市政路灯智能汽车充电桩一体化解决方案 随着汽车工业飞速发展，我国石油消耗对外依存度持续 升高， 2013 年已达 58.1%，石油短 缺局面日益加剧。 电动汽车发展对我国具有重大意义，一方面可以提高 电能替代，有效减少 单位 GDP 能耗，另一方面可以有效破解环 境约束，解决雾霾等大气污染问题。尽管国家已出 台一系列支持 政策，然而电动汽车的普及和推广终究未能有实质性进展，主要 是由于基础设 施（如充电桩、充电站等）建设相对滞后，致使充电不便，最终直接导致消费者对电动汽车望 而却步。 提出了一种基于 LED 市政路灯和电动汽车充电桩的一体化设计方案，可有效利用市政路灯 改造后节省出来的配电容 量安装直流充电桩。广泛分布于城市街道的一体化充电桩在保证道路 高效照明的同时，为电动汽车充放电提供接口，具有保护、 监测、控制、通信、计量等功能，便于主站系统实现对路灯和电 动汽车充放电状态的远程监测 和控制。该方案可行性强，适合大 规模推广，能够很好地解决充电桩、充电站建设过程中征地 难的 问题，但是该方案基于传统的 GPRS 等无线通信方式，一方面长 期使用公网租赁费用较 高，另一方面若要安装视频监控等对数据传输速率要求较高的设备，将无法满足实际实时通信 的需求。 基于此，本文提出了基于 CM520-8 无线通信专网的 路灯充电桩一体化系统，利用 CM520-8 无线通信专网代 替 GPRS 等公网，由于该专网具有数据传输速率快、时延小、成 本 低廉、支持海量实时用户等特点，因而能很好地支持视频监控 等功能。 一体化系统总体设计方案 系统结构 系统主要包括市政路灯充电桩一体化设备、低压直流供电网 络、CM520-8 无线通信网络、主站 监控系统、电源系统、 数据中心等，系统结构如图 1 所示。 市政路灯充电桩一体化设备兼顾市政路灯和电动汽车充电桩，一方面能以高光效和低能耗为城市道 路提供照明，另一方面 能够为电动汽车提供直流充电服务；电源系统利用市电集中整流， 同时利用 风电、光伏太阳能等分布式能源提供直流电源，此外可 以适时利用电动汽车充换电站存储的电能； 低压直流供电网络为 整个系统提供多输入多输出的电力能源配置平台，为电源系统 和 一体化设备、数据中心等用电系统提供有效连接，具有良好的可 靠性和稳定性；CM520-8 无线通 信网络为系统提供可靠、 高速的通信保障，能有效支持控制指令、一体化设备在线状态监测、视频 监控等大量数据的实时传输，并且能节约通信成本；电动汽车充换电站和低压直流供电网络可实现双 向能量流动，即充 换电站的大量电动汽车蓄电池可作为蓄能电站对电力进行存储， 另外当用电高峰 期，可将充换电站存储的电能供给低压直流电网， 有效起到削峰填谷的作用；主站监控系统利用无 线通信模块接收来自一体化设备的实时监测信息，包括路灯开关状态、充电桩工 作状态、视频监控 等数据，对于部分安装了 CM520-8 专 网通信模块的电动汽车，主站监控系统还能接收其发送来的请 求 指令等数据，主站系统可经过控制系统处理，利用通信模块发送 相应的信息；数据中心等大用户 在利用传统市电时，经常需要经 过整流与逆变等多个环节，由于其用电负荷多为直流，直接利用 低 压直流电网的电源可明显减少交直流转换过程中的电能损耗， 因而以数据中心为代表的电力用户可 方便接入系统，并实现良好 的节能效果。 电力流向分析 系统电力流向是从电源侧流向低压直流供电网络，最后流向 以电动汽车和数据中心为主要 负荷的用电侧，如图 2 所示。 电源侧主要包括市电、风电和光伏太阳能等，经过整流或 变压后多端接入低压直流电网。系统 利用的电能主要来自常规 市电，一般为路灯提供电能的常规市电需要进行集中整流，经 变 压、稳压后接入低压直流供电网络。随着新能源的快速发展， 以光伏太阳能、风电为代表的新能源 发电将发挥越来越重要的作用，因此分布式光伏发电（一般为直流电）十分适合直接接 入低压直流 供电网络，为系统提供充足的电力来源。另外，充 换电站内的大量蓄电池可作为本系统中的重要电 力来源，特别 是在用电高峰时段，可有效弥补电力供应不足，而在用电低谷 时段可以对充换电站的 储能单元进行充电，此时充换电站作为 用电侧的用电负荷消耗电能。 低压直流供电网络作为整个系统中的中间环节，联系电源和 用电负荷，起到能源配置作用， 并且比一般交流电网具有一定优 势：一方面随着网络输入端点越来越多，稳定性与可靠性随之 增 加，不会因某一条线路的故障导致整个电网系统的破坏；另一方 面直流电网可为数据中心等 用电负荷提供直流电，减少了多次交 直流转换过程，有效提高能源利用效率，可以实现显著的 能源节 约效果。 用电侧主要包括电动汽车、LED 市政路灯充电桩一体化设备 和数据中心等，电动汽车利用 一体化设备可直接对蓄电池进行充 电，无需安装车载充电机，减少成本的同时提高了充电效率， 数 据中心等直流负荷为主的大用户特别适合于直流供电网络。值得 一提的是，经用户端授权可 将电动汽车车载电池作为分布式储能 单元，根据电网调峰需求适时将电能售于电力公司实现互 动，当 晚高峰结束后由主站管理系统实行统一调配充电，达到削峰填谷 的目的。对于利用率不 高的电动汽车而言，其大部分时间都停放 在车位上，峰谷电价差的存在可以实现良好的经济效 益，车主可 以实现节约甚至免费用电。 通信链路分析 通信系统作为整个充电系统中的重要组成部分，承担着一 体化设备和主站系统、电动汽车和主 站系统的双向通信任务。一 方面路灯充电桩一体化设备可以利用无线通信方式和主站系统进 行通信， 一体化设备将状态监控的数据实时上传到主站系统，主 站系统根据控制系统指令实现对路灯、充电 桩、视频监控等设备 的远程控制；另一方面安装了无线通信模块的电动汽车，可向主站系统实时分 享目前所在位置、提出充电服务请求、查询附近的 充电桩位置等，主站系统根据其请求指令发送相 应数据。该通 信具有数据量大、实时性高、双向传输、覆盖范围广等 特点， 因而传统的 GPRS 等公网通信方式无法满足需求，可利用 CM520-8 无线通信专网提供 通信服务。 系统通信链路如图 3 所示，电动汽车和一体化设备可以通 过基站发射的信号实现与 CM520-8 核心网的连接，利用无线网络防火墙确保主站系统的安全，通过防火墙后即可访 问主 站系统。主站系统既包括接入服务器、数据服务器等，还 包括一体化设备、视频和电动汽车的 监控系统。一体化设备的 市政路灯状态（开灯或关灯）、充电桩状态（是否在充电、充 电多 久等）可以实时上传到主站系统，并能实现主站系统对设 备的远程即时监控。 市政路灯充电桩一体化设备 市政路灯充电桩一体化设备是该系统的核心设备，其结构如 图 4 所示，主要包括电源系统、 状态监控系统、LED 市政路灯系 统、直流充电桩、无线通信系统和控制系统六个部分。 电源系统能够直接利用低压直流供电网络提供直流电源，包 括稳压模块、变压模块和保护模块 等组成部分；状态监测系统包 括充电状态监测模块和路灯状态监测模块等，其作用是监测 直流 充电桩的充电状态，包括是否正在充电、充电模式、充电电流情 况等，路灯状态监测模 块可实现路灯开关情况的监测；LED 市政 路灯和电动汽车充电桩是其最基本的部分，包括 LED 灯、LED 驱动模块、LED 控制模块等部分；直流充电桩能够直接为电动 汽车蓄电池充电， 有效减少交直流转换导致的电能损耗，并且可 以使电动汽车摆脱车载充电机的束缚，具体包括 充电管理系统、 过压保护模块、过流保护模块、计量计费系统等部分；无线通信 模块包括基 于 CM520-8 无线通信技术的无线发送模块和 无线接收模块，发送模块利用无线通信模块实现 当前充电状态、 LED 路灯状态等信息的实时上传，便于主站统一管理和监控，接收模块接收来 自主站系统的信息从而实现对 LED 路灯和充电桩 的控制；控制系统主要作用是综合考虑接收 到的指令情况、状态 监控情况，从而确定对设备进行如何控制，具体包括对路灯的控 制、视 频的控制和充电桩的控制。 方案优越性分析 一体化设备优越性分析 基于冷光源 LED 市政路灯是智能照明技术发展的重要方向，用 LED 路灯替代以高压钠灯 为代表的传统市政路灯，可在保证 道路照明质量的前提下节约至少 50% 以上的电能。因而， 该设备 大范围推广将直接节省大量电力能源。 更为重要的是，利用市政路灯所在位置安装路灯充电桩一体 化设备，可在不占用额外土地 资源的前提下，建设电动汽车充电 一体化设备，因而比传统的充电站、充电桩的建设具备显著 优势。 直流充电桩可以为电动汽车蓄电池直接充电，节省交直流转换环 节，提高了效率并实 现电能节约。 视频监控系统，对一些治安重点监控区域，如居民小区、城 区路面、商业中心、娱乐场所、车 站广场、重点单位等场所实施 远程实时监控，及时了解现场车流、人流及异常情况，并进行 远 程录像备份，是科技强警建设的重要组成部分。因而一体化设备 中的视频监控系统具有重 要意义，利用 CM520-8 无线通 信系统，可以摆脱 GPRS 等通信方式的带宽约束，实现海量数 据的实时传输。 低压直流供电网络优越性分析 相比较传统的交流供电，该低压直流供电系统在有分布式电 源接入和大量开关电源类负载 的供电系统中显现出诸多优势： （1）减少电能变换环节，降低损耗。若使用合理电压等级 的直流电源给开关电源类负载、 变频调速类负载以及电子镇流器 光源等负载供电，相应整流电路和功率因数补偿电路都可省去， 同时还能降低能耗和提高电能质量；直流系统仅存在电阻损耗， 因此整个供电系统的损耗将有 望大幅度降低。 （2）提高电能质量。将大功率整流器作为直流电源，采用 适当的控制策略，可有效提高 直流系统的稳定性和可靠性，从而 实现供电连续性，保障电能质量。 （3）有利于新能源消纳。部分风光发电较发达地区出现了 大量弃风限电情况，主要原因 是现有电网对新能源消纳存在“卡 脖子”问题，而光伏太阳能、风力发电容易输出直流电源，因 而 低压直流电网能够很好的实现新能源灵活接入，有力支持新能源 发展。 经济效益和节能效益分析 经济效益和节能效益主要体现在以下方面：① LED 市政路 灯比传统高压钠灯节省大量电能； ②市电集中整流比传统 LED 路灯单独进行整流提高了效率；③直流充电桩使得电动汽车无需安 装车载充电机，节省电动汽车生产成本；④电动汽车利用直流 充电模式比传统车载充电机充电 省去了整流过程，同样提高了能 源利用效率；⑤低压直流供电网络适宜消纳光伏太阳能等新能 源， 且能为数据中心等开关电源类负载提供可靠、高效的电能；⑥电 动汽车普及将能有效实 现以电代油，从用户角度分析，可以节省 交通工具的使用成本。 结束语