新能源电动汽车多场景智慧充电系统

  完成单位：国网山东省电力公司乐陵市供电公司

  主要完成人：孙雷、孙超、李振勇、王洪超、张伟、许彬、崔琦、刘晓娟、袁爽、王景然

一、研发背景

当前，国家着重将碳达峰、碳中和做为发展战略，在节能减排、停售燃油车等政策引领下，电动汽车保有量必较之前有较大提升，但是新一轮的问题也随之出现，主要体现在以下几方面：

（一）地上充电设施

一是“油车霸位”现象突出；二是三线及以下城市中，电动汽车保有量尚处爬坡期，充电桩应用效率低；三是充电站占地面积大、迁移不易，投资者回报周期长；四是商业运营充电站为一般工商业电价，电价成本较高。

（二）地下充电设施

一是存量地下停车场未对充电设施进行规划，升级改造涉及土建，难度大、投资大；二是现有固定式充电桩不能根据需求随时增减、迁移，无法精准满足电动车主需求；三是新建居民小区、商业综合体地下车库车位需求量大，受充电桩利用率低、回报周期长、供电容量增加等原因，开发商投资不积极。

为了解决“车、桩矛盾”，我公司研发了《新能源电动汽车多场景智慧充电系统》。该系统变静为动，将固定的充电桩移动起来，变“车找桩”为“桩找车”，变点为面，提高了充电桩的利用率、充电站点的覆盖率，以其可随时增减充电桩的优势，大幅降低了投资成本；利用光伏储能等设施大幅压降了用户的充电成本。

二、发明团队介绍

（一）项目负责人介绍

王洪超，国网乐陵市供电公司城区供电中心副主任，擅长计量、配电工程、新能源供冷供热等多个专业。拥有发明专利三项，实用新型专利十项，两篇论文（独著），研发了快速接线夹等十几项科研成果。2020年12月被乐陵市总工会授予王洪超工匠创新工作室，先后带出徒弟20余名技术骨干，并获德州市创新标兵、供电系统优秀共产党员、先进个人、乐陵市青年岗位能手、乐陵市“创新标兵”、“乐陵工匠”等荣誉称号10余项。

（二）团队主要技术成员介绍

1.孙雷，国网乐陵市供电公司总经理，负责项目管理协调、制定方案；

2.于本洲，国网乐陵市供电公司党委书记，负责项目管理协调、制定方案；

3.李振勇，国网乐陵市供电公司副总经理，负责项目数据统计和分析；

4.孙超，国网乐陵市供电公司副总经理，负责收集数据、方案实施；

5.朱利，国网乐陵市供电公司纪委书记，负责项目数据统计和分析；

6.封国栋，国网德州供电公司发展策划部副主任，负责项目数据统计和分析；

7.韩立群，国网德州供电公司发展策划部专工，负责收集数据、制定方案；

8.张伟，国网乐陵市供电公司发展建设部主任，负责收集数据、方案实施；

9.袁爽，国网乐陵市供电公司发展建设部专工，负责收集数据、方案实施；

10.崔泽旭，山东中茂实业集团有限公司乐陵分公司，负责提供项目研究场地；

11.孙全峰，国网乐陵市供电公司运维检修部专工，负责收集数据、方案实施。

三、成果(专利)简介

该成果由控制系统、轨道、充电桩可移动集成模块三部分组成，轨道和充电桩可移动集成模块部署安装在车库顶棚上，由原来的地面静态固定桩变为悬吊式动态桩。车主可根据充电需求，通过“一键扫码”功能，实现充电桩通过轨道移动到车库任意停车位，让“车找桩”变成“桩找车”。根据充电车流量变化，可以对充电桩自由增减，灵活性较高。该成果以可移动充电的优势，实现约10%的移动充电桩，满足100%车位充电全覆盖的目标。同时根据地下车库充电桩的前期开发及物料投入情况进行测算，以100个车位为单位，相比于传统方式安装充电桩（一车位一充电桩），可节省约37%（26万元）的资金额。

图1 系统现场图

（一）核心创新点

“新能源电动汽车多场景智慧充电系统”基于大数据平台，以现有固定充电桩为参考，通过为电气设备、电力附属设施、电网业务部件三维建模，并融汇充电桩使用状态数据、安装位置地图，构建新的可移动新能源汽车智慧共享充电系统，助力新动能新动能源转化和低碳出行的推进。

1.安装简单，五线制主线、预留安装到位，实现100%的覆盖率，无需考虑油车占位问题。

2.悬动式充电桩安装在车库顶棚上，由原来的地面静态固定桩变为悬吊式动态桩。不占地面空间，减少人员触及充电桩及漏电伤人危险。

3.用户可在任何覆盖的充电车位，微信扫码自动结转至国网E充电进行付款，系统会自动优选邻近车位充电航车，充电航车会在4分钟内到达您的车位进行充电，充电完成后自动退枪，航车自动收枪，转入待命状态。

4.会根据航车的充电使用率进行排序选车，根据出勤率和就近原则选定，做到全系统寿命周期运行。

（二）关键技术

公司科研人员专门在各处充电站点体验充电，找出用户感受，对小区和商业以及主要公共场所做了相关调研，对用户的电动汽车每天主要对使用路程、停放地点、充电地点、充电时段、充电时间、电价情况等均做了充分调研，以及就电动汽车行驶中，遇到电量不够怎么办以及用户各类用车习惯均进行了数据分析，得出以下“破题”思路：

一是利用光能、风能、电能多源互补，能源管理EMS技术+DCAC模块与配电网交互，实现PCS储用经济管理，组成多源储能站，通过有序用电，可解决当前充电高峰时段负荷超容问题。做到发、储、供、用交互，实现安全、环保、经济、节能、高效和完美。

二是利用悬动式、移动式、横架式、拖拽式充电技术相结合，可解决不同场景的“死桩”“油车霸位”和车位覆盖率的问题。

三是利用地面移动式充电技术，可在城市碎片化的边角地，制定快速安装方案，当天即可投入使用，且拆除后不留建筑垃圾。

四是利用储能技术，可在老旧小区、电力负荷不足的区域，利用当地负荷的波谷期为储能式充电桩进行电力储备以解决老旧小区、电力负荷不足区域的新能源车辆充电需求。

该系统基于大数据平台，采用两大充电方式，四大安装形式，应对不同场景不同需求的充电要求。

供电方式分为直流系统和交流系统，其中，直流系统电流大，充电速度快，适用于公共充电区域安装；交流系统电流小，充电稍慢，造价低，稳定性强，适用于地下停车场安装。

安装方式分为以下四种方式，均可解决在地面和地下车库充电遇到的各种问题：

（1）移动模块式：适用于地面直流站（桩）的建设。将直流桩安装方式改为移动式模块拼装方式，可快速安装，无需安装充电桩基础和铸设水泥地面。根据现场情况灵活增减充电数量，还可利用商圈、公园边角地、草体进行安装来满足临时车位的充电需求。

（2）拖拽式：适用于直流地下停车场公共车位充电系统，特别适用于解决当前建设在车位紧张区域充电站的“油车霸位”问题。

（3）悬动式：适用于有环型通道的交流地下停车场电动汽车充电系统。可一桩对多车位，地下车位可全覆盖，如100个车位，可配30个悬动式充电桩。由原来的地面安装改为悬吊式安装，由静态充电桩改为动态充电桩，不占用地下车位空间，仅用30%的悬动式充电桩即可完成100%的车位充电需求。也可根据小区车位业主最高的充电保有量，灵活增减悬动式交流充电桩。

（4）横架式：适用于中间或通道被排烟管道、消防设施占用等，有通道障碍的，无法架设航架的交流供电地下停车场汽车充电系统。

（三）项目方案

“新能源电动汽车多场景智慧充电系统”基于大数据平台，以现有固定充电桩为参考，通过为电气设备、电力附属设施、电网业务部件三维建模，并融汇充电桩使用状态数据、安装位置地图，构建新的可移动新能源汽车智慧共享充电系统，助力新动能新动能源转化和低碳出行的推进。

1.“新能源电动汽车多场景智慧充电系统”直流系统

地面移动模块式安装：将直流桩安装方式改为移动式模块拼装方式，可快速安装，无需安装充电桩基础和铸设水泥地面。根据现场情况灵活增减充电数量，还可利用商圈、公园边角地、草体进行安装来满足临时车位的充电需求。

用户操作：用户操作与传统充电站相同。

地下停车场拖拽式安装：有隔离保护防火设施的公共充电区域，作为直流拖拽式系统首选。

储能式充电桩安装：采用储能式充电桩，能使现有城市或家庭的配电系统无需进行太大的增容改造，就可以承受电动汽车快速大电流充电的要求，且可以减少电费支出，同时具有传统充电桩具有的常规充电功能，而且通过储能电池容量的配置，可以满足不同容量的充电要求，应用灵活。但是由于储能电池寿命、效率等因素的影响，使其应用受到一定的限制。但是随着电池技术的不断提升，将充电桩与电池储能技术相结合，构建储能式电动汽车充电桩，对推动电动汽车的广泛应用具有重要意义。

静态发电机安装：静态发电机，是集锂电池和多功能双向储能交流器（MPCB）于一体的智能化、模块化发电机，包含双向AC/DC变换器、并离网静态转换开关STS及监控单元PMB，可实现并离网无缝切换，应用场景广泛(可放置在4.2米厢货及皮卡上）。系统可将锂电、市电、光伏、风能、负载等结合在一起，实现新能源发电、储能发电、电网三者之间的合理配置、科学利用，为用户提供高点能制梁，高可靠性和高安全性的用电服务，同时该系统还具备绿色、环保、低噪声、易安装、易操作，可移动，体积小，重量轻等特点。。

用户操作：用户将车辆停入充电点，手机扫码，拖拽式航车用机械臂从母站处夹取充电枪，通过空中航道到达充电点后，充电鼓将充电枪下降到合适的位置，用户将充电枪接入充电口，开始充电，充电完毕，自动退枪，充电鼓自动收回充电枪，机械臂送回充电枪到达母站等待下一次充电。

2.“新能源电动汽车多场景智慧充电系统”交流系统

悬动式智慧充电系统，适用于有环型通道的地下停车场电动汽车交流充电系统。可实现一桩对多车位，地下车位可全面覆盖。如100个车位，可配30个悬动式充电桩。由原来的地面安装改为悬吊式安装，由静态充电桩改为动态充电桩，不占用地下车位空间，仅用30%的悬动式充电桩即可完成100%的车位充电需求。也可根据小区车位业主最高的充电保有量，灵活增减悬动式交流充电桩。

横架式智慧充电系统，适用于通道被排烟管道、消防设施、电缆管道占用等有通道障碍的场地，此处无法架设航架的供电地下停车场汽车交流充电系统。

悬动式、横架式智慧交流系统用户操作：用户将车辆停入停车位，通过手机扫此停车位上面的二维码，充电航车接收系统指令，通过航轨自行移动至充电需求点，进入该充电点对应轨道，充电鼓将充电枪下降到合适的位置，用户将充电枪接入汽车充电口，开始充电，充电完毕，充电系统接收充电完成指令，自动退枪，充电鼓自动收回充电枪，充电航车自动返回母站，进入待命排序。

3.“新能源电动汽车多场景智慧充电系统”特点

模块化、集成化。悬吊式可移动新能源汽车智慧共享充电系统的各部件模块单元化，且占地面积小，安装方便灵活，可以安装在闲置空地上。拆除方便，拆除后可快速恢复原貌，不会对原有环境造成损坏。

机动性。可根据充电客流量的大小随时投放、启动、增减充电桩数量等。便于充电桩企业建设、管理，保证充电桩的充电率，实现精准投放，减小投资、杜绝浪费。

多样化。根据场地需求可设计移动式、悬动式、拖拽式、横架式的智慧充电系统。

数据化。新能源汽车车主在移动或固定电子终端，通过简单的操作，进行APP人机交互，提出充电需求。该系统会根据充电需求及大数据分析结果后，及时通知运营单位调整充电设施的数量及场地位置，做到对充电桩的精准投放，满足充电车辆的充电需求。车主还可通过“手机APP”查看充电设施的具体位置、距离、快充和慢充的空闲充电设施数量，在车主选择想去的充电站后，系统还可以自动精准规划出最优的出行路线。此外，APP可以实时更新对充电热度区域、区域整体充电量、单桩单日充电量、主要充电车型、交通属性等信息，对这些信息进行收集、分析和预测，最终分析出充电的实际供给与未来需求，可以使充电设施运营单位做到更精准的充电站投资建设。

安全化。本系统将一个小型箱变及充电桩软、硬件设备集成为一个固定模块，模块将实现信息安全、运行安全的统一融合。

监测化。具备CAN2.0B、5G技术通讯接口，可以与集中监控通信，上送此处充电设施的充电状态信息、监控系统的实景拍摄照片。对电量采集、电量线损、大数据需求侧管理，实时监控传送，实现平台的集中管理。

经济化。在现有的传统充电系统方式上，用灵活的充电系统技术，实现对充电场站的精准投放，减少不必要的投资。目前直流充电站预算可减少30%以上投资。地下停车场在保证交流充电桩占比在30%情况下，我们可以用10%的智慧充电系统的交流桩完成区域全覆盖。

此外，该系统可以对每月报表、季度核算，年度调整自动分析。而储能式充电桩可以根据谷峰政策，利用储能充电EMS能源管理技术，可自主选择充放电时间段，尤其是夜间谷时(晚上23时次日凌晨7时)充电，峰时还能享受用电半价优惠，保证经济性。还可以将充电桩组装在一个可移动平台（4.2米厢货、皮卡车等车辆），从而形成可移动集成模块单元。

多源化。用市电+光伏发电、风电（AC DC模块）、静态发电机、多能互补充电蓄电方式，实现PCS储能变流，组成”多源荷储模组“从而给充电桩的电源侧供电。

（四）授权专利情况

目前本项目已授权1项发明专利、授权2项实用新型专利、受理3项发明专利。

1.《自动弹出充电枪》实用新型专利已授权，专利号：202121706424.1；

2.《轨道式充电系统》实用新型专利已授权，专利号：202121740291.X；

3.《拖拽式汽车充电装置》发明专利已授权，专利号：202110858688.7；

4.《自动收放充电枪》发明专利已受理，专利号：202110845974.X；

5.《悬动式电动汽车充电系统》发明专利已受理，专利号：202110860240.9；

6.《轨道式充电系统》发明专利已受理，专利号：202110860311.5；

（五）第三方评价情况

1.获得淄博市产品质量检验研究院出具的《新能源电动汽车多场景智慧充电系统》检验合格报告；

2.获得山东省科学技术厅出具的《轨道式充电系统》科技查新报告

（六）获奖情况

1.获得山东省第六届智能制造（工业4.0）创新创业大赛二等奖暨最具投资价值奖；

2.获得德州市科学技术进步奖二等奖。

四、成果（专利）转化情况介绍

2022年4月，与山东省鲁班职工创新创效服务中心签订职工创新成果转化委托协议。截至目前，成果已完成全部功能测试和实地场景搭建，取得了第三方性能检测、成果鉴定报告，具备电动汽车一键扫码充电支付功能，准备在全省、全社会进行推广应用。

五、经济效益与社会效益介绍

项目投运后，管理方面：后台可根据“充电APP”的实时更新对充电热度区域、区域整体充电量、单桩单日充电量、主要充电车型、交通属性等相关信息进行收集、分析和预测，可以更直观的分析出充电的实际供给与未来需求，以真实有效且具有强说服力的大数据分析进行有效管理，既能减轻工作人员的工作压力，又能以较灵活的充电系统技术，实现对充电场站的精准投放，减少不必要的投资；

经济方面：直流充电站预算可减少30%以上投资。地下停车场在保证交流充电桩占比在30%情况下，可以用10%的智慧充电系统的交流桩完成区域全覆盖。

社会效益：本项目可针对现有各种场地环境，可灵活增减充电桩数量，利用大数据调整闲置充电桩，减少资产闲置浪费，提高运行使用效益，减少成本的回收时间。依托国家政策，能够以更科学、更先进、更快速的方式完成小区停车位充电基础设施覆盖。新能源电动汽车多场景智慧充电系统的灵活性，可以降低固定充电设备大规模部署投资搁浅产生的风险，同时可以避免电网配电升级成本和一些安装成本。从长远来看，随着智慧能源越来越多出现在出行场景，可大大提升新能源汽车用户感知，使得移动能源更具有产业战略意义。