淺談居住區(qū)電動(dòng)汽車充電樁管理及設(shè)計(jì)研究

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：充電樁是電動(dòng)汽車需具備的充電設(shè)施，加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)研究，可推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展。就地下車庫(kù)電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并結(jié)合工程實(shí)例，探討了充電樁的負(fù)荷計(jì)算、供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配電充電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，可為類似地下車庫(kù)充電樁設(shè)計(jì)提供有益的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：地下車庫(kù)；充電樁；監(jiān)控系統(tǒng)；鋰電池

  近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們低碳環(huán)保理念的提升， 我國(guó)大力推進(jìn)新能源汽車的應(yīng)用。而電動(dòng)汽車以其節(jié)能、環(huán)保、清潔等優(yōu)點(diǎn)，成為了未來(lái)新能源汽車發(fā)展的大方向。充電樁作為電動(dòng)汽車需具備的充電設(shè)施，是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中 *的組成部分，其設(shè)計(jì)關(guān)系到電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鑒于此，研究電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)十分重要。

一、車位與充電樁的比例

  在電動(dòng)汽車中很重要的兩個(gè)參數(shù)是動(dòng)力電池的能量密度和續(xù)駛里程。鋰電池目前使用壽命 5～8 年，充電循環(huán)壽命 600～1 000 次。為了保持電池良好，延長(zhǎng)電池壽命，電量下降到 百分之二十時(shí)需要充電，充電到電量的 百分之八十～百分之九十時(shí)即停止充電。電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程以前為 150 km 左右，目前可以達(dá)到 200 km 以上，隨著技術(shù)進(jìn)步電池能量密度的提高，新產(chǎn)品出臺(tái)后續(xù)駛里程將能達(dá)到 300 km 以上，這樣的續(xù)駛里程基本上可以滿足大部分人通勤里程和短途出行的需求。

按新能源汽車發(fā)展的路線圖，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程大、充電時(shí)間短后，其普及率將提高。對(duì)于一般居民，以續(xù)駛里程300 km 進(jìn)行計(jì)算，可行駛里程約 120 km，以每天平均通勤里程約 40 km 計(jì)算，則每臺(tái)電動(dòng)汽車需要 3 d 充 1 次電，即車位與充電樁比例為 3∶1，按總車位的 百分之三十設(shè)置充電樁。

二、 負(fù)荷等級(jí)及負(fù)荷計(jì)算

  住宅小區(qū)電動(dòng)汽車主要以通勤為主，按照規(guī)定，其配電充電監(jiān)控系統(tǒng)用電為二級(jí)負(fù)荷，其他負(fù)荷為三級(jí)負(fù)荷。慢充樁的充電電流小、充電時(shí)間長(zhǎng)，電池壽命可以延長(zhǎng)，多數(shù)居民早出晚歸，適用于設(shè)慢充樁。

  本文以某住宅小區(qū)為例，其地下室為設(shè)備用房及 450 輛大型地下車庫(kù)，按車樁比 3∶1 計(jì)算，則需設(shè) 150 個(gè)慢充樁， 參照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，每 50 個(gè)充電樁設(shè) 1 個(gè)充電站，共設(shè) 3 個(gè)充電站，每個(gè)充電站與建筑商定設(shè)為一個(gè)防火分區(qū)， 為了節(jié)約投資并節(jié)能，1 號(hào)充電站位于 1 號(hào)變電所旁，2 號(hào)和 3 號(hào)充電站位于 2 號(hào)變電所旁，線路較短，電能損耗較短小。負(fù)荷計(jì)算方面，按能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車交流充電樁技術(shù)條件》（NB/T 33002—2010），每個(gè)慢充樁設(shè)備容量約 7 kW（AC220 V 單相供電），cosφ＞0.95，這里取 cosφ=0.85。

  對(duì)于每個(gè)充電站，ΣPe=50×7=350 kW，按照相關(guān)規(guī)范條文及其說(shuō)明，取 Kx=0.5，ΣPjs=350×0.5=175 kW，ΣIjs=ΣPjs/（ Ucosφ）=175/（×0.38×0.85）=313 A。

三、供配電系統(tǒng)

  該工程充電站設(shè)配電充電監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)變壓器負(fù)荷率實(shí)時(shí)監(jiān)控，使其高峰期負(fù)荷率不大于百分之一百（留百分之十裕量，根據(jù)（GB/T 1094.12—2013）《電力變壓器第 12 部分：干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》，環(huán)境溫度為 30 ℃時(shí)，H 級(jí)絕緣干式變壓器負(fù)荷率為 百分之一百一），以保證變壓器壽命。

  該小區(qū)變電所設(shè)計(jì)變壓器負(fù)荷率≤百分之八十，還有可用容量≥百分之二十，變壓器總?cè)萘繛?2 000 kVA，慢充樁一般在低谷期充電，由于每個(gè)充電站ΣPjs=175 kW，3 個(gè)充電站總負(fù)荷為525 kW，不需加大變壓器容量。每個(gè)充電站設(shè) 5 個(gè)充電樁配電箱，每個(gè)慢充樁配電箱 10 路出線。

四、配電充電監(jiān)控系統(tǒng)（含計(jì)量）

  圖 1 為配電充電監(jiān)控系統(tǒng)圖。充電站應(yīng)設(shè)配電充電監(jiān)控系統(tǒng)，分間隔層、站控層，間隔層通信介質(zhì)采用 RS485 多層屏蔽雙絞線，通信距離可達(dá) 1 200 m，各測(cè)控單元的功能如表 1 所示，站控層主機(jī)等置于兩個(gè)變電站之間塔樓上面的物管用房。充電樁支持不同的充電費(fèi)用支付方式，包括充電 IC 卡、二維碼、支付碼、支付寶、手機(jī)等，并兼容該地區(qū)充電APP。

五、諧波治理

  充電機(jī)負(fù)載為電力電子器件和電池，含非線性負(fù)荷，一定嚴(yán)格限制諧波畸變率，避免影響變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器及其他設(shè)備的正常運(yùn)行和計(jì)量造成誤差等：①所用的充電機(jī)諧波分量應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16 A）》（GB 17625.1—2012）和《電磁兼容限值對(duì)額定電流大于 16A 的設(shè)備在低壓中產(chǎn)生的諧波電流的限制》（GB/Z 17625.6—2003）的有關(guān)規(guī)定；②采取有效的諧波治理措施。

六、消防、安防及其他

  具體有以下要求：①消防、安防、通風(fēng)等納入地下室車庫(kù)整體設(shè)計(jì)。執(zhí)行《汽車庫(kù)、修車庫(kù)、停車庫(kù)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50067—2014）、《車庫(kù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 100—2015）等相關(guān)規(guī)范；②安防監(jiān)控系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備安穩(wěn)監(jiān)控、防火、防盜及視頻監(jiān)控等，對(duì)充電站的環(huán)境一目了然；③充電設(shè)施產(chǎn)生的噪聲限值應(yīng)符合《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（ GB 3096—2008）；④變配電設(shè)備、充電設(shè)備的抗震措施應(yīng)符合《工業(yè)企業(yè)電氣設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50556—2010）和《建筑機(jī)電工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50981—2014）；⑤充電站設(shè)置 20 m×20 m 等電位接地網(wǎng)；⑥充電站設(shè)指引及停車位標(biāo)識(shí)，其符號(hào)參閱相關(guān)規(guī)范規(guī)定；⑦充電站配電系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)按 C 級(jí)配置各級(jí) SPD 參數(shù)；⑧充電樁較多，即整個(gè)系統(tǒng)非線性負(fù)荷大，投運(yùn)后應(yīng)實(shí)測(cè)電磁輻射值是否超標(biāo)，應(yīng)符合《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）；⑨實(shí)施后，應(yīng)以充電樁招標(biāo)后的參數(shù)為依據(jù)，修正相關(guān)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)；⑩該項(xiàng)目投運(yùn)后，應(yīng)實(shí)測(cè)實(shí)際充電總功率、諧波分量等，采取相應(yīng)的對(duì)策。

圖 1 配電充電監(jiān)控系統(tǒng)圖

表 1 監(jiān)控系統(tǒng)配置方案

七、安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)

1、系統(tǒng)架構(gòu)

  安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)對(duì)各類故障如充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過(guò)小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請(qǐng)求，控制二維碼對(duì)應(yīng)的充電樁完成電動(dòng)汽車的充電過(guò)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(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營(yíng)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(cè)，充電樁異常交易監(jiān)測(cè)

交易結(jié)算：充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表

用戶管理：用戶注冊(cè)，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

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(chǔ)和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線表，超負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過(guò)百分之五十時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開(kāi)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(guò)百分之八十時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開(kāi)始充電，直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺(tái)功能

2.1平臺(tái)登錄

在瀏覽器打開(kāi)云平臺(tái)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。

2.2平臺(tái)首頁(yè)

  平臺(tái)首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，累計(jì)的開(kāi)戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，以及相應(yīng)的環(huán)比增長(zhǎng)和同比增長(zhǎng)以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。

2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控

?充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁(yè)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(shí)長(zhǎng)，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(yè)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(shí)長(zhǎng)和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)長(zhǎng)等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4小程序

?搜索與使用

小程序可以通過(guò)掃描二維碼文字搜索找到，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(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí)，會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示

?主功能頁(yè)

初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)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

?充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁(yè)面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價(jià)和預(yù)計(jì)可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

?個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號(hào)的昵稱和余額，同時(shí)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(tái)服務(wù)器：建議按照我方配置購(gòu)買，或者客戶自己租用阿里云資源。

硬件配置清單：（如申請(qǐng)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(chǎng)硬件配置清單：

八、總結(jié)

綜上所述，充電樁是電動(dòng)汽車的能量來(lái)源，加強(qiáng)其研究才能為電動(dòng)汽車的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于住宅小區(qū)地下車庫(kù)充電樁的設(shè)計(jì)，車樁比不宜小于 百分之三十，根據(jù)居住區(qū)特點(diǎn)，優(yōu)先充分利用住宅變壓器，錯(cuò)峰充電，充電設(shè)施宜納入充電服務(wù)信息公共平臺(tái)。同時(shí)，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該加大對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)推廣力度，嚴(yán)格參照國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在民用建筑中合理設(shè)置充電樁，確保電動(dòng)汽車充電樁安穩(wěn)、可靠充電， 為今后新能源汽車的發(fā)展起到大力作用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉舉祥，居住區(qū)電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)研究．

[2]和雅.電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2012.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版