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摘要：本文从国内市场保有量、充电桩工作原理以及影响充电桩效率的内外因素等方面入手，对国内公共充电站中直流充电桩的充电效率进行分析，得出充电桩配电的需要系数。
关键词：新能源汽车；充电桩；电池管理；配电设计；需要系数
1前言：
目前行业内对于充电桩设备的需要系数已经有所研究成果，例如国标图集18D705-2 《电动汽车充电基础设施设计与安装》，但其系数取值范围较为宽泛，且对于60kW及以上直流充电桩配电系数提及甚少，故本文从国内市场保有量、充电桩工作原理以及影响充电桩效率的内外因素等方面入手，对国内公共充电站的60kW及以上直流充电桩的充电效率进行分析，得出充电桩的需要系数，进而让我们的配电设计更安全、更合理、更经济。
2 国内现状及发展趋势：
目前，充电桩是电动汽车推广应用产业链上最重要的环节和基础保障，最新的政策正在向充电基础设施倾斜。国家能源局在《电动汽车充电基础设施建设规划》草案中提出，到2020年，国内充换电站数量将达到1.2万个，充电桩达到450万个；电动汽车与充电设施的比例接近标配的1：1。
通过2018-2025年充电桩需求量预测及功率范围的分析，在2025年之前，直流充电桩功率普遍在60kW~120kW之间，目前国内乘用车的充电功率上限普遍在50~100kW范围内，截至到2019年4月，特斯拉的量产车的充电功率上限已经达到120kW。
3 研究内容：
无论从消费者需求还是电动汽车充电功率水平上来看，60-120kW直流快充是未来充电桩的主流机型，也是未来新建及改扩建充电站布置的重点快充设备，也是我们本次研究充电桩配电的主要方向。
研究充电桩的配电，我们首先要研究单台充电桩的充电效率，影响单桩充电效率的因素很多，本文重点从以下五个方面分析：
3.1.充电桩充电效率（自身因素）
根据国家标准《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》（NB/T 33001-2010）中对于充电机效率和功率因数的规定：当输出功率为额定功率的50%~100%时，功率因数不应小于0.9，效率不应小于90%。
经查阅各类充电桩电气参数，可知国内主流大品牌充电桩整体功率因数及效率均能满足国家标准，多数功率因数及最高效率可达到0.99及95%，由此可以推断：充电桩输入功率≈输出功率，当配电计算时，计算功率（Ps）按照充电桩的额定输出功率（Pn）取值即可。
3.2 车载动力电池特性（外界因素）
在电池行业的领域，通常会用充放电倍率来描述充电速度和电流大小的关系，譬如1小时充满电池时的速率称为1C，只需30分钟的速率则称之为2C，如此类推，超过1C就可以称为快充。如今锂离子电池的充电速率普遍可以做到1C-3C，最高大概可以去到5C，但是相比起动辄10C的放电速率自然还是要差很远。
除了最大充电速率有瓶颈之外，不同SOC（State of Charge，即荷电状态，也就是剩余电量）下电池能够承受的充电速率也是有差别的。一般来说，电池在充电过程的特性大致和上面这张图类似，充电的速率会遵循慢——快——慢这样的节奏。一般当SOC达到90%以上的时候，电池的内阻就会明显上升，使得充电速率放慢。
3.3温度对充电效率的影响
根据国网Q/GDW485-2010《电动汽车交流充电桩技术条件》标准的要求：充电桩设计应满足户外使用环境要求环境使用需要，当环境温度：-20℃～+50℃范围内时设备应能正常工作。
充电桩内部有电源模块、充电控制器、计费控制单元、高压绝缘检测板、显示屏等。还有钣金件、熔断器、继电器、防雷等设备，发热巨大。同时，电动汽车充电桩是户外型设施，整个使用过程中，极易受户外极端天气的影响，比如夏天户外的高温，很容易导致充电桩散热不良，内部元件过热等情况出现。在全球变暖的大趋势下，近十年国内各大城市的最高气温也在不断攀升。例如：广州市最高气温为39.1℃，上海最高温度为40.2℃，北京最高气温为41.1℃。虽然充电桩厂家出厂的产品均能满足上述散热和温度控制标准，但是在实际使用过程中，环境条件以及充电电动车工况是不可控的，所以充电桩会根据环境温度变化出现不同程度降额现象，继而影响充电效率。
3.4电池管理系统BMS对充电效率的影响
电池管理系统（BMS）是电池与用户之间的纽带，应用于电动汽车上时，BMS为一套保护动力电池使用安全的控制系统，时刻监控电池的使用状态，通过必要措施缓解电池组的不一致性，为新能源车辆的使用安全提供保障。
BMS对于车载动力电池系统，基本功能：1、控制电池的充放电；2、对电池的温度、电压、进行均衡管理；3、与车上其它控制器进行通讯；4、进行绝缘监测；6、具有自诊断功能。在不同品牌、不同车型、不同充电环境下，电池管理系统（BMS）对于充电效率是有影响的，通过对比部分市场车载BMS系统，笔者大致可以推论，快充阶段的充电效率为73%~100%，全过程平均充电效率为26%~50%。
3.5 通信协议（外界因素）
通过调查咨询相关充电桩厂商，充电车辆与充电桩通信成功后，其协议匹配度也会影响充电桩的充电效率，甚至协议不匹配会导致充电桩根本不工作。目前国内充电桩标准大致由国家电网标准、南方电网标准、能源局标准组成，2016年1月1日，质检总局、国家标准委联合国家能源局、工信部、科技部等部门制定了5项电动汽车充电接口及通信协议国家标准，随着国内充电桩标准及通信协议的不断统一，由此导致充电效率降低的问题将随之解决。
4 实测数据分析
为验证以上推论，我们通过监测三个不同的公共充电站，我们共收集乘用车有效充电数据4262条，其中90kW充电桩数据2148条，120kW充电桩数据1071条，150kW充电桩数据1043条。
下面我们以90kW充电桩为例，分析数据采样过程：快充阶段：电池SOC在0~80%阶段，一般为0.5h~1h；全过程阶段：电池SOC在0~100%阶段，一般为1h至数小时不等；部分数据发生的概率小于5%，为小概率事件不计入；最后根据数据统计形成正态分布N（μ，σ^2），分析得出需要系数。
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90kW充电数据柱状图近似正态分布曲线N（μ，σ^2），利用统计学分析如下：
快充阶段：加权平均值μ为58.44kW；采集数据的均方差σ为4.56，采集数据稳定性高，具有参考价值；在区间（μ-3σ，μ+3σ）大概率数据内，充电功率范围为44.76kW~71.12kW；
全过程：加权平均值μ为20.08kW；采集数据的均方差σ为2.92，采集数据稳定性高，具有参考价值；在区间（μ-3σ，μ+3σ）大概率数据内，充电功率范围为11.32kW~28.84kW；
我们又分别采集并整理了120kW和150kW的充电数据：
120kW充电数据柱状图近似正态分布曲线N（μ，σ^2），利用统计学分析如下：
快充阶段：加权平均值μ为55.87kW；采集数据的均方差σ为3.72，采集数据稳定性高，具有参考价值；在区间（μ-3σ，μ+3σ）大概率数据内，充电功率范围为44.71kW~67.03kW；
全过程：加权平均值μ为22.36kW；采集数据的均方差σ为3.18，采集数据稳定性高，具有参考价值；在区间（μ-3σ，μ+3σ）大概率数据内，充电功率范围为12.82kW~31.90kW；
150kW充电数据柱状图近似正态分布曲线N（μ，σ^2），利用统计学分析如下：
快充阶段：加权平均值μ为52.78kW；采集数据的均方差σ为4.49，采集数据稳定性高，具有参考价值；在区间（μ-3σ，μ+3σ）大概率数据内，充电功率范围为39.31kW~66.25kW；
全过程：加权平均值μ为21.02kW；采集数据的均方差σ为3.88，采集数据稳定性高，具有参考价值；在区间（μ-3σ，μ+3σ）大概率数据内，充电功率范围为9.38kW~32.66kW；
我们综合分析如下：
1）快充阶段：充电桩的输出功率为39.31kW~71.12kW，对于60kW充电桩的需要系数为0.65~1，对于90kW及以上充电桩的需要系数为0.5~0.79，该系数适合于配电干线设计。
2）全过程：充电桩的输出功率为12.82kW~32.66kW，对于60kW及以上充电桩的需要系数为0.21~0.54，该系数适合于配电干线设计的需要系数。
虽然不同车型电池容量、充电的电量以及充电桩都存在差异，本次实测数据无法像实验室数据那么精确，但大量采集的实际数据更贴近用户的实际用车环境，结论具备一定的参考性。
5结束语
通过上面理论和实际数据的对比分析后，我们发现两种分析结果基本一致，由此，目前国内新能源汽车充电桩配电设计时，可参考下面的结论：
1）对于60kW及以下交直流充电桩，建议单台需要系数取值为1，多台设备时，需要系数取值参考国家标准图集《电动汽车充电基础设施设计与安装》18D705-2以及其他相关规范。
2）对于90kW直流充电桩，建议单台需要系数取值为1，四台及以上且需要设置配电干线或总配电箱时，需要系数Kx =0.65~0.8。
3）对于120kW直流充电桩，建议单台配电系数取值为1，四台及以上且需要设置配电干线或总配电箱时，需要系数Kx =0.5~0.65。
4）对于150kW以上直流充电桩，建议单台配电系数取值为0.9~1，四台及以上且需要设置配电干线或总配电箱时，需要系数Kx =0.5~0.65
5）对于多台大功率直流充电桩，需要设置变压器时，变压器计算时，需要系数Kx可参考配电干线系数取值。
以上系数只针对国内乘用电动汽车充电桩，且在国内乘用车市场绝大多数车载电池充电倍率小于等于3C和电池能量密度小于等于300Wh/kg的情况下适用。
国家能源局副局长刘宝华在“2018年中国电动汽车百人会论坛”上披露，目前公共充电桩利用率不足15%。在当前公共充电桩整体利用不高的背景下，本文暂不讨论同时系数KΣ，设计人员应根据充电站的地理位置、周边电动车规模以及运营网络等实际条件自行取值，也可参考国家标准图集《电动汽车充电基础设施设计与安装》18D705-2第13页相关参数。
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