浅谈新能源汽车光储充一体化设计与应用方案

摘要：当前，传统的电网供电充电方式存在速度慢、高峰期负荷大等问题，无法满足新能源汽车用户的快速充电需求，已成为制约新能源汽车大规模商用的瓶颈，因此设计一种快速、绿色、智能的新充电模式迫在眉睫。“光储充”一体化充电站通过集成光伏发电系统、储能系统和智能充电系统，可以实现快速便捷的绿色充电，确保充电站自主可靠运行，解决新能源汽车充电难题，具有良好的经济性和环境效益，对促进新能源汽车产业发展具有重大意义。该文分析新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案，对该方案进行性能评估和试验论证，从而实现绿色环保的快速充电。

关键词：新能源汽车；光伏发电；储能系统；快速充电站

0引言

随着新能源汽车的快速发展，充电设施建设不完善已经成为制约新能源汽车大规模商用的主要原因。目前，新能源汽车充电设施主要依赖电网供电，存在充电速度慢、高峰期负荷大等问题，难以满足用户的快速充电需求。因此，设计一种快速、便捷、绿色的新能源汽车充电站十分必要。本文针对这一需求，设计一种“光储充”一体化新能源汽车充电站方案。该方案通过将高效的光伏发电系统、大容量储能系统和智能充电系统有机结合，可实现充电站的自主供电和智能化控制，提供高效、便捷的快速充电服务。

1新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案

新能源汽车逐渐普及，对高效、便捷、绿色的充电设施需求不断增加。“光储充”一体化充电站通过太阳能光伏板吸收太阳能，将其转化为电能进行储存，再通过快速充电桩为新能源汽车提供充电服务。这种模式有利于充分利用清洁能源，减少对传统电网的依赖，降低能源消耗和减少环境污染。此外，“光储充”一体化充电站还能够加速新能源汽车的推广应用，提高充电效率，缓解充电设施不足的问题，并为用户提供更为便捷的充电体验，进一步促进新能源汽车行业的可持续发展。

1.1总体设计思路

新能源汽车“光储充”一体化充电站的总体设计思路：系统集成光伏发电系统、储能系统和智能充电系统，从而实现快速绿色充电和充电站独立供电。其中，光伏发电系统选用高效的太阳能组件，并配套智能跟踪系统、优化的并网系统及完善的运行维护体系，可实现经济环保的绿色发电；储能系统采用大容量、长使用寿命的锂电池，配套智能BMS系统，可实现对电池的安全监控和优化管理；智能充电系统可实现对多路快速直流充电桩的统一监控和优化调度，以及用户管理、计费等功能。这三大系统互为支撑、兼容良好，可形成稳定、经济、智能的一体化充电解决方案。该设计方案集技术、经济、管理优化于一体，既能解决电动汽车快速充电难题，也可实现充电站的独立自主运行，是新能源汽车充电基础设施建设的重要实践路径。也就是说，为充电站配备大量的高效光伏组件，采用智能优化技术提高发电效率；设置大容量电池作为储能系统，平滑光伏发电的间歇性；通过的电力电子设备和控制算法实现快速直流充电；搭建智能充电管理平台，对充电过程进行优化管理，提供充电预约、计费等功能服务。这样，在白天光伏发电系统可为新能源汽车充电，夜间和阴天则由电池提供电力以保障车辆正常运行，既可实现快速绿色充电，又能确保充电站的独立自主供电。

1.2光伏发电系统设计

新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案中的光伏发电系统设计是一个复杂的系统工程，需要考虑选用高效的太阳能电池、合理安排布局、建立智能化的跟踪和控制系统等多个方面。

其一，工程师需要根据充电站位置的光照条件选择转换效率高、可靠性好的多晶硅或铜铟镓硒（CIGS）等光伏电池组件，以确保光伏发电系统具有较高的发电效率。其二，需采用计算机辅助工程软件，对充电站场地阳光进行分析，确定安装光伏组件的佳倾角、行距和排距，以减少组件之间的相互遮挡对发电量的影响。其三，要考虑组件之间的通风设计，避免发电效率受高温的负面影响。还需建立自动化或数字化的太阳能跟踪系统，实现光伏组件的定时或实时向阳跟踪，进一步提升发电效率。其四，要搭建智能化的监控系统，对光伏发电系统的工作参数进行远程监测，并确保其能实现故障预警、自动报警等功能，保证系统的持续高效运行。通过科学的系统规划设计和智能化的运行维护，光伏发电系统可以为充电站提供经济、稳定、绿色的电力支撑，使整个充电站实现自主化供电。

1.3储能系统设计

在新能源汽车“光储充”一体化充电站设计中，储能系统设计尤为关键。

1. “光储充”一体化充电站可将太阳能光伏板产生的电能进行储存，因此需要一个可靠的储能系统来保证充电站能够全天候提供稳定的电能。储能系统需要具备高效的充放电转换率和较大的储能容量，以满足白天的太阳能收集和晚上的充电需求。同时，储能系统还需要具备可靠的安全性能，能够应对各种突发情况，从而确保充电站的持续运行和满足用户的充电需求。

2. 在储能系统设计中，需要兼顾系统的智能化和可持续性。可以通过智能充放电控制系统实现对储能系统的管理，根据电网和充电需求实时调整储能系统的运行状态，提高能源利用效率。此外，为了确保储能系统的可持续性，需要考虑储能设备的使用寿命和回收利用。因此，在设计储能系统时需要选择高质量、长循环寿命的电池组件，并考虑到电池组件的可持续利用和回收问题，以减少资源浪费，实现绿色环保的目标。

1.4智能充电系统设计

新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案中的智能充电系统，是实现快速智能化充电管理的关键所在。该系统需要具备的充电控制算法，通过监控电池电压、电流、温度等参数，优化控制充电过程，实现快速充电。同时，需配置高功率的直流快速充电桩，并支持其对多辆新能源汽车同时快速充电。在智能充电系统设计中，还需建立的充电负荷预测模型，并根据光伏发电量和储能系统容量进行科学调度，实现充电负荷的平滑化，避免系统超载。此外，需要搭建包含充电桩、车载系统及控制系统的充电站通信网络，实现对充电过程的实时监控和管理，保障充电效率与安全。还可对用户充电需求进行分析与预测，进而实现充电预约、优先充电等差异化智能调度服务，并建立用户注册付费系统，提供充电账单和缴费服务。

智能充电系统承担对充电站所有资源进行科学管理与优化配置的重任，既是实现快速、便捷、经济充电服务的关键所在，也是提升充电站整体智能化运营水平的重要组成部分。

2新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案性能评估

在实施新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案时，需要对其进行性能评估，重点从技术指标评估、经济效益评估两个方面进行，以评估其性能优劣。这对于进一步优化设计方案，确保实现技术进步和经济效益大化具有重要意义。同时，也可以为该设计方案的实际应用提供参考依据。

2.1技术指标评估

在新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案的性能评估中，技术指标评估是衡量充电站整体性能的关键。光伏发电系统性能指标的评估，是通过测量光伏板的转换效率、输出功率稳定性、温度系数、衰减率等参数来进行的。转换效率直接关系每平方米光伏板能产生多少电力，是评估光伏板质量的直观指标；输出功率稳定性则反映了光伏发电系统在不同日照条件下的发电能力是否稳定，这对于保证充电站的持续稳定供电至关重要；温度系数是评价光伏板在不同温度下性能变化的指标，会影响光伏板在实际环境中的发电效率；衰减率是指光伏板随着使用时间增加效率下降的速度，是评估光伏板长期使用价值的重要参数。

储能系统性能指标评估还涉及其容量、充放电效率、循环寿命及整体稳定性。储能系统的容量决定了充电站能够储存多少电力，是保证在光伏发电不足时仍能满足充电需求的基础；充放电效率是评价电能在储存和释放过程中损耗程度的重要参数，直接关系系统的能源利用率；循环寿命反映了储能设备可以经受多少次充放电循环后仍能保持一定容量，是判断储能系统经济性和可靠性的关键指标；系统的整体稳定性包括储能系统在长期运行过程中的安全性和环境适应能力，旨在保证充电站在各种环境下都能安全稳定地工作。

2.2技术经济性评估

新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案中的技术经济性评估主要体现在技术评估和经济性评估两个方面。

一，技术评估。“光储充”一体化充电站采用太阳能光伏发电系统与电池储能系统相结合的方案，可实现清洁能源的发电和储能，供给新能源汽车充电使用。在技术评估方面，需要对光伏发电系统和储能系统的性能进行评估。光伏发电系统的评估指标包括太阳能电池板的转换效率、阵列布局设计、面积利用率等；储能系统的评估指标包括电池的能量密度、循环寿命、充放电效率等。

二，经济性评估。在经济性评估方面，需要考虑“光储充”一体化充电站的建设和运营成本，以及其与传统充电站的对比。建设成本包括光伏发电系统和储能系统的投资成本，以及充电设施和配套设备的成本；运营成本包括电力购买成本、设备维护成本等[6]。与传统充电站相比，“光储充”一体化充电站可以降低对传统电网的依赖，减少能源购买成本，同时还可以通过销售多余的电力回收一部分投资。

3新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案试验论证

在构建好新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案后，需要通过试验对其进行具体分析。但考虑到充电站实地建设难度较大，所以主要从技术可行性和经济可行性两个层面对其进行详细论证，以验证该新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案的可行性，为其推广应用提供决策依据。

一是技术可行性论证。工程师可通过计算机建模进行仿真试验，验证该充电站设计的关键技术指标。例如，在仿真试验系统中建立“光储充”充电站，该站采用60kW的分布式光伏发电系统、100kW·h的锂电池储能系统，支持6个120kW的快速直流充电桩。仿真试验结果表明：该充电站可满足日均充电服务2000车次的需求，大输出功率可达600kW，储能系统可确保夜间23时至次日7时实现正常充电，储能效率在90%以上，验证了充电站的独立供电和快速充电的技术可行性。

二是经济可行性论证。通过对当前市场情况进行调查和分析，对充电站进行成本收益评估得出：单个充电站设备投资约为150万元，投资回收期约为5.5年，投资内部收益率在10%以上。由此可知，该方案具有良好的经济可行性。

4Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

4.1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

4.2平台适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

4.3系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

5充电站微电网能量管理系统解决方案

5.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电站及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图1系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。

5.1.1光伏界面

图2光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.1.2储能界面

图3储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图4储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图5储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图6储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图7储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图8储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图10储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图11储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

5.1.3风电界面

图12风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.1.4充电站界面

图13充电站界面

本界面用来展示对充电站系统信息，主要包括充电站用电总功率、交直流充电站的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电站的运行数据等。

5.1.5视频监控界面

图14微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

5.1.6发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图15光伏预测界面

5.1.7策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图16策略配置界面

5.1.8运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图17运行报表

5.1.9实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图18实时告警

5.1.10历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图19历史事件查询

5.1.11电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度*和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图20微电网系统电能质量界面

5.1.12遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图21遥控功能

5.1.13曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图22曲线查询

5.1.14统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图23统计报表

5.1.15网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图24微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

5.1.16通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图25通信管理

5.1.17用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图26用户权限

5.1.18故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图27故障录波

5.1.19事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户随意修改。

5.2硬件及其配套产品

6结束语

在新能源汽车“光储充”一体化充电站设计中，应用光伏发电和储能技术，构建智能充电管理系统，可实现快速便捷的绿色充电，确保充电站的自主可靠运行。与传统充电模式相比，该充电站设计方案具有良好的技术经济性，电价优势明显，投资回收期短，综合效益好，可有效解决当前新能源汽车充电不便的问题，推动新能源汽车的广泛应用。总体来看，该新能源汽车“光储充”一体化充电站设计方案是当前新能源汽车充电设施建设的重要选择之一，对充电站的建设具有重要的指导意义。未来，还需开展深入研究，推动该充电站设计方案的实际应用，从而为我国新能源汽车产业的发展提供有力支撑。

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【3】陈一帆,王清华,龙泽链,等.风-光-电混合驱动的分布式新能源汽车充电基站的设计研究[J].西部交通科技,2022(9):183-186.

【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.

【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.