低碳智慧建筑中的充电设备应用

杨 希, 戴天鹰

[1.ABB(中国)有限公司 深圳分公司, 广东 深圳 518052;2.ABB(中国)有限公司 上海分公司, 上海 200023]

0 引 言

电动汽车充电桩安装于公共建筑(如学校、医院、场馆、枢纽等)、商业建筑(如超市、写字楼、科技园等)和民用建筑(如居民小区、别墅区等),根据不同的充电需求,以多样化的交流充电设备和直流充电功率为各类型号的电动汽车提供充电服务[1]。

低碳建筑对配套充电设备的需求如下:充电必须安全可靠,首先必须保证充电人员的人身和财产安全;充电设施的智慧运营管理和智能便捷的充电体验,运营和运维的便利性可提高充电桩的使用率,减少“僵尸桩”,便捷的充电体验可以提升车主的满意度,增加运营方的收益;实现建筑能源整体的能效利用,达到低碳环保的目标,要求充电设施必须与建筑能源管理平台结合起来进行智慧能效管理[2]。

本文从安全可靠、智慧运营管理及纳入建筑能效管理3方面来介绍Ability充电管理平台如何满足低碳智慧建筑中的应用。

1 安全可靠的充电设备

充电设备多部署于建筑配套的停车场中,其环境条件闷热潮湿且无人值守,对充电设备的耐候性和现场管理提出了挑战。Ability充电管理平台通过充电设备运维平台的大数据及事故成因分析得知,充电枪线和充电模块是实际运营中事故发生率最高以及最易受损的器件,并提出了有效的保护策略。

1.1 充电枪线故障成因

充电枪线故障成因为充电枪用后不归位及充电枪充电的过热。前者发生在使用过程中,使用者充电完毕后不及时将充电枪归位,造成充电枪线的磨损甚至是被车碾压,大大降低了充电枪线的使用寿命和使用安全。后者是因为电动车充电过程是高电压高功率输出,导致充电枪线在充电过程中温度上升,一旦发热失控就会造成车辆损伤。

Ability充电管理平台的平滑式枪温保护策略是基于多台直流桩的运行经验,与主流桩企传统阶梯式的保护策略相比:传统策略中电流骤升骤降对设备器件有冲击性损伤;平滑输出可以减少冲击,延长设备使用寿命。平滑式温枪保护策略提高了充电效率,尤其在夏天高温环境下,可提升约30%以上效率,提升用户体验。

Ability充电管理平台的充电枪线归位监测是通过安装压力传感器来实现,如果充电枪在充电结束后没有归位,充电桩将在现场和远程发出警报,可以精确定位到具体哪个场站和具体用户,及时纠正车主的安全充电行为,为充电枪线的使用安全提供技术保障。

1.2 充电模块的温度及湿度管理

充电模块作为充电设备的核心电气器件,直接决定了充电设备整体的运行效率和设备安全。建筑配套的停车区域中,环境的温度、湿度和洁净度都对充电设备构成挑战,其中又以温度和湿度的影响最大。Ability充电管理平台基于充电桩柜内充电模块运行环境的充电模块保护理念,从温度和湿度两方面进行管理,给出保护策略,让充电设备的柜内环境保障充电模块正常运行。

1.2.1 温度管理

传统保护策略通过温度过高,采用仅通过降低功率的保护策略,温度管理采用主动保护策略,其保护系统集成了桩内关键器件的运行特性曲线,可以提前判断器件在极限状态下的运行风险,在温度达到极限之前,根据器件的健康情况,逐步降低输出功率的百分比,并在温度达到极限值之前切断充电模块,延长设备使用寿命,保障充电设备的安全运行。

1.2.2 湿度管理

湿度管理主要体现迷宫式风道的专利设计,这种设计更能有效抑制水雾进入桩内又能保证进风面积,有利于散热,实验数据证明迷宫方案相对于市场常用的百叶式箱体内进风口位置空气湿度减小52.05%,确保充电模块全生命周期运行在良好的环境中。

2 充电设备的智慧运营

2.1 远程诊断及升级

电动汽车充电技术不断更新迭代,可通过不改变硬件只升级软件的方式来获得先进功能,从而充分利用现有资产和价值提升。另外,现今市场上大多充电设备故障警告存在着故障定义不清晰和只能做到功能级的告警,无法精确精准定位的问题,工作人员被迫频繁巡检充电设备,不仅带来高额的维护成本,还增加了人员操作的风险,影响充电运营。

PCB板级别的远程升级在线对充电设备器件进行功能更新。对于长期工作的易损关键器件如充电枪枪锁、交流接触器、充电模块等核心部件以及日常运营需频繁操作的器件,Ability充电管理平台可以对其进行动态监控和远程操作,实现器件故障的快速确诊和复位,并上报本地及平台并快速定位故障器件,可大幅提升运维效率,显著减少人员巡检的时间和频次,降低维护人员操作难度,保证充电设备安全运行。

2.2 预测性维护

主动运维对充电设备来说非常重要,可以发现很多潜在的风险,这些风险在暴露之前容易被忽略,而一旦暴露出来就为时已晚。

Ability充电管理平台远程对充电设备进行预测性维护:查看充电枪累计插拔的次数、充电枪实时温度、模块累计运行时间、枪锁状态、风扇运行时间等数据并给出预警,发出运维建议信息,将运行风险降到最低,充分保证充电设备的安全运行。

3 建筑能源管理中的充电设备

有序充电运用实际有效的经济或技术措施引导、控制电动汽车进行充电,对电网负荷曲线进行削峰填谷,使负荷曲线方差较小,在满足电动汽车充电需求的前提下,减少了发电装机容量建设,保证了电动汽车与电网的协调互动发展。通过有序充电的方式可以解决建筑能效管理、用电尖峰功能不足等问题,比如在用电高峰,可以通过调节充电桩的功率,让优先权低的用户降功率充电,通过运营平台设定不同的充电电价,在用电低谷降低电价,鼓励充电,这样可以进一步降低新能源电动汽车充电成本。

Ability充电管理平台可以实现有序充电,建筑配套有序充电系统拓扑如图1所示,不仅适用于场站充电,还可以基于家庭住宅的负载管理进行有序充电。家庭住宅负载管理中的有序充电如图2所示,通过对充电需求的规划和智能电价的计算引导充电,既保证用车需求,也可以有效降低充电成本。对于充电需求急迫程度,通过平台进行分时段定价,体现用电的公平性。

图1 建筑配套有序充电系统拓扑

图2 家庭住宅负载管理中的有序充电

4 应用案例分析

华东地区某国际酒店地下停车场共上下两层,车位数约300个,在-1F安装7 kW交流单枪和60 kW直流双枪充电设备,满足酒店客户、来访车主等人员多种多样的充电要求,交流充电设备32台供32个车位使用,直流4台供8个车位使用,交流充电设备满足酒店客人长时间停留充电需求,4台直流桩对酒店接驳车充电,因此交直流充电设备配比为8∶1,变压器的专供容量为400 kVA。根据T/ASC 17—2021《电动汽车充换电设施系统设计标准》[3]考虑交流充电设施需用系数0.45,直流充电设施需用系数0.8。在该酒店停车场区域无人值守,还需要保证人员和车辆的安全,因此需全天候保证安全、智能、便捷的充电服务。此外,根据项目要求,充电设备需实现节能减排的效果,以实现充电场站的高效运营。

华东地区某国际大酒店地下停车场充电桩区域配电系统如图3所示。

图3 华东地区某国际大酒店地下停车场充电桩区域配电系统

地下车库的直流充电设备及交流充电设备通过Ability充电服务平台,对充电设备使用情况进行动态监控、有序充电管理,远程协助运营人员进行故障诊断和智慧运维,以及进行在线更新和升级等功能,以帮助酒店车库的管理方提升运维效率。

此外该项目充电设备均纳入楼宇的能源管理平台进行综合管理,考虑到未来电动汽车的增多,充电车位需求也会随之增加,现有变压器容量会出现不够的情况,交流、直流充电设施可以进行有序充电的管理,在充电高峰时自动降低部分充电设备的充电功率,从而减少充电电流对变压器的冲击,延后变压器的扩容,通过能源管理平台对负荷曲线进行“削峰填谷”管理,达到节能减排、节省电费成本的作用,产生良好运营效果。

5 结 语

本文从智慧运营和建筑能源管理方面介绍了充电设备在低碳智慧建筑终端的应用，并结合某酒店停车场项目，介绍了低碳智慧建筑中的充电设备应用，可为类似项目提供参考。