淺談小區(qū)電動汽車充電樁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
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辜秀娟
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：提出了針對數(shù)量眾的充電樁計(jì)算充電負(fù)荷時所需需要系數(shù)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(jìn)行了相關(guān)論述。數(shù)發(fā)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(wǎng)是一個嚴(yán)峻的考驗(yàn)，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(shè)充電樁專用變配電室的解決方案。闡述了新能源汽車車庫電氣設(shè)計(jì)時，在充電樁負(fù)荷等級的確定、消防、安裝及安穩(wěn)方面需要注意的相關(guān)問題。
關(guān)鍵詞：充電樁、需要系數(shù)、接地、防爆
引言
電動汽車作為一種新能源交通工具，與傳統(tǒng)油動力汽車相比，幾乎沒有污染、零排放、低噪聲，使用維護(hù)相對簡單，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也低于傳統(tǒng)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(bǔ)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(fā)[2014] 35號及國辦發(fā)[2015] 73號文件明確要求按照適度超前的原則規(guī)劃設(shè)置新能源汽車充電樁，新建住宅配建停車位應(yīng)100％建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)建設(shè)安裝條件。根據(jù)國辦發(fā)的文件，北京市規(guī)定居住類建筑應(yīng)將18％的配建機(jī)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(shè)施配置與設(shè)計(jì)規(guī)范》也規(guī)定根據(jù)不同規(guī)模城市的指標(biāo)級別，新能源慢充樁的配建比例應(yīng)為百分之十至百分之十四，其他部分省份也有相應(yīng)的配套措施陸續(xù)出臺，都對新建住宅小區(qū)的新能源汽車充電樁的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)占地面積約為800mm × 800mm），充電電壓高〔直流輸出電壓可達(dá)700v，直流充電電流可達(dá) 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(diǎn)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(jù)GB 50966·2014《電動汽車充電站設(shè)計(jì)規(guī)范》第 5.2.1條規(guī)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(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)置在高速公路休息區(qū)、繁華市區(qū)、大型商場周邊等需要快速充電的商業(yè)區(qū)域。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求新建商品房住宅小區(qū)配套停車位指標(biāo)一般≥1個車位/戶，以總建筑面積 300 000m2的小區(qū)為例，其配套停車位的數(shù)量將超過 2 000個。根據(jù)各地對新能源充電樁的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，新建住宅小區(qū)充電樁的數(shù)量一般不低于配套停車位的百分之十，其需要配套設(shè)置的充電樁將達(dá)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(jì)算，整個小區(qū)的充電樁安裝功率也將達(dá)到 1 400kW以上，安裝容量較大。如何合理地進(jìn)行配電設(shè)計(jì)使得整個系統(tǒng)既能滿足使用要求，又不至于造成浪費(fèi)就顯得尤為重要。
本文從充電樁充電負(fù)荷需要系數(shù)及安裝位置的確定以及消防注意事項(xiàng)等主要方面著手，提出新建住宅小區(qū)充電樁電氣設(shè)計(jì)的解決方案。
一、新建住宅小區(qū)新能源電動汽車充電樁充電容量計(jì)算
住宅小區(qū)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(jì)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(jī)效率，取0.9；cosφ為充電樁的功率因數(shù)，取0.9。
整個小區(qū)充電樁的總輸入計(jì)算容量為所有充電樁輸入容量的代數(shù)和與需要系統(tǒng)K的乘積，見式：
式中，Sjs斗為整個小區(qū)充電樁的輸入計(jì)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(shù)。
從式（2）可以看出，充電樁輸入容量值的獲取，關(guān)鍵是需要系數(shù)K的合理確定。南方電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CSG 1巧16.2 -2010《電動汽車充電站及充電樁設(shè)計(jì)規(guī)范》中的推薦值為0.8，該值對商用充電站雖然適用，但對住宅小區(qū)的交流充電樁而言明顯偏大，如果直接套用計(jì)算，結(jié)果需要的充電容量是非常大的，因此0.8的需要系數(shù)不適用住宅小區(qū)交流充電樁的輸入容量計(jì)算。目前還沒有針對充電樁負(fù)荷計(jì)算的專門的需要系數(shù)可選擇，根據(jù)文獻(xiàn)[ 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(wǎng)、充電樁、汽車動力電池的荷電狀態(tài)及用戶行為之間的相互特性非常復(fù)雜，難以獲得量化充電需求特性及分布規(guī)律。需要說明的是，目前常用的用電負(fù)荷預(yù)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(zhǔn)確的期望值，故可以借鑒一些得到廣泛認(rèn)可的、與充電樁類似的現(xiàn)有使用狀態(tài)參數(shù)。
根據(jù)前述，假設(shè)普通住宅小區(qū)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(yīng)1個家庭，即基本可以近似認(rèn)為新能源車與所屬家庭數(shù)量是一對一的關(guān)系。每戶家庭的用電量在不同地區(qū)有不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但在確定變壓器容量及導(dǎo)線開關(guān)的過程中，基本都遵循相似的需要系數(shù)，即JGJ 242一20H《住宅建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.1條說明提供的住
但是充電樁的負(fù)荷計(jì)算需要系數(shù)在借鑒表1的數(shù)據(jù)之前，需要先考察二者負(fù)荷性質(zhì)是否具有相似性。住宅小區(qū)每戶的用電量是一個隨機(jī)量，每戶在不同時段的用電量是不同的，對多達(dá)上干戶的住宅小區(qū)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(qū)的用電負(fù)荷變化情況符合一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，表1的數(shù)據(jù)就是根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律及經(jīng)過實(shí)測修正后得到廣泛認(rèn)可的需要系數(shù)。新能源汽車與家庭基本可認(rèn)定為1：1對應(yīng)關(guān)系，充電樁的使用時段也是隨機(jī)的，充電樁的充電功率也是變化的，為保護(hù)汽車的動力電池，充電樁充電過程是一個智能過程，文獻(xiàn)[ 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(nèi)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(dá)到既保護(hù)電池又能快速充滿電的目的，即新能源汽車的充電負(fù)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(wěn)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(jìn)行，這與住戶大量用電規(guī)律一樣，二者具有高度的相似性，所以在目前沒有準(zhǔn)確的針對充電樁負(fù)荷計(jì)算的需要系數(shù)推出之前，表1的數(shù)據(jù)是可以借鑒使用的?？紤]到目前新能源汽車正逐步進(jìn)入居民家庭，新建住宅小區(qū)充電樁負(fù)荷的實(shí)際增長是一個緩慢的過程，設(shè)計(jì)時參考表1的需要系數(shù)時宜取下限。
二、住宅小區(qū)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(xiàng)重要基礎(chǔ)項(xiàng)目，對新建住宅小區(qū)而言，建設(shè)為充電樁提供電力的變配電室無疑是實(shí)現(xiàn)這一保障的較大措施之一，文獻(xiàn)[ 6 ]通過分析電動汽車不同類型的充電行為可知，當(dāng)大量的充電樁投入使用后，充電負(fù)荷與電網(wǎng)原始負(fù)荷的疊加將導(dǎo)致電網(wǎng)高峰負(fù)荷水平增加約12％，對電網(wǎng)的規(guī)劃及運(yùn)行造成很大的影響。除此之外，還需要專用的房間來建設(shè)變配電室并配備相應(yīng)的高、低壓設(shè)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(wěn)妥方案，筆者研究發(fā)現(xiàn)，每戶居民生活用電的用電負(fù)荷指標(biāo)在不同的地區(qū)差異微小，但是一般戶型的用電指標(biāo)多數(shù)不會低于6kW/戶，對于面積> 120m2的用戶，其用電指標(biāo)可達(dá)到8kW，甚至多。而小區(qū)交流充電樁的用電負(fù)荷一般不超過 7kW，由此可見每戶的平均用電負(fù)荷與交流充電樁的用電負(fù)荷基本相當(dāng)。
此外，與高速公路休息區(qū)、繁華市區(qū)不同，住宅小區(qū)內(nèi)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(jù)國外相關(guān)調(diào)查，一天當(dāng)中約有14％的私家車處于停駛狀態(tài)，工作日下班后是充電樁使用高峰期，大約出現(xiàn)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(wěn)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專用充電樁，可以通過峰谷電價或者一定的管理措施引導(dǎo)車主在隔天0：00一8：00的時間內(nèi)充電，這樣可以減少變配電室的數(shù)量及變壓器的安裝容量，節(jié)省投資，同時也提高了既有變配電設(shè)備的利用率，當(dāng)然此種方案涉及到計(jì)費(fèi)及管理分界問題，需要當(dāng)?shù)毓╇姽九鷱?fù)后方可實(shí)施。
隨著電網(wǎng)智能化程度的提高，新能源電動汽車充電樁可以與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信，根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況，調(diào)整對汽車動力電池的充電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)智能單向有序充電，即VIG充電模式。充電樁與電網(wǎng)智能互動的高在模式是除了實(shí)現(xiàn)VIG充電模式之外，汽車動力電池作為電網(wǎng)的電力儲備，在緊急狀態(tài)下具備向電網(wǎng)輸送電力、支援電網(wǎng)運(yùn)行的能力，即實(shí)現(xiàn)了雙向有序充電（V2G充電模式）的應(yīng)用。由此可見，隨著VIG、V2G充電模式的相繼實(shí)現(xiàn)，新能源汽車在夜間用電低谷期進(jìn)行充電的可行性將大大提高。
三、住宅小區(qū)電動汽車充電樁平面布置
近期投入的充電樁應(yīng)盡量安排在地下車庫內(nèi)，這樣的室內(nèi)環(huán)境便于敷設(shè)線路和維護(hù)管理，對充電樁防護(hù)等級的要求低。充電樁的安裝位置應(yīng)靠近變配電室，且應(yīng)集中布置或分區(qū)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(yīng)妨礙其他車輛的充電和通行。在沒有采暖的寒冷地區(qū)，充電柱設(shè)置位置應(yīng)遠(yuǎn)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?yàn)樾履茉雌嚥捎玫膭恿﹄姵卦诔潆娺^程中不會釋放氫氣，所以不需要做可燃?xì)怏w探測，與常規(guī)車庫的消防設(shè)計(jì)沒有區(qū)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(diǎn)是在電池內(nèi)部，一般屬于A類及E類火災(zāi)，除了配備磷酸銨鹽干粉火火器之外，較有效的常規(guī)滅火劑應(yīng)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(shè)計(jì)防火規(guī)范》L7 ] 3.1條表1規(guī)定電動車庫屬于戊類庫房；CB 50058-2014 《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[ 8 ]附錄B第23 條規(guī)定，新能源汽車電池符合蓄電池?zé)o通氣口、總體積小于該封閉區(qū)域容積1％的條件，且車庫內(nèi)設(shè)置平時送排風(fēng)機(jī)，通風(fēng)良好，因此可劃為非危險區(qū)域，車庫內(nèi)的電氣設(shè)備不需要采取防爆設(shè)計(jì)。充電樁需要做好等電位聯(lián)結(jié)，消除靜電確保人身及設(shè)備安穩(wěn)。
小區(qū)新能源充電柱負(fù)荷等級可按照三級確定，但需從變配電室接引專用回路，以方便電費(fèi)計(jì)量及管理。小區(qū)也可以根據(jù)實(shí)際情況在公共部位設(shè)置部分直流充電柱，以滿足用戶的應(yīng)急充電需求，需注意的是，直流充電柱的負(fù)荷等級不應(yīng)低于二級。
五、安科瑞充電樁運(yùn)營管理平臺
1、系統(tǒng)架構(gòu)
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)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(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)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(yùn)行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測
交易結(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財(cái)務(wù)相關(guān)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(wù)：充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等
微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能
數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析
變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)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(quán)限密碼，進(jìn)行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。
平臺首頁總覽每天的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，累計(jì)的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。
2.3實(shí)時監(jiān)控
?充電站監(jiān)控
充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。
充電槍監(jiān)控
充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時長和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。
2.4微信小程序
搜索與使用
微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示
授權(quán)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(jìn)入這個頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面，如圖所示
主功能頁
初次進(jìn)入主功能頁時需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等
個人信息
個人信息可以顯示當(dāng)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(shè)置支付密碼等功能
3、硬件配置
3.1平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。
推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）
若客戶自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點(diǎn)數(shù)的不同，分別如下：
3.2現(xiàn)場推薦硬件配置清單：
六、總結(jié)
在進(jìn)行新建住宅小區(qū)的設(shè)計(jì)時，按照國家相關(guān)規(guī)定須設(shè)置新能源電動車位，配套1：1設(shè)置充電樁。能源電動車位占總車位的比例由地方標(biāo)準(zhǔn)或政府的相關(guān)文件確定，除了設(shè)置充電樁的車位之外，其余車位應(yīng)預(yù)留設(shè)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(fù)荷一般不超過7kW，所有充電樁總充電負(fù)荷計(jì)算采用單個充電樁充電負(fù)荷代數(shù)相加，考慮三相平衡后乘以需要系數(shù)確定，然后再根據(jù)充電負(fù)荷計(jì)算結(jié)果選擇配電線纜及保護(hù)開關(guān)。這種方法只是借鑒住宅負(fù)荷計(jì)算比較成熟的需要系數(shù)，新能源充電樁充電負(fù)荷計(jì)算的準(zhǔn)確系數(shù)的確定也將需要一個較長過程，并需要后續(xù)使用檢驗(yàn)，根據(jù)具體使用情況陸續(xù)加以修正。設(shè)置新能源充電樁的車庫的其他電氣設(shè)計(jì)可以按照普通車庫標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，不需要進(jìn)行特殊考慮。
新能源汽車是一種很有優(yōu)勢的交通工具，踴躍穩(wěn)妥的推進(jìn)與其配套的充電樁設(shè)計(jì)與安裝，能夠促進(jìn)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(huán)境中污染物的排放。
參考文獻(xiàn)
[1]GB 50966．2014電動汽車充電設(shè)計(jì)規(guī)范[ s]-北京：中國計(jì)劃出版社，2014．
[2]丁學(xué)鵬，唐建，新建住宅小區(qū)電動汽車充電樁配電設(shè)計(jì)
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06版
作者簡介：辜秀娟，女，現(xiàn)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(fā)和應(yīng)用，Email:3008713919@qq.com，：，QQ:3008713919
