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淺談小區電動汽車充電樁管理系統設計及應用

更新時間：2021-01-04

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霍麗麗

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：提出了針對數量眾的充電樁計算充電負荷時所需需要系數的一種替代方法，闡述了二者適用背景的相似性，并針對其可行性進行了相關論述。數發眾的新能源汽車在相對集中的時間充電（尤其是與居民用電高峰重的惰況下）對電網是一個嚴峻的考驗，提出了一種充分利用既有變配電室錯對新能源汽車充電的方式，從而可避免建設充電樁變配電室的解決方案。闡述了新能源汽車車庫電氣設計時，在充電樁負荷等級的確定、消防、安裝及安穩方面需要注意的相關問題。

關鍵詞：充電樁、需要系數、接地、防爆

引言

電動汽車作為一種新能源交通工具，與傳統油動力汽車相比，幾乎沒有污染、*、低噪聲，使用維護相對簡單，運行維護費用也低于傳統車輛。國家對新能源電動汽車推廣的同時也配套推出了購置補貼政策，使得新能源電動汽車的推廣普及非常迅速，越來越多的家庭愿意選擇新能源電動汽車。新能源電動汽車由自身配備的動力電池為其供能，為確保車輛的正常使用，需配備充電樁為其充電。

國辦發[2014] 35號及國辦發[2015] 73號文件明確要求按照適度超前的原則規劃設置新能源汽車充電樁，新建住宅配建停車位應100％建設充電設施或預建設安裝條件。根據國辦發的文件，北京市規定居住類建筑應將18％的配建機動車停車位作為電動車停車位，浙江省DB 331121·2016《民用建筑電動汽車充電設施配置與設計規范》也規定根據不同規模城市的指標級別，新能源慢充樁的配建比例應為百分之十至百分之十四，其他部分省份也有相應的配套措施陸續出臺，都對新建住宅小區的新能源汽車充電樁的建設標準提出了要求。

目前，新能源汽車的充電樁主要分為直流充電樁及交流充電樁兩種，俗稱“快充"與“慢充"，其中直流充電樁占地面積大（例如1臺100kW的中型充電機占地面積約為800mm × 800mm），充電電壓高〔直流輸出電壓可達700v，直流充電電流可達 400A），充電時間較短〔一般電動汽車30min可以充滿80％以上的電量），投資大；而交流充電樁的特點基本與直流充電樁相反，占地小、可掛墻安裝、充電功率低，根據GB 50966·2014《電動汽車充電站設計規范》第 5.2.1條規定可知，交流充電樁的電壓為交流220V，電流32A，充電時間較長（一般電動汽車充滿電需要8h以上），投資小。通過比較可以得出，住宅小區固定車位充電樁適宜采用交流充電樁，而直流充電樁通常設置在高速公路休息區、繁華市區、大型商場周邊等需要快速充電的商業區域。

根據相關規范要求新建商品房住宅小區配套停車位指標一般≥1個車位/戶，以總建筑面積 300 000m²的小區為例，其配套停車位的數量將超過 2 000個。根據各地對新能源充電樁的建設標準，新建住宅小區充電樁的數量一般不低于配套停車位的百分之十，其需要配套設置的充電樁將達到200個以上，按照每個電動汽車充電樁安裝交流充電樁 7kW計算，整個小區的充電樁安裝功率也將達到 1 400kW以上，安裝容量較大。如何合理地進行配電設計使得整個系統既能滿足使用要求，又不至于造成浪費就顯得尤為重要。

本文從充電樁充電負荷需要系數及安裝位置的確定以及消防注意事項等主要方面著手，提出新建住宅小區充電樁電氣設計的解決方案。

一、新建住宅小區新能源電動汽車充電樁充電容量計算

住宅小區每一個新能源電動停車位都配備1臺交流充電樁，每臺交流充電樁的輸入容量計算公式見式：

式中，s為單臺充電樁的輸入容量；P為單臺充電樁的輸出功率,η為充電機效率，取0.9；cosφ為充電樁的功率因數，取0.9。

整個小區充電樁的總輸入計算容量為所有充電樁輸入容量的代數和與需要系統K的乘積，見式：

式中，Sjs斗為整個小區充電樁的輸入計算容量；Si為單臺充電樁的輸入容量；K為充電樁同時需要系數。

從式（2）可以看出，充電樁輸入容量值的獲取，關鍵是需要系數K的合理確定。南方電網企業標準Q/CSG 1巧16.2 -2010《電動汽車充電站及充電樁設計規范》中的*值為0.8，該值對商用充電站雖然適用，但對住宅小區的交流充電樁而言明顯偏大，如果直接套用計算，結果需要的充電容量是非常大的，因此0.8的需要系數不適用住宅小區交流充電樁的輸入容量計算。目前還沒有針對充電樁負荷計算的專門的需要系數可選擇，根據文獻[ 3 ] 可知，新能源電動汽車充電功率具有大量不確定性因素，電網、充電樁、汽車動力電池的荷電狀態及用戶行為之間的相互特性非常復雜，難以獲得量化充電需求特性及分布規律。需要說明的是，目前常用的用電負荷預測方法（如蒙特卡洛法、時間序列法、回歸分析法）都有一定的局限性，無法得到準確的期望值，故可以借鑒一些得到廣泛認可的、與充電樁類似的現有使用狀態參數。

根據前述，假設普通住宅小區每1個新能源車位均投入使用，則每1輛新能源汽車基本對應1個家庭，即基本可以近似認為新能源車與所屬家庭數量是一對一的關系。每戶家庭的用電量在不同地區有不同的設計標準，但在確定變壓器容量及導線開關的過程中，基本都遵循相似的需要系數，即JGJ 242一20H《住宅建筑電氣設計規范》3.4.1條說明提供的住

但是充電樁的負荷計算需要系數在借鑒表1的數據之前，需要先考察二者負荷性質是否具有相似性。住宅小區每戶的用電量是一個隨機量，每戶在不同時段的用電量是不同的，對多達上干戶的住宅小區而言，這個值就具有不確定性。雖然如此，但是從整體來看整個小區的用電負荷變化情況符合一定的統計規律，表1的數據就是根據統計規律及經過實測修正后得到廣泛

認可的需要系數。新能源汽車與家庭基本可認定為1：1對應關系，充電樁的使用時段也是隨機的，充電樁的充電功率也是變化的，為保護汽車的動力電池，充電樁充電過程是一個智能過程，文獻[ 5 ]描述電池充電過程大體上分為定電流、定電壓兩段充電方式（在一段時間內是以恒定的電流對電池充電，能夠另一段時間是以恒定的電壓對電池充電），達到既保護電池又能快速充滿電的目的，即新能源汽車的充電負荷是變化的，不是恒定不變的。圖1為某動力電池充電曲線

通過圖1可以看出，電池的充電功率在恒流階段較大，在恒壓階段會隨著充電電流的減少而逐漸降低直至某一穩定值，這一過程與住宅用電具有類似性，即是一個變化的過程。新能源電動汽車充電一般是在用戶外出歸來之后進行，這與住戶大量用電規律一樣，二者具有高度的相似性，所以在目前沒有更準確的針對充電樁負荷計算的需要系數推出之前，表1的數據是可以借鑒使用的。考慮到目前新能源汽車正逐步進入居民家庭，新建住宅小區充電樁負荷的實際增長是一個緩慢的過程，設計時參考表1的需要系數時宜取下限。

二、住宅小區電動汽車充電樁供電與居民用電共用變配電室可行性探討

為新能源汽車提供可靠的充電保障是新能源汽車推廣的一項重要基礎項目，對新建住宅小區而言，建設為充電樁提供電力的變配電室無疑是實現這一保障的較大措施之一，文獻[ 6 ]通過分析電動汽車不同類型的充電行為可知，當大量的充電樁投入使用后，充電負荷與電網原始負荷的疊加將導致電網高峰負荷水平增加約12％，對電網的規劃及運行造成很大的影響。除此之外，還需要的房間來建設變配電室并配備相應的高、低壓設備，這些都會造成房屋建造成本的上升。

為找到一種既滿足充電需求，又不增加或少增加投資的穩妥方案，筆者研究發現，每戶居民生活用電的用電負荷指標在不同的地區差異微小，但是一般戶型的用電指標多數不會低于6kW/戶，對于面積> 120m2的用戶，其用電指標可達到8kW，甚至更多。而小區交流充電樁的用電負荷一般不超過 7kW，由此可見每戶的平均用電負荷與交流充電樁的用電負荷基本相當。

此外，與高速公路休息區、繁華市區不同，住宅小區內的充電樁使用頻率有明顯的自身特征，居民工作日白天基本是騭車上班。根據國外相關調查，一天當中約有14％的私家車處于停駛狀態，工作日下班后是充電樁使用高峰期，大約出現在19：00 一24 00，從隔天0：00一8：00基本屬于低谷期，8.00一19 00基本屬于平穩期，這種情況與居民生活用電的峰谷期類似。新能源電動汽車都有自己的固定停車位及充電樁，可以通過峰谷電價或者一定的管理措施引導車主在隔天0：00一8：00的時間內充電，這樣可以減少變配電室的數量及變壓器的安裝容量，節省投資，同時也提高了既有變配電設備的利用率，當然此種方案涉及到計費及管理分界問題，需要當地供電公司批復后方可實施。

隨著電網智能化程度的提高，新能源電動汽車充電樁可以與電網實現實時通信，根據電網的運行情況，調整對汽車動力電池的充電負荷，實現智能單向有序充電，即VIG充電模式。充電樁與電網智能互動的更高在模式是除了實現VIG充電模式之外，汽車動力電池作為電網的電力儲備，在緊急狀態下具備向電網輸送電力、支援電網運行的能力，即實現了雙向有序充電（V2G充電模式）的應用。由此可見，隨著VIG、V2G充電模式的相繼實現，新能源汽車在夜間用電低谷期進行充電的可行性將大大提高。

三、住宅小區電動汽車充電樁平面布置

近期投入的充電樁應盡量安排在地下車庫內，這樣的室內環境便于敷設線路和維護管理，對充電樁防護等級的要求低。充電樁的安裝位置應靠近變配電室，且應集中布置或分區域集中布置，宜首先選擇掛墻或柱子的安裝方式，其次選擇落地安裝，但不論哪種安裝方式均不應妨礙其他車輛的充電和通行。在沒有采暖的寒冷地區，充電柱設置位置應遠離車庫出入口，盡量減少冬季低氣溫對汽車動力電池充電效率的不利影響。

四、需要注意的電氣問題

因為新能源汽車采用的動力電池在充電過程中不會釋放氫氣，所以不需要做可燃氣體探測，與常規車庫的消防設計沒有區別，但需要特別注意的是，一旦新能源汽車電池著火，因其著火點是在電池內部，一般屬于A類及E類火災，除了配備磷酸銨鹽干粉火火器之外，較有效的常規滅火劑應是水，需要對著電池噴灑大量的水來冷卻火火。

GB 50016-2014《建筑設計防火規范》L7 ] 3.1條表1規定電動車庫屬于戊類庫房；CB 50058-2014 《爆炸危險環境電力裝置設計規范》[ 8 ]附錄B第23 條規定，新能源汽車電池符合蓄電池無通氣口、總體積小于該封閉區域容積1％的條件，且車庫內設置平時送排風機，通風良好，因此可劃為非危險區域，車庫內的電氣設備不需要采取防爆設計。充電樁需要做好等電位聯結，消除靜電確保人身及設備安穩。

小區新能源充電柱負荷等級可按照三級確定，但需從變配電室接引回路，以方便電費計量及管理。小區也可以根據實際情況在公共部位設置部分直流充電柱，以滿足用戶的應急充電需求，需注意的是，直流充電柱的負荷等級不應低于二級。

五、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統架構

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。

充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網，配合加密技術和秘鑰分發技術，基于TCP/IP的數據交互協議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體功能如下：

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測

交易結算：充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表

用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

充電服務：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等

小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數據服務：數據采集，短信提醒，數據存儲和解析

變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統自動對充電樁的進行調度管理，即當負荷超過百分之五十時，系統會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過百分之八十時，系統將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未人員瀏覽有關信息。

平臺首頁總覽每天的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，累計的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，以及相應的環比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實時監控

?充電站監控

充電站監控頁面監測用戶充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時長，進行負荷限制、故障查詢。

充電槍監控

充電樁監控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時長等、充電電壓電流等參數。

2.4小程序

搜索與使用

小程序可以通過掃描二維碼和文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

登錄界面

用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面，需要用戶登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示

主功能頁

初次進入主功能頁時需要定位才可以使用地圖相關功能，在地圖上查看到當前所在區域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導航等

個人信息

個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務器：建議按照我方*配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

*硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

若客戶自己租用阿里云服務器，服務器配置根據充電槍點數的不同，分別如下：

3.2現場*硬件配置清單：

六、總結

在進行新建住宅小區的設計時，按照國家相關規定須設置新能源電動車位，配套1：1設置充電樁。能源電動車位占總車位的比例由地方標準或政府的相關文件確定，除了設置充電樁的車位之外，其余車位應預留設置充電樁的條件。

新能源電動車位充電樁一般考慮交流樁，負荷一般不超過7kW，所有充電樁總充電負荷計算采用單個充電樁充電負荷代數相加，考慮三相平衡后乘以需要系數確定，然后再根據充電負荷計算結果選擇配電線纜及保護開關。這種方法只是借鑒住宅負荷計算比較成熟的需要系數，新能源充電樁充電負荷計算的準確系數的確定也將需要一個較長過程，并需要后續使用檢驗，根據具體使用情況陸續加以修正。設置新能源充電樁的車庫的其他電氣設計可以按照普通車庫標準進行，不需要進行特殊考慮。

新能源汽車是一種很有優勢的交通工具，踴躍穩妥的推進與其配套的充電樁設計與安裝，能夠促進新能源汽車的推廣與普及，降低居民的出行成本，減少城市生活環境中污染物的排放。

參考文獻

[1]GB 50966．2014電動汽車充電設計規范[ s]-北京：中國計劃出版社，2014．

[2]丁學鵬，唐建，新建住宅小區電動汽車充電樁配電設計

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：霍麗麗，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發和應用，