路灯充电桩建设方案研究

龚桃荣，李涛，刘瑞，王建，黄亮

(北京南瑞智芯微电子科技有限公司，北京市102200)



路灯充电桩建设方案研究

龚桃荣，李涛，刘瑞，王建，黄亮

(北京南瑞智芯微电子科技有限公司，北京市102200)

为了缓解环境与能源危机，促进节能减排工作的开展，对电动汽车的3种充电设施进行比较分析，得出充电桩将成为公共充电设施的主要基础装置的结论。提出了将LED市政路灯与电动汽车充电桩建设相结合的交流供电与直流供电2种方案。对2种方案进行研究，从环境需求、功能结构、节能效益(以北京市城六区高压钠灯改造为例)这3个方面进行比较分析，得出交流供电方案建设具有简便快捷的优势，但直流供电方案减少了交直流转换次数，提高了交直流转换效率，节能效益更优，且有利于后期与分布式电源进行结合，在促进新能源消纳的同时，推进新型电动汽车充电网络的建设。

节能减排；充电设施；LED路灯；充电桩

0 引 言

为了缓解环境与能源危机，应对全球气候变化，建设环境友好型、能源节约型社会，增强可持续发展能力，我国正在大力加强节能减排工作。电动汽车具有以电代油、环保高效的优点，是值得大力提倡的方式，因此，电动汽车在我国的发展前景广阔。充换电站、充电桩等充换电设施是电动汽车发展中必不可少的基础设施，其重要性日渐突出[1]。此外，LED路灯相比高压钠灯和金卤灯具有寿命长、绿色节能等优点，发展LED道路照明节能潜力巨大[2]。殷树刚等[3]提出了将电动汽车充电设施建设与道路LED改造相结合的一体化思路；德国柏林2013年12月提出计划将100个传统的路灯柱改造成充电桩[4]。基于此，本文提出路灯充电桩结合的建设方案，并介绍北京市昌平区的试点工程。

1 充电设施分析

目前电动汽车充电方式主要分为2类：充电和换电。充电分为常规充电和快速充电，需要建设充电桩或充电站；换电即将整车电池进行更换，需要建设换电站。

(1)充电桩：已有充电桩一般采用额定功率7 kW以下的交流充电模式，文献[3]提出了直流充电的模式，所述方案之一计划充电桩采用额定功率为6 kW的直流充电模式。充电桩的优点主要体现在硬件和占地成本低，并且充电时对电网的冲击较小；电动小汽车的充电时间为4～6 h，有利于延长电池的使用寿命[5]。但是充电桩充电过程较长意味着将主要针对用户的停车过程。本文与路灯结合的电动汽车充电桩主要建设在住宅区、办公区、大型商场与购物中心停车场及周围。

(2)充电站：主要为电动公交车、出租车及公用车充电。由充电桩、非车载直流充电机等组成。一方面可以提供常规慢速充电，另一方面可以提供快速充电。慢速充电也采用充电桩，快速充电需要功率较大的非车载直流充电机，额定功率可以达到200 kW以上，充电时间可以控制在1 h 以内[6]。尽管快速充电时间短，但不仅影响电池寿命，还会对电网造成较大的冲击，需要进行合理的规划，因此充电站快速充电主要作为应急之用。

(3)换电站：主要由电池拆卸安装设备和电池存储仓库组成，为用户提供更换电池和电池维护服务。通过直接更换车载电池的方式补充电能，时间与燃油汽车加油时间接近，换电方式最为便捷[7]。但是需要电动汽车和车载电池实现标准化，而且换电过程需要专业人员进行操作。换电站可以建在充电站也可以单独设立，相比充电站占用场地面积小。

表1为3种充电设施的对比分析表。从这3种充电设施的分析比较可以看出，3种方式各有优缺点，其中充电桩作为常规充电，占地面积小、投资少、建设快，并且主要用于较长时间的停车过程，将成为电动汽车的主要充电设施，充电站与换电站将成为其良好的补充充电设施，共同构成未来的充电网络，推动电动汽车产业蓬勃发展。

表1 3种充电设施的比较

Table 1 Comparison of three kinds charging facilities

2 路灯充电桩建设分析

2.1 建设环境需求

路灯充电桩的建设应该不影响交通并且便于使用，如下几种道路环境可以满足需求。

(1)公路不分主辅路，路灯杆在道路一侧，路边便于停车充电的情况。在此情况下，充电桩可以依附于路灯杆建设，停车充电不影响其他的交通参与者，如图1所示。

图1 公路不分主辅路，路灯杆位于道路一侧示意图Fig.1 Street lamp pole locating at one side of road without main and auxiliary

(2)道路分为主辅路形式，路灯杆位于辅路路边，辅路为自行车道或者人行道，如图2所示。此种情况下充电桩依附于路灯杆建设，在不影响自行车和行人的情况下增设停车位，方便电动车停车充电。

图2 道路分为主辅路，路灯杆位于辅路示意图Fig.2 Street lamp pole locating at auxiliary road

(3)路灯杆位于辅路与主路的隔离绿地，充电桩设立于灯杆处，汽车可停在增设停车位的辅路充电，如图3所示，并作相应提示，保证其他交通参与者安全，同时，充电桩可以设立在辅路路边。

其他建设环境包括小区停车场、公共停车场、景观灯周围等，可以根据情况灵活设立。

2.2 建设方案研究

将传统的高压钠灯、金卤灯等改造成LED灯后，将节省50%以上的容量供充电桩使用。充电桩市场上比较常用的为交流供电模式，文献[3]已提出采用直流供电模式(下文中交流供电模式简称交流桩，直流供电模式简称直流桩)，在未来路灯充电桩的建设中可能有2种模式，将根据实际情况采用2种方案。

图3 路灯杆位于辅路与主路的隔离绿地示意图Fig.3 Street lamp pole locating at isolated green belt between main and auxiliary load

2.2.1 交流供电建设方案

交流供电建设方案是指充电桩采用交流充电桩，只需提供交流市电，系统结构如图4所示，由配电柜、智能控制系统、LED路灯和交流充电桩组成。各部分说明如下。

图4 路灯交流充电桩系统结构示意图Fig.4 System structure of street lamp charging piles supplied by AC power

(1)配电柜：将交流电网上的电源转换成三相380 V交流市电。供LED路灯和交流充电桩使用。

(2)LED路灯：由驱动器和LED灯头组成。驱动器将220 V交流电转换成适合LED使用的直流电压。

(3)交流充电桩：由通信与控制器和人机交互界面组成。通信与控制器完成智能控制系统的通信以及指令的传达，并与电池管理系统进行通信。人机交互界面完成充电信息输入、显示及打印等。

(4)智能控制系统：主要由前端硬件信息采集设备、传输信道、后端软件平台三大部分组成。智能控制系统示意图如图5所示，其中后端软件平台包含LED智能控制和充电桩智能控制。前端设备主要有集中控制器、防盗报警设备、数据采集扩展模块等。集中控制器一般安装在配电柜中，可管理下属每个支路的分控器，根据各项数据交互要求，与分控器进行互动，采集并存储分控器的上传信息，并对数据进行一定的分析和处理后将数据通过传输信道上传至主站。同时还可通过模拟量采集设备，采集配电箱以及各回路的电参数。为了预防偷盗，分控器还可外接行程开关、线缆防盗终端、警铃等其他报警传感器，向主站及时上报报警信息，且可与箱体内的摄像头进行联动，提升系统的防盗取证能力。

图5 智能控制系统示意图Fig.5 Intelligent control system

可以看出这种方案结构简单、建设快捷，但是每个LED路灯的驱动器需将交流市电转换成直流电，并且交流充电桩只能给带有车载充电机的电动汽车充电。

2.2.2 直流供电建设方案

直流供电建设方案是指充电桩采用直流充电桩，直接为电动汽车提供直流电，无须电动汽车配有车载充电机。系统结构如图6所示，由供电系统、LED路灯、直流充电桩和智能控制系统组成。其中与交流供电方案的区别如下。

(1)供电系统：包含配电柜、电源模块和控制器。电源模块由工作电源模块和备用电源模块组成，当工作电源模块出现故障时，自动切换到备用电源模块工作。电源模块将配电柜输出的交流电转换成一定电压范围的直流电，供LED路灯和直流充电桩使用。

(2)LED路灯：包含恒流源和LED灯头。恒流

图6 路灯直流充电桩系统结构示意图Fig.6 System structure of street lamp charging piles supplied by DC power

源将电源模块提供的直流电稳定在一固定电流值，一般为350 mA或700 mA。

(3)直流充电桩：将电源模块输出的直流电根据电动汽车需求转换成一定电压范围的直流电，由充电功率模块、充电机主控制器、人机交互和智能管理模块组成。充电功率模块实现对输入直流电的电压和电流变换，同时进行滤波计量等功能。充电机主控制器实现对电能变换、人机交互、对外信息传输的控制管理。智能管理模块采用不同通讯方式将充电桩状态信息对外数据传输，实现集中智能管理的功能。人机交互功能与交流充电桩相同。

从以上分析可以看出，相比交流供电方案，直流供电建设方案主要有如下优势：(1)将配电柜输出的交流电集中整流为直流电减少了电能转换次数，提高了电能转换效率，节省了电能损耗；(2)直流充电桩可以直接供电动汽车使用，电动汽车无须安装车载充电机；(3)LED路灯只需一个恒流源即可点亮LED灯头；(4)此系统便于同提供直流电的太阳能光伏等分布式电源结合建设新型的电动汽车充电网络。

但是目前直流供电方案中需要的直流充电桩还没有性能稳定的成熟产品。

2.3 节能效益分析

以北京市城六区市政路灯中高压钠灯的改造与建设路灯充电桩为例，据北京市政路灯管理处的统计，2012年北京市城六区市政路灯共计20.233 6万盏(不含景观照明)，有70，100，150，250，400，600，1 000 W这7种功率型号，对应的数量如表2所示。每年每盏灯点亮约4 000 h(每天约10.96 h)。

如果将高压钠灯都替换为LED路灯，根据达到相同照度的耗电量计算，LED可以节省50%以上的电量，因此按照50%的功率进行替换。北京市市政路灯的高压钠灯1年耗电量如表2所示。不论是交流供电方案还是直流供电方案，如果将高压钠灯都替换为LED路灯后，由表2计算得每年节电量为：1.811 9亿kW·h×50%=0.906亿kW·h。

表2 北京市路灯高压钠灯1年耗电量

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

此外采用直流供电方案中集中整流方式比交流供电方案的分散式整流提高5%的转换效率，这样直流供电方案能比交流供电方案节省更多的电量，计算得：1.8119亿kW·h×50%×5%=0.045 3亿kW·h。

节能效益主要体现在减少煤的燃烧及CO2、SO2等有害气体的排放。按照目前中国火电厂煤耗为326 g/(kW·h)[8]，CO2排放997 g/(kW·h)进行估算[9]，北京市城六区实施市政路灯的节能改造后每年北京市最少可以煤耗减少2.954万t，减少CO2排放约9.033万t。同时进行充电桩建设后可推动电动汽车产业的发展，进一步减少石油的消耗量，缓解能源危机。如果采用直流供电方案，集中整流可以进一步减少煤耗0.148万t，减少CO2排放约0.452万t。

3 路灯充电桩建设试点介绍

对目前电动汽车的用户响应度低的现状[10]，路灯充电桩建设具有很强的可行性，适宜在城市范围内迅速推行，其现实应用具有典型的示范案例，商业模式也在逐步探讨之中。以北京市科学技术委员会的节能环保项目《新能源汽车关键技术研究与示范应用——路灯充电桩研制及示范—结合LED灯改造试点应用》示范工程为例进行介绍。

由北京市科学技术委员会牵头，昌平区政府参与，北京南瑞智芯微电子科技有限公司主持完成的京密北路东段路灯充电桩建设改造项目，工程路段全长1.5 km，实施LED路灯改造84盏，以120 W LED灯替换250W高压钠灯，建成8座6 kW交流慢充充电桩和2座30 kW交流快充充电桩，并为直流充电桩预留18 kW的功率，部署市政路灯一体化管理系统1套。建成以后，以昌平地区电动出租车充电为例，使用慢充桩充电时间为4～5 h，使用快充桩30 min可补电80%。这批充电桩的投入使用有效地缓解了昌平区的电动汽车充电问题。与集中式充电站建设相比，采用路灯充电桩模式，无须占用建设用地，这批充电桩减少占地土地200 m2；与路灯系统共用配电设施和电缆，节约配网线路改造和增设变压器成本约20万元。

4 结 论

(1)交流供电方案结构简单、建设便捷，但只能为带有车载充电机的电动汽车充电。

(2)直流供电不仅可以减少交直流转换次数，减少转换过程中的电能损耗，还能直接供电动汽车使用，且电动汽车无须安装车载充电机。未来便于与太阳能光伏等分布式电源结合，构造新一代电动汽车充电网络。

(3)路灯充电桩建设可以促进节能减排、缓解石油缺乏的局面，且直流供电方案比交流供电方案的节能效益更好。

目前直流供电方案缺少成熟的直流充电桩产品，在介绍的路灯充电桩试点工程中安装了6个交流慢充桩，2个交流快充桩，并为直流充电桩预留了18 kW的功率。

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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.

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(编辑：张媛媛)

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

北京市科委计划项目(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

龚桃荣(1982)，女，工学博士，工程师，主要从事用电节能、智能用电等方面的工作；

李涛(1979)，男，工学硕士，工程师，主要从事智能用电、低压直流供电等方面的工作；

刘瑞(1984)，男，工学硕士，工程师，主要从事用电节能、智能用电等方面的工作；

王建(1986)，男，工学学士，工程师，主要从事用电节能、硬件电路设计等方面的工作；

黄亮(1980)，男，工学学士，工程师，主要从事用电节能、硬件电路设计等方面的工作。