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淺析住宅小區(qū)電動車充電樁的電氣設(shè)計與平臺管理系統(tǒng)

更新時間：2023-07-03

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：根據(jù)目前對于新能源汽車發(fā)展規(guī)劃及政策，以及國內(nèi)外充電設(shè)施的主要類型和技術(shù)參數(shù)。論述地下車庫電動汽車充電樁的供配電系統(tǒng)的設(shè)計及設(shè)計過程中需要注意的一些問題。

關(guān)鍵詞：充電樁；地下車庫；供配電設(shè)計；負荷計算　　

0 引言

新能源汽車的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與推廣應(yīng)用，已是大勢所趨。新能源汽已經(jīng)成為未來汽車發(fā)展的必然方向。我國目前發(fā)展的新能源汽車主要以插電式混合動力汽車和純電動汽車為主。為推廣和使用新能源汽車并加快充電設(shè)施的建設(shè)，國辦[2015]73號文及建規(guī)[2015]199號文件明確要求：新建住宅配建停車位應(yīng)100%預留充電設(shè)施建設(shè)安裝條件。因此，新建住宅小區(qū)地下車庫充電樁規(guī)劃、設(shè)計成為民用建筑電氣設(shè)計內(nèi)容的一部分。

1 配置充電樁的類型及技術(shù)要求

目前，新能源汽車的充電樁主要分為直流充電樁和交流充電樁兩種，俗稱“快充"和“慢充"。直流充電樁有占地面積大，充電電壓高，充電時間較短，投資大等特點。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，充電時間長，投資小等特點。通過比較可知，住宅小區(qū)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(shè)置在大型商場、辦公樓、繁華市區(qū)等需要快速充電的區(qū)域。

2 供配電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 充電設(shè)施專用變壓器容量計算

SΣ=Kt*Kx*Cn*（Kn*Pn+Km*Pm）/（η* cosφ）

式中：SΣ--變壓器總安裝容量（kVA）；η--變壓器負載率，取0.70-0.75；cosφ--補償后功率因數(shù)，取0.95；Pn --交流充電樁（慢充）安裝功率，取7.0KW；Pm-直流充電樁（快充）安裝功率，取60kW作為基數(shù)（一般有30kW、45kW、60kW、75kW、90kW、105kW、120kW）； Kn--慢充停車位配置比例系數(shù)（即，實際慢充停車位數(shù)量/小區(qū)規(guī)劃停車位數(shù)量），近期系數(shù)取0.20，遠期系數(shù)取0.45；Km-快充停車位配置數(shù)量比例系數(shù)（即，實際快充停車位數(shù)量/小區(qū)規(guī)劃停車位數(shù)量），近期系數(shù)取0.02，遠期系數(shù)取0.045；Kx--充電樁需要系數(shù)，充電樁數(shù)量（慢充+快充），5-10個，取0.75-0.85；10-50個，取0.55-0.65；50個以上，取0.4-0.45；Kt--充電樁同時使用系數(shù)，充電樁數(shù)量（慢充+快充），5-50個，取0.85-0.90；50個以上，取0.6-0.7；Cn --小區(qū)規(guī)劃停車位數(shù)量。

目前，充電設(shè)備在國內(nèi)大范圍應(yīng)用還比較少，沒有先例可查，同時系數(shù)Kt和需要系數(shù)Kx很難選取。Kt和Kx的選取主要與下面因數(shù)關(guān)：1）電動車的使用情況：目前電動汽車總體數(shù)量不多，充電設(shè)備本身的利用率不高；各建筑具體情況不相同。2）即使同時充電，各電動車之間的電池狀態(tài)、性能等各不相同。3）另外，小區(qū)交流充電樁（慢充）和直流充電樁（快充）一般使用時間在不同時段。設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合各地電動車的發(fā)展情況和工程實際，合理選取。

2.2 配電設(shè)計

(1)充電樁總電源宜采用低壓系統(tǒng)供電，接地采用TN-S系統(tǒng)。（2）交流充電樁宜按防火分區(qū)配電，每個防火分區(qū)均宜設(shè)置電動汽車充電樁區(qū)域配電柜、末端配電箱。區(qū)域配電柜和末端配電箱設(shè)計有三種形式：一、按100%配置全部設(shè)計安裝到位；二、按20%配置全部設(shè)計安裝到位（區(qū)域配電柜—末端配電柜—充電樁），其他80%僅考慮路由、土建等條件；三、按20%配置僅區(qū)域配電柜設(shè)計安裝到位，末端配電箱取消，區(qū)域配電柜采用放射式直接供電至充電樁，其它80%僅考慮路由、土建等條件。（3）各防火分區(qū)區(qū)域配電柜宜安裝在設(shè)置充電樁車位附近的強電間內(nèi)，其系統(tǒng)圖如圖1所示。為保證末端充電設(shè)備安全，末端配電箱低壓斷路器應(yīng)設(shè)置短路保護和剩余電流保護功能，其剩余電流保護額定動作電流為30mA，動作時間≤0.1s。

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圖 1 電動汽車充電設(shè)施配電系統(tǒng)圖

2.3 電能質(zhì)量

電動汽車充電樁的充電過程為非線性的負荷變化過程，設(shè)計時應(yīng)考慮充電設(shè)施對公用電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響，并采取有效的抑制措施，將注入公網(wǎng)的諧波控制在規(guī)定范圍內(nèi)。為保障電能質(zhì)量的要求，所采取的措施如下：（1）增加充電機整流裝置的脈動數(shù)。（2）低壓配電系統(tǒng)中設(shè)置有源濾波器裝置，功率因數(shù)補償電容器組配置電抗器。（3）專用變壓器接線組別為D，yn11，且負荷率不高于70%。（4）為改善三相用電設(shè)備的平衡度，單相交流充電樁負荷應(yīng)均衡的分配到三相上，盡量使三相負荷平衡。（4）變電所低壓配電柜出線至

各區(qū)域充電樁配電柜距離不宜超過200m。

2.4 配電線路設(shè)計

根據(jù)充電樁配電柜的數(shù)量在專用變電所低壓柜出線設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的單獨饋線回路直接供電。饋線電纜宜銅芯電纜或銅芯電線，三相配電回路應(yīng)選用五芯電纜，單相配電回路應(yīng)選用三芯電纜。電動汽車充電設(shè)施配電線路宜采用金屬槽盒敷設(shè)，當電動汽車充電樁位置帶定時，金屬槽盒應(yīng)能到達所有停車位，以滿足100%預留充電設(shè)施條件。

3 充電樁設(shè)施的布置原則

電動汽車與充電設(shè)備之間應(yīng)保證安裝距離：充電設(shè)備安裝在車側(cè)且不妨礙車門開啟時，充電設(shè)備外輪（含防撞設(shè)施）距電動汽車凈距不應(yīng)小于0.4m（；妨礙車門開啟時，充電設(shè)備外輪（含防撞設(shè)施）距電動汽車凈距不應(yīng)小于0.6m；充電設(shè)備安裝在車尾時，充電設(shè)備外輪（含防撞設(shè)施）距電動汽車凈距不應(yīng)小于0.5m。充電設(shè)備安裝應(yīng)預留檢修與操作空間，其檢修操作面與建（構(gòu)）筑物之間距離不應(yīng)小于0.8m。其充電設(shè)備布置如（圖2）

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圖 2 充電1設(shè)備布置示意

4 監(jiān)控及通信

民用建筑電動汽車充電設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)由控制層、間隔層及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。監(jiān)控系統(tǒng)較小時，可根據(jù)實際需要進行簡化�？刂茖幽芴峁┏潆娫O(shè)施內(nèi)各運行系統(tǒng)的人機界面，應(yīng)實現(xiàn)相應(yīng)信息的收集和實時顯示、設(shè)備的遠方控制、以及數(shù)據(jù)的存儲、查詢和統(tǒng)計等，并可與相關(guān)系統(tǒng)通信。間隔層能采集設(shè)備運行狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)，上傳至控制層，并接收和執(zhí)行控制層的控制命令。

5 安科瑞充電樁收費運營云平臺

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施，維護充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

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5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)語

為了我國汽車能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，應(yīng)普及電動汽車充電設(shè)備的建設(shè)。未來幾年電動汽車充電設(shè)施的設(shè)計仍會是電氣設(shè)計師們關(guān)注的重點。地下車庫電動汽車充電設(shè)施的電氣設(shè)計，應(yīng)結(jié)合當?shù)叵嚓P(guān)規(guī)定設(shè)置配套的充電樁。電氣設(shè)計師應(yīng)立足規(guī)范，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，密切跟蹤新產(chǎn)品及技術(shù)的發(fā)展，不斷優(yōu)化調(diào)整設(shè)計方案，做到經(jīng)濟合理。

參考文獻

GB 50966-2014 電動汽車充電樁設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2014.
GB 50016-2014 建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2014.
張安鋒,王文靜.論住宅小區(qū)電動汽車充電樁的電氣設(shè)計.《建筑學研究前沿》2017年第26.

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.

作者簡介

吳柯霓，女，安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)工作