公交场站单枪直流充电系统的规划研究

公交场站单枪直流充电系统的规划研究



一、研究背景与意义

1.1 行业背景
- 公交电动化趋势：全球及中国城市公交加速电动化替代
- 充电基础设施需求激增：场站充电设施成为制约运营的关键瓶颈
- 政策驱动："双碳"目标、新能源汽车推广政策、公交优先战略

1.2 研究意义
| 维度 | 内容 |
|||
| 理论意义 | 丰富场站充电系统规划方法论，建立单枪直流充电配置模型 |
| 实践意义 | 为公交企业场站建设提供决策依据，降低投资与运营成本 |
| 技术意义 | 探索直流快充与公交调度的协同优化路径 |

1.3 核心问题
> 如何在有限的场站空间、电力容量和投资预算下，合理规划单枪直流充电桩的数量、布局与调度策略，满足公交运营充电需求？



二、相关概念界定

2.1 单枪直流充电系统
- 定义：每个充电终端配置单把充电枪的直流快充设备（通常功率 60kW~360kW）
- 与双枪/多枪系统对比：

| 对比项 | 单枪系统 | 双枪/多枪系统 |
|--|-||
| 单桩功率 | 60~180kW（典型） | 240~480kW |
| 设备成本 | 较低 | 较高 |
| 占地面积 | 较小 | 较大 |
| 充电灵活性 | 需多桩并联 | 单桩满足多车 |
| 适用场景 | 车辆少/场地有限 | 大批量集中充电 |

2.2 公交场站类型
- 首末站（起终点）：车辆停放时间长，适合慢充+快充结合
- 中途站/枢纽站：停留时间短，以快充补电为主
- 停保场/综合基地：大修+充电，规模大



三、规划研究框架


┌─────────────────────────────────────────────┐
│ 公交场站单枪直流充电规划体系 │
├──────────┬──────────┬───────────┬────────────┤
│ 需求分析 │ 容量规划 │ 布局优化 │ 运营调度 │
│ (Why) │ (How many)│ (Where) │ (When/How) │
└──────────┴──────────┴───────────┴────────────┘




四、需求分析模块

4.1 公交运营数据采集
- 线路数据：线路数量、单程距离、日发车频次
- 车辆数据：车型（电池容量kWh）、续航里程、百公里电耗
- 调度数据：首末班时间、发车间隔、高峰/平峰分布

4.2 充电需求计算模型

单辆车日充电需求电量：
$$Q_{vehicle} = \frac{D \times E_{100}}{100} \times K_{safety}$$

其中：
- $D$ = 日运营里程（km）
- $E_{100}$ = 百公里电耗（kWh/100km）
- $K_{safety}$ = 安全系数（通常 1.1~1.2）

场站日总充电需求：
$$Q_{total} = \sum_{i=1}^{N} Q_{vehicle,i}$$

充电功率需求（考虑同时充电）：
$$P_{demand} = \frac{Q_{total}}{T_{charge} \times \eta_{charge}} \times \alpha$$

其中：
- $T_{charge}$ = 可用充电时长（h）
- $\eta_{charge}$ = 充电效率
- $\alpha$ = 同时充电系数（同时充电车辆占比）

4.3 充电时间窗口分析
| 场站类型 | 可用充电窗口 | 典型时长 |
|-|-||
| 首末站（夜间） | 22:00~05:00 | 7h |
| 首末站（日间） | 11:00~14:00 | 3h |
| 中途枢纽站 | 10:00~11:00 / 15:00~16:00 | 1~2h |
| 停保场 | 全天灵活 | 8~12h |



五、容量规划（充电桩数量确定）

5.1 数学模型

目标函数：小化总投资成本
$$\min \quad C = \sum_{j=1}^{M} (C_{j}^{fixed} + C_{j}^{variable} \times n_j)$$

约束条件：
1. 电量平衡约束：
$$\sum_{j=1}^{M} n_j \times P_j \times T_{charge,j} \times \eta_j \geq Q_{total}$$

2. 时间约束：每辆车在可用窗口内完成充电
$$t_{start,i} + \frac{Q_i}{P_j} \leq t_{end,i}$$

3. 电力容量约束：
$$\sum_{j=1}^{M} n_j \times P_j \leq P_{grid}$$

4. 场地约束：
$$\sum_{j=1}^{M} n_j \times A_j \leq A_{site}$$

5. 整数约束：$n_j \in \mathbb{Z}^+$

5.2 关键参数
| 参数 | 说明 | 典型值 |
|||--|
| 单桩功率 $P_j$ | 60/120/180/240kW | 120~180kW |
| 充电效率 $\eta$ | 直流充电转化效率 | 0.92~0.95 |
| 电网接入容量 $P_{grid}$ | 场站配电容量 | 500kW~5MW |
| 场地面积 $A_{site}$ | 可用于充电区域 | 500~5000m² |
| 桩体占地 $A_j$ | 单桩+车位占地 | 8~12m² |

5.3 求解方法
- 精确算法：混合整数线性规划（MILP）
- 启发式算法：遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）
- 仿真优化：离散事件仿真 + 优化算法联合



六、布局优化

6.1 布局原则
1. 靠近配电房/变压器，减少线缆损耗与投资
2. 车辆进出便捷，不影响场站正常调度
3. 留有扩展余量，适应未来车辆增长
4. 消防安全间距，符合GB 50016等规范
5. 防雨防晒，充电区域有顶棚或雨棚

6.2 布局优化模型

目标：小化车辆充电等待时间 + 小化线缆投资

$$\min \quad W = \omega_1 \sum_{i} t_{wait,i} + \omega_2 \sum_{j} L_j \times C_{cable}$$

约束：场地几何约束、安全间距、电气规范

6.3 典型布局方案


【方案A：集中式布局】
┌─────────────────────────┐
│ [配电房] │
│ │ │
│ ═══╪═══════════════ │
│ ║ ║ ║ ║ ║ ║ │
│ [桩][桩][桩][桩][桩][桩] │
│ │ │
│ [停车位][停车位][停车位] │
└─────────────────────────┘

【方案B：分散式布局】
┌─────────────────────────┐
│ [桩] [桩] [桩]│
│ │ │ │ │
│ [车位] [车位] [车位] │
│ │
│ [配电房] │
│ │
│ [桩] [桩] [桩]│
│ │ │ │ │
│ [车位] [车位] [车位] │
└─────────────────────────┘




七、电力接入与配电规划

7.1 供电方案
| 方案 | 适用规模 | 特点 |
||||
| 单变压器直供 | <500kW | 简单，但容量受限 |
| 双变压器分供 | 500kW~2MW | 可靠性高，灵活扩展 |
| 专用变电站 | >2MW | 大场站，需电力部门审批 |
| 光储充一体化 | 灵活 | 削峰填谷，降低需量电费 |

7.2 配电系统设计
- 高压侧：10kV/35kV进线
- 变压器选型：干式/油浸式，容量匹配
- 低压侧：380V/220V母线，分回路供电
- 保护配置：短路、过载、漏电、防雷

7.3 关键计算
变压器容量校验：
$$S_{transformer} \geq \frac{P_{max}}{\cos\varphi \times K_{load}}$$

电缆截面选择：
$$I_{cable} = \frac{P}{\sqrt{3} \times U \times \cos\varphi} \leq I_{allow}$$



八、运营调度策略

8.1 有序充电调度


车辆回场 → SOC检测 → 排队/分配充电桩 → 按优先级充电 → 充满离场
│
├── 高SOC车辆 → 较低功率/较晚充电
├── 低SOC车辆 → 高功率/优先充电
└── 应急车辆 → 随时补电（预留桩位）


8.2 削峰填谷策略
- 谷电时段（23:00~07:00）：集中大功率充电，降低电费
- 峰电时段：利用储能放电或降低充电功率
- 光储充协同：光伏发电优先自用，余电存储

8.3 智能管理平台功能
| 功能模块 | 说明 |
|||
| 车辆管理 | SOC监控、充电预约、车队调度 |
| 充电管理 | 启停控制、功率调节、故障诊断 |
| 能源管理 | 用电计量、电费结算、需量控制 |
| 数据分析 | 充电统计、效率分析、预测预警 |



九、经济性分析

9.1 投资成本构成
| 项目 | 占比（典型） | 说明 |
||-||
| 充电设备 | 40%~50% | 桩体、充电模块、枪线 |
| 配电工程 | 20%~30% | 变压器、电缆、配电柜 |
| 土建工程 | 10%~15% | 基础、雨棚、地面硬化 |
| 智能系统 | 5%~10% | 管理平台、通信、监控 |
| 其他 | 5% | 设计、监理、不可预见费 |

9.2 运营成本
- 电费：峰谷电价差利用可节省 20%~40%
- 维护费：设备年维护成本约为设备投资的 3%~5%
- 折旧：设备寿命 8~10年

9.3 投资回收期估算
$$T_{payback} = \frac{C_{investment}}{Savings_{fuel} + Savings_{maint} - C_{operate}}$$

> 典型回收期：4~7年（视当地电价、油价、补贴政策）



十、案例分析（以某城市为例）

10.1 场站概况
- 类型：公交首末站
- 车辆规模：120辆纯电动公交（12m车型，电池200kWh）
- 日均运营：160km/车
- 可用充电窗口：夜间22:00~06:00（8h）+ 午间11:30~14:00（2.5h）
- 场地可用充电面积：1500m²
- 电网接入容量：1600kVA

10.2 规划结果

| 指标 | 计算结果 |
|||
| 日充电总需求 | 120 × 160 × 1.2 / 100 = 230.4 kWh |
| 夜间需充电桩数 | 230.4 / (120kW × 8h × 0.93) ≈ 13台 |
| 考虑同时系数(0.7) | 13 / 0.7 ≈ 19台 |
| 午间补电需额外 | 约 5~6台 |
| 规划总桩数 | 25台（18台夜间主充 + 7台午间补电） |
| 单桩选型 | 120kW双枪（折单枪等效）或180kW单枪 |
| 占地 | 25 × 10m² = 250m²（满足1500m²约束） |
| 峰值功率 | 25 × 120 = 3000kW > 1600kVA → 需错峰调度 |

10.3 优化调度方案
- 夜间分3批次充电（每批约8~9台，间隔30min启动）
- 峰值控制在 1400kW 以内
- 午间补电使用 60kW 功率慢充，降低峰值



十一、关键挑战与对策

| 挑战 | 对策 |
|||
| 电网容量不足 | 申请增容、光储充削峰、有序充电 |
| 场地空间有限 | 立体充电（地下/屋顶）、高功率单桩 |
| 充电效率与电池寿命 | 优化SOC区间（20%~80%）、智能功率分配 |
| 初期投资大 | 分期建设、融资租赁、政府补贴 |
| 运营调度复杂 | 智能调度平台、AI预测模型 |
| 安全风险 | 消防设计、BMS监控、定期检测 |



十二、研究结论与展望

12.1 主要结论
1. 单枪直流充电系统适用于中小型场站或场地受限的场景，需通过数量优化+调度策略弥补单桩功率不足
2. 规划需遵循"需求驱动—容量匹配—布局优化—调度协同"四步方法论
3. 有序充电与削峰填谷可有效降低30%~50% 的电力配套投资
4. 光储充一体化是未来场站充电的重要发展方向

12.2 未来展望
- 超快充技术：400kW+单枪超充，缩短单次充电时间
- V2G（车网互动）：公交车辆作为移动储能参与电网调节
- 数字孪生：场站充电系统全生命周期数字仿真
- 自动充电：机器人/机械臂自动插枪，提升无人化水平
- 标准化：统一接口、通信协议，降低建设与运维成本



参考文献方向
1. GB/T 51313—2018《电动汽车分散充电设施工程技术标准》
2. NB/T 33001—2018《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》
3. 城市公共交通场站充电设施规划相关研究论文
4. 国家电网/南方电网充电设施接入技术规范
5. IEEE/CIGRE 充电基础设施规划相关文献



> 本研究框架可根据具体城市、场站规模、车型参数进行定量深化，也可聚焦某一模块（如布局优化算法、经济模型、调度策略）进行专项深入研究。

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