荷调控、向上级监控转发等功能, 为充电设施安全、可靠、经济运行提供保障。

3) 设备管理子系统设备的管理、维护是监控系统不可缺少的功能, 系统主要完成配电设备、充电设备、电动汽车等设备的台账管理、运行记录、维护更换记录等。其中充电信息管理完成整车充电记录、充电设备运行数据的存储与统计分析;车辆台账信息管理用于存储统计车型配置信息、配备电池组型号参数、更换维护电池组的记录等。

1) 柔性充电的必要性及应用分析在未来相当长时间内, 电动车厂家技术革新面临的问题为通过提高电池容量加大续航里程、缩短充电时间。柔性充电堆利用计算机控制技术根据BMS的请求对全部或者部分智能充电模块按需分配, 通过加大充电电流的方式满足大容量车辆的充电需求, 以达到系统利用率的最大化, 系统主要通过安全节能控制、可调配需求的模块数量、对冗余模块进行软关断或者开启, 对模块进行休眠、开启、周期性的自动轮换工作等, 达到节能的目的。目前主要有以下2种方式: (1) 通过结合固定功率区和动态功率区, 在固定功率区上叠加动态分配功率区, 实现对充电功率的智能分配; (2) 采用全矩阵的方式实现功率共享、按需分配。

从系统上看, 和设计单个整流模块和电源模块的角度不同, 柔性充电技术保证了充电的速度、安全、运行效率、可靠和兼容, 是充电技术的发展方向。

飞行区应用存在的问题分析: (1) 柔性充电采用直流母线, 从充电堆到各充电终端采用统一的直流母线。目前机场电动特种车辆 (以摆渡车和牵引车为例) 的电池组总电压相差近100V。如果该2辆车同时充电, 直接将所有的电池加到电源母线上, 则会出现很大的尖峰电流I= (V₁-V₂) /R_i, 该压差直接加在电池的内阻上, 导致接触器触点黏结。如果在DC-DC后面放置电压进行调节, 则充电终端之间模块调度的基础就不再存在, 其应用的前提是电池参数的标准化。 (2) 特种车辆存在大量的交流充电需求, 柔性充电堆无法满足。 (3) 充电堆需要搭建集装箱柜体, 对场地的占用空间有一定要求。 (4) 集中控制部分投资高, 需要考虑经济因素。

优化方案: (1) 交流充电桩仍按照规划设置; (2) 在场地较为局促的指廊端头等区域设置直流充电桩; (3) 在指廊中部设置柔性充电堆, 充电功率按满足最大1台电动车辆的充电电流选择, 适度留有余量, 功率宜≤200k W;在远机位GSE区适当设置柔性充电堆, 功率宜≤100k W。

2) 换电站本期设置的必要性分析由于飞行区的特种车辆无论从电池类型、电池外形尺寸、接口等都缺乏统一标准, 参数不尽相同, 换电地点相对于各类型车辆的停放及运行位置有一定距离。换电站整体投资约2 500万, 适用于规格单一、换电车辆>200辆的场所, 经综合比较分析, 目前阶段换电站的设置条件不成熟, 本次规划宜预留位置、分期实施。

飞行区的充电设施规划应按照适度超前、智能高效、综合效益最大化的原则, 依据现阶段电动车辆的技术条件, 从车辆及使用需求出发, 提出了交流充电桩、直流充电桩及柔性充电堆的合理组合方案。