龔桃榮，李濤，劉瑞，王建，黃亮

(北京南瑞智芯微電子科技有限公司，北京市102200)

?

路燈充電樁建設(shè)方案研究

龔桃榮，李濤，劉瑞，王建，黃亮

(北京南瑞智芯微電子科技有限公司，北京市102200)

為了緩解環(huán)境與能源危機(jī)，促進(jìn)節(jié)能減排工作的開(kāi)展，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的3種充電設(shè)施進(jìn)行比較分析，得出充電樁將成為公共充電設(shè)施的主要基礎(chǔ)裝置的結(jié)論。提出了將LED市政路燈與電動(dòng)汽車(chē)充電樁建設(shè)相結(jié)合的交流供電與直流供電2種方案。對(duì)2種方案進(jìn)行研究，從環(huán)境需求、功能結(jié)構(gòu)、節(jié)能效益(以北京市城六區(qū)高壓鈉燈改造為例)這3個(gè)方面進(jìn)行比較分析，得出交流供電方案建設(shè)具有簡(jiǎn)便快捷的優(yōu)勢(shì)，但直流供電方案減少了交直流轉(zhuǎn)換次數(shù)，提高了交直流轉(zhuǎn)換效率，節(jié)能效益更優(yōu)，且有利于后期與分布式電源進(jìn)行結(jié)合，在促進(jìn)新能源消納的同時(shí)，推進(jìn)新型電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

節(jié)能減排；充電設(shè)施；LED路燈；充電樁

0 引 言

為了緩解環(huán)境與能源危機(jī)，應(yīng)對(duì)全球氣候變化，建設(shè)環(huán)境友好型、能源節(jié)約型社會(huì)，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，我國(guó)正在大力加強(qiáng)節(jié)能減排工作。電動(dòng)汽車(chē)具有以電代油、環(huán)保高效的優(yōu)點(diǎn)，是值得大力提倡的方式，因此，電動(dòng)汽車(chē)在我國(guó)的發(fā)展前景廣闊。充換電站、充電樁等充換電設(shè)施是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展中必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，其重要性日漸突出[1]。此外，LED路燈相比高壓鈉燈和金鹵燈具有壽命長(zhǎng)、綠色節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展LED道路照明節(jié)能潛力巨大[2]。殷樹(shù)剛等[3]提出了將電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施建設(shè)與道路LED改造相結(jié)合的一體化思路；德國(guó)柏林2013年12月提出計(jì)劃將100個(gè)傳統(tǒng)的路燈柱改造成充電樁[4]?；诖耍疚奶岢雎窡舫潆姌督Y(jié)合的建設(shè)方案，并介紹北京市昌平區(qū)的試點(diǎn)工程。

1 充電設(shè)施分析

目前電動(dòng)汽車(chē)充電方式主要分為2類(lèi)：充電和換電。充電分為常規(guī)充電和快速充電，需要建設(shè)充電樁或充電站；換電即將整車(chē)電池進(jìn)行更換，需要建設(shè)換電站。

(1)充電樁：已有充電樁一般采用額定功率7 kW以下的交流充電模式，文獻(xiàn)[3]提出了直流充電的模式，所述方案之一計(jì)劃充電樁采用額定功率為6 kW的直流充電模式。充電樁的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在硬件和占地成本低，并且充電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊較小；電動(dòng)小汽車(chē)的充電時(shí)間為4～6 h，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命[5]。但是充電樁充電過(guò)程較長(zhǎng)意味著將主要針對(duì)用戶(hù)的停車(chē)過(guò)程。本文與路燈結(jié)合的電動(dòng)汽車(chē)充電樁主要建設(shè)在住宅區(qū)、辦公區(qū)、大型商場(chǎng)與購(gòu)物中心停車(chē)場(chǎng)及周?chē)?/p>

(2)充電站：主要為電動(dòng)公交車(chē)、出租車(chē)及公用車(chē)充電。由充電樁、非車(chē)載直流充電機(jī)等組成。一方面可以提供常規(guī)慢速充電，另一方面可以提供快速充電。慢速充電也采用充電樁，快速充電需要功率較大的非車(chē)載直流充電機(jī)，額定功率可以達(dá)到200 kW以上，充電時(shí)間可以控制在1 h 以?xún)?nèi)[6]。盡管快速充電時(shí)間短，但不僅影響電池壽命，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊，需要進(jìn)行合理的規(guī)劃，因此充電站快速充電主要作為應(yīng)急之用。

(3)換電站：主要由電池拆卸安裝設(shè)備和電池存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)組成，為用戶(hù)提供更換電池和電池維護(hù)服務(wù)。通過(guò)直接更換車(chē)載電池的方式補(bǔ)充電能，時(shí)間與燃油汽車(chē)加油時(shí)間接近，換電方式最為便捷[7]。但是需要電動(dòng)汽車(chē)和車(chē)載電池實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，而且換電過(guò)程需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作。換電站可以建在充電站也可以單獨(dú)設(shè)立，相比充電站占用場(chǎng)地面積小。

表1為3種充電設(shè)施的對(duì)比分析表。從這3種充電設(shè)施的分析比較可以看出，3種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中充電樁作為常規(guī)充電，占地面積小、投資少、建設(shè)快，并且主要用于較長(zhǎng)時(shí)間的停車(chē)過(guò)程，將成為電動(dòng)汽車(chē)的主要充電設(shè)施，充電站與換電站將成為其良好的補(bǔ)充充電設(shè)施，共同構(gòu)成未來(lái)的充電網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

表1 3種充電設(shè)施的比較

Table 1 Comparison of three kinds charging facilities

2 路燈充電樁建設(shè)分析

2.1 建設(shè)環(huán)境需求

路燈充電樁的建設(shè)應(yīng)該不影響交通并且便于使用，如下幾種道路環(huán)境可以滿(mǎn)足需求。

(1)公路不分主輔路，路燈桿在道路一側(cè)，路邊便于停車(chē)充電的情況。在此情況下，充電樁可以依附于路燈桿建設(shè)，停車(chē)充電不影響其他的交通參與者，如圖1所示。

圖1 公路不分主輔路，路燈桿位于道路一側(cè)示意圖Fig.1 Street lamp pole locating at one side of road without main and auxiliary

(2)道路分為主輔路形式，路燈桿位于輔路路邊，輔路為自行車(chē)道或者人行道，如圖2所示。此種情況下充電樁依附于路燈桿建設(shè)，在不影響自行車(chē)和行人的情況下增設(shè)停車(chē)位，方便電動(dòng)車(chē)停車(chē)充電。

圖2 道路分為主輔路，路燈桿位于輔路示意圖Fig.2 Street lamp pole locating at auxiliary road

(3)路燈桿位于輔路與主路的隔離綠地，充電樁設(shè)立于燈桿處，汽車(chē)可停在增設(shè)停車(chē)位的輔路充電，如圖3所示，并作相應(yīng)提示，保證其他交通參與者安全，同時(shí)，充電樁可以設(shè)立在輔路路邊。

其他建設(shè)環(huán)境包括小區(qū)停車(chē)場(chǎng)、公共停車(chē)場(chǎng)、景觀燈周?chē)?，可以根?jù)情況靈活設(shè)立。

2.2 建設(shè)方案研究

將傳統(tǒng)的高壓鈉燈、金鹵燈等改造成LED燈后，將節(jié)省50%以上的容量供充電樁使用。充電樁市場(chǎng)上比較常用的為交流供電模式，文獻(xiàn)[3]已提出采用直流供電模式(下文中交流供電模式簡(jiǎn)稱(chēng)交流樁，直流供電模式簡(jiǎn)稱(chēng)直流樁)，在未來(lái)路燈充電樁的建設(shè)中可能有2種模式，將根據(jù)實(shí)際情況采用2種方案。

圖3 路燈桿位于輔路與主路的隔離綠地示意圖Fig.3 Street lamp pole locating at isolated green belt between main and auxiliary load

2.2.1 交流供電建設(shè)方案

交流供電建設(shè)方案是指充電樁采用交流充電樁，只需提供交流市電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由配電柜、智能控制系統(tǒng)、LED路燈和交流充電樁組成。各部分說(shuō)明如下。

圖4 路燈交流充電樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 System structure of street lamp charging piles supplied by AC power

(1)配電柜：將交流電網(wǎng)上的電源轉(zhuǎn)換成三相380 V交流市電。供LED路燈和交流充電樁使用。

(2)LED路燈：由驅(qū)動(dòng)器和LED燈頭組成。驅(qū)動(dòng)器將220 V交流電轉(zhuǎn)換成適合LED使用的直流電壓。

(3)交流充電樁：由通信與控制器和人機(jī)交互界面組成。通信與控制器完成智能控制系統(tǒng)的通信以及指令的傳達(dá)，并與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。人機(jī)交互界面完成充電信息輸入、顯示及打印等。

(4)智能控制系統(tǒng)：主要由前端硬件信息采集設(shè)備、傳輸信道、后端軟件平臺(tái)三大部分組成。智能控制系統(tǒng)示意圖如圖5所示，其中后端軟件平臺(tái)包含LED智能控制和充電樁智能控制。前端設(shè)備主要有集中控制器、防盜報(bào)警設(shè)備、數(shù)據(jù)采集擴(kuò)展模塊等。集中控制器一般安裝在配電柜中，可管理下屬每個(gè)支路的分控器，根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)交互要求，與分控器進(jìn)行互動(dòng)，采集并存儲(chǔ)分控器的上傳信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的分析和處理后將數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸信道上傳至主站。同時(shí)還可通過(guò)模擬量采集設(shè)備，采集配電箱以及各回路的電參數(shù)。為了預(yù)防偷盜，分控器還可外接行程開(kāi)關(guān)、線纜防盜終端、警鈴等其他報(bào)警傳感器，向主站及時(shí)上報(bào)報(bào)警信息，且可與箱體內(nèi)的攝像頭進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，提升系統(tǒng)的防盜取證能力。

圖5 智能控制系統(tǒng)示意圖Fig.5 Intelligent control system

可以看出這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建設(shè)快捷，但是每個(gè)LED路燈的驅(qū)動(dòng)器需將交流市電轉(zhuǎn)換成直流電，并且交流充電樁只能給帶有車(chē)載充電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)充電。

2.2.2 直流供電建設(shè)方案

直流供電建設(shè)方案是指充電樁采用直流充電樁，直接為電動(dòng)汽車(chē)提供直流電，無(wú)須電動(dòng)汽車(chē)配有車(chē)載充電機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，由供電系統(tǒng)、LED路燈、直流充電樁和智能控制系統(tǒng)組成。其中與交流供電方案的區(qū)別如下。

(1)供電系統(tǒng)：包含配電柜、電源模塊和控制器。電源模塊由工作電源模塊和備用電源模塊組成，當(dāng)工作電源模塊出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到備用電源模塊工作。電源模塊將配電柜輸出的交流電轉(zhuǎn)換成一定電壓范圍的直流電，供LED路燈和直流充電樁使用。

(2)LED路燈：包含恒流源和LED燈頭。恒流

圖6 路燈直流充電樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 System structure of street lamp charging piles supplied by DC power

源將電源模塊提供的直流電穩(wěn)定在一固定電流值，一般為350 mA或700 mA。

(3)直流充電樁：將電源模塊輸出的直流電根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)需求轉(zhuǎn)換成一定電壓范圍的直流電，由充電功率模塊、充電機(jī)主控制器、人機(jī)交互和智能管理模塊組成。充電功率模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入直流電的電壓和電流變換，同時(shí)進(jìn)行濾波計(jì)量等功能。充電機(jī)主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電能變換、人機(jī)交互、對(duì)外信息傳輸?shù)目刂乒芾怼Ｖ悄芄芾砟K采用不同通訊方式將充電樁狀態(tài)信息對(duì)外數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)集中智能管理的功能。人機(jī)交互功能與交流充電樁相同。

從以上分析可以看出，相比交流供電方案，直流供電建設(shè)方案主要有如下優(yōu)勢(shì)：(1)將配電柜輸出的交流電集中整流為直流電減少了電能轉(zhuǎn)換次數(shù)，提高了電能轉(zhuǎn)換效率，節(jié)省了電能損耗；(2)直流充電樁可以直接供電動(dòng)汽車(chē)使用，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)須安裝車(chē)載充電機(jī)；(3)LED路燈只需一個(gè)恒流源即可點(diǎn)亮LED燈頭；(4)此系統(tǒng)便于同提供直流電的太陽(yáng)能光伏等分布式電源結(jié)合建設(shè)新型的電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)。

但是目前直流供電方案中需要的直流充電樁還沒(méi)有性能穩(wěn)定的成熟產(chǎn)品。

2.3 節(jié)能效益分析

以北京市城六區(qū)市政路燈中高壓鈉燈的改造與建設(shè)路燈充電樁為例，據(jù)北京市政路燈管理處的統(tǒng)計(jì)，2012年北京市城六區(qū)市政路燈共計(jì)20.233 6萬(wàn)盞(不含景觀照明)，有70，100，150，250，400，600，1 000 W這7種功率型號(hào)，對(duì)應(yīng)的數(shù)量如表2所示。每年每盞燈點(diǎn)亮約4 000 h(每天約10.96 h)。

如果將高壓鈉燈都替換為L(zhǎng)ED路燈，根據(jù)達(dá)到相同照度的耗電量計(jì)算，LED可以節(jié)省50%以上的電量，因此按照50%的功率進(jìn)行替換。北京市市政路燈的高壓鈉燈1年耗電量如表2所示。不論是交流供電方案還是直流供電方案，如果將高壓鈉燈都替換為L(zhǎng)ED路燈后，由表2計(jì)算得每年節(jié)電量為：1.811 9億kW·h×50%=0.906億kW·h。

表2 北京市路燈高壓鈉燈1年耗電量

Table 2 Power consumption in one year of street high pressure sodium lamp in Beijing

此外采用直流供電方案中集中整流方式比交流供電方案的分散式整流提高5%的轉(zhuǎn)換效率，這樣直流供電方案能比交流供電方案節(jié)省更多的電量，計(jì)算得：1.8119億kW·h×50%×5%=0.045 3億kW·h。

節(jié)能效益主要體現(xiàn)在減少煤的燃燒及CO2、SO2等有害氣體的排放。按照目前中國(guó)火電廠煤耗為326 g/(kW·h)[8]，CO2排放997 g/(kW·h)進(jìn)行估算[9]，北京市城六區(qū)實(shí)施市政路燈的節(jié)能改造后每年北京市最少可以煤耗減少2.954萬(wàn)t，減少CO2排放約9.033萬(wàn)t。同時(shí)進(jìn)行充電樁建設(shè)后可推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步減少石油的消耗量，緩解能源危機(jī)。如果采用直流供電方案，集中整流可以進(jìn)一步減少煤耗0.148萬(wàn)t，減少CO2排放約0.452萬(wàn)t。

3 路燈充電樁建設(shè)試點(diǎn)介紹

對(duì)目前電動(dòng)汽車(chē)的用戶(hù)響應(yīng)度低的現(xiàn)狀[10]，路燈充電樁建設(shè)具有很強(qiáng)的可行性，適宜在城市范圍內(nèi)迅速推行，其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有典型的示范案例，商業(yè)模式也在逐步探討之中。以北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目《新能源汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用——路燈充電樁研制及示范—結(jié)合LED燈改造試點(diǎn)應(yīng)用》示范工程為例進(jìn)行介紹。

由北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)牽頭，昌平區(qū)政府參與，北京南瑞智芯微電子科技有限公司主持完成的京密北路東段路燈充電樁建設(shè)改造項(xiàng)目，工程路段全長(zhǎng)1.5 km，實(shí)施LED路燈改造84盞，以120 W LED燈替換250W高壓鈉燈，建成8座6 kW交流慢充充電樁和2座30 kW交流快充充電樁，并為直流充電樁預(yù)留18 kW的功率，部署市政路燈一體化管理系統(tǒng)1套。建成以后，以昌平地區(qū)電動(dòng)出租車(chē)充電為例，使用慢充樁充電時(shí)間為4～5 h，使用快充樁30 min可補(bǔ)電80%。這批充電樁的投入使用有效地緩解了昌平區(qū)的電動(dòng)汽車(chē)充電問(wèn)題。與集中式充電站建設(shè)相比，采用路燈充電樁模式，無(wú)須占用建設(shè)用地，這批充電樁減少占地土地200 m2；與路燈系統(tǒng)共用配電設(shè)施和電纜，節(jié)約配網(wǎng)線路改造和增設(shè)變壓器成本約20萬(wàn)元。

4 結(jié) 論

(1)交流供電方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建設(shè)便捷，但只能為帶有車(chē)載充電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)充電。

(2)直流供電不僅可以減少交直流轉(zhuǎn)換次數(shù)，減少轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電能損耗，還能直接供電動(dòng)汽車(chē)使用，且電動(dòng)汽車(chē)無(wú)須安裝車(chē)載充電機(jī)。未來(lái)便于與太陽(yáng)能光伏等分布式電源結(jié)合，構(gòu)造新一代電動(dòng)汽車(chē)充電網(wǎng)絡(luò)。

(3)路燈充電樁建設(shè)可以促進(jìn)節(jié)能減排、緩解石油缺乏的局面，且直流供電方案比交流供電方案的節(jié)能效益更好。

目前直流供電方案缺少成熟的直流充電樁產(chǎn)品，在介紹的路燈充電樁試點(diǎn)工程中安裝了6個(gè)交流慢充樁，2個(gè)交流快充樁，并為直流充電樁預(yù)留了18 kW的功率。

[1] 薛飛,雷憲章,張野飚,等.電動(dòng)汽車(chē)與智能電網(wǎng)從V2G 到B2G 的全新結(jié)合模式[J].電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(2):29-34.Xue Fei, Lei Xianzhang, Zhang Yebiao, et al.A brand-new approach of connecting electrical vehicles with smart grid from vehicle-to-grid mode to battery-to-grid mode [J].Power System Technology, 2012,36(2):29-34.

[2] 韓建偉,劉行仁.節(jié)能LED路燈[J].中國(guó)照明電器, 2009(1):17-21，29.Han Jianwei, Liu Xingren.Energy-saving LED Road Light[J].China Light & Lighting,2009(1):17-21,29.

[3] 殷樹(shù)剛, 劉建明, 趙羨龍, 等.基于低壓直流供電技術(shù)的市政路燈與電動(dòng)汽車(chē)充電樁一體化系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(3):571-575.

Yin Shugang, Liu Jianming, Zhao Xianlong, et al.A low-voltage DC power supply technology based integrated system for urban street lighting and charging piles for electric vehicles[J].Power System Technology, 2014, 38(3): 571-575.

[4] 李山.柏林試水路燈充電樁[N].科技日?qǐng)?bào)，2013-12-21(2)[2015-01-26].

[5] 魯莽，周小兵，張維.國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究[J].華中電力, 2010, 23(5):16-20.Lu Mang, Zhou Xiaobing, Zhang Wei.Research on development of charging facilities for electric vehicles at home and abroad[J].Central China Electric Power,2010,23(5):16-20.

[6] 劉堅(jiān).電動(dòng)汽車(chē)充電方式和商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式初探[J].汽車(chē)工程師, 2011(1):19-22.Liu Jian.A preliminary study on charging infrastructure development and business operation models[J].Auto Engineer, 2011(1):19-22.

[7] 王恩琦.電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)模式及規(guī)劃研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.Wang Enqi.Research on business mode and planning of EV’s charging facilities[D].Beijing：North China Electric Power University，2012.

[8] 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)[R].2012.

[9] 低碳辭典：節(jié)約1度電減排多少CO2[EB/OL].(2010-09-02)[2015-01-26].http://finance.ifeng.com/roll/20100902/2579060.shtml[10] 何永秀，周波，熊威.北京市電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)響應(yīng)度研究[J].電力建設(shè)，2013，34(1), 1-6.He Yongxiu, Zhou Bo, Xiong Wei.Research of Beijing consumers’ response on electric vehicles[J].Electric Power Construction, 2013,34(1):1-6.

(編輯：張媛媛)

Construction Scheme of Street Lamp Charging Piles

GONG Taorong, LI Tao, Liu Rui, WANG Jian, HUANG Liang

(Beijing Nari Smart-chip Microelectronics Company Limited, Beijing 102200, China)

To alleviate the environment and energy crisis, and promote energy conservation and emission reduction, three charging facilities for electric vehicles were analyzed and compared, whose result showed that charging piles would be the main infrastructure of public charging facilities.Two power supply schemes (AC and DC) were proposed, which combined the constructions of LED street lamp and charging piles.Taking the transformation of high pressure sodium lamp of six urban areas in Beijing as example, this paper compared these two schemes from aspects of environment demand, function structure and energy-saving benefit.The results show that: the construction of AC supply scheme is simple and quick; but the DC supply scheme reduces the number of AC-DC conversion, improve the AC/DC conversion efficiency, and has better energy-saving benefit, which can be beneficial to the combination with distributed power in the future, promote the new energy consumption and the construction of the charging network of new electric vehicle.

energy conservation and emission reduction; charging facilities; LED street lamp; charging pile

北京市科委計(jì)劃項(xiàng)目(Z141100004014018)。

TM 925.02

A

1000-7229(2015)03-0038-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.007

2014-09-09

2015-01-08

龔桃榮(1982)，女，工學(xué)博士，工程師，主要從事用電節(jié)能、智能用電等方面的工作；

李濤(1979)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事智能用電、低壓直流供電等方面的工作；

劉瑞(1984)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事用電節(jié)能、智能用電等方面的工作；

王建(1986)，男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事用電節(jié)能、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的工作；

黃亮(1980)，男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事用電節(jié)能、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的工作。