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淺談居住區(qū)電動汽車充電樁管理及設計研究

更新時間：2020-12-25

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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：充電樁是電動汽車需具備的充電設施，加強對電動汽車充電樁的設計研究，可推動電動汽車的發(fā)展。就地下車庫電動汽車充電樁設計進行了研究，并結(jié)合工程實例，探討了充電樁的負荷計算、供配電系統(tǒng)設計、配電充電監(jiān)控系統(tǒng)設計等，可為類似地下車庫充電樁設計提供有益的借鑒作用。

關鍵詞：地下車庫；充電樁；監(jiān)控系統(tǒng)；鋰電池

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們低碳環(huán)保理念的提升，我國政府大力推進新能源汽車的應用。而電動汽車以其節(jié)能、環(huán)保、清潔等優(yōu)點，成為了未來新能源汽車發(fā)展的大方向。充電樁作為電動汽車需具備的充電設施，是電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈中 *的組成部分，其設計關系到電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鑒于此，研究電動汽車充電樁的設計十分重要。

一、車位與充電樁的比例

在電動汽車中很重要的兩個參數(shù)是動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，延長電池壽命，電量下降到百分之二十時需要充電，充電到電量的百分之八十～百分之九十時即停止充電。電動汽車續(xù)駛里程以前為 150 km 左右，目前可以達到 200 km 以上，隨著技術進步電池能量密度的提高，新產(chǎn)品出臺后續(xù)駛里程將能達到 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，電動汽車續(xù)駛里程大、充電時間短后，其普及率將提高。對于一般居民，以續(xù)駛里程300 km 進行計算，可行駛里程約 120 km，以每天平均通勤里程約 40 km 計算，則每臺電動汽車需要 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置充電樁。

二、負荷等級及負荷計算

住宅小區(qū)電動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)用電為二級負荷，其他負荷為三級負荷。慢充樁的充電電流小、充電時間長，電池壽命可以延長，多數(shù)居民早出晚歸，適用于設慢充樁。

本文以某住宅小區(qū)為例，其地下室為設備用房及 450 輛大型地下車庫，按車樁比 3∶1 計算，則需設 150 個慢充樁，參照相關規(guī)范規(guī)定，每 50 個充電樁設 1 個充電站，共設 3 個充電站，每個充電站與建筑專業(yè)商定設為一個防火分區(qū)，為了節(jié)約投資并節(jié)能，1 號充電站位于 1 號變電所旁，2 號和 3 號充電站位于 2 號變電所旁，線路較短，電能損耗較短小。負荷計算方面，按能源行業(yè)標準《電動汽車交流充電樁技術條件》（NB/T 33002—2010），每個慢充樁設備容量約 7 kW（AC220 V 單相供電），cosφ＞0.95，這里取 cosφ=0.85。

對于每個充電站，ΣPe=50×7=350 kW，按照相關規(guī)范條文及其說明，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)

該工程充電站設配電充電監(jiān)控系統(tǒng)，對變壓器負荷率實時監(jiān)控，使其高峰期負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：干式電力變壓器負載導則》，環(huán)境溫度為 30 ℃時，H 級絕緣干式變壓器負荷率為百分之一百一），以保證變壓器壽命。

該小區(qū)變電所設計變壓器負荷率≤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，由于每個充電站ΣPjs=175 kW，3 個充電站總負荷為525 kW，不需加大變壓器容量。每個充電站設 5 個充電樁配電箱，每個慢充樁配電箱 10 路出線。

四、配電充電監(jiān)控系統(tǒng)（含計量）

圖 1 為配電充電監(jiān)控系統(tǒng)圖。充電站應設配電充電監(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 1 200 m，各測控單元的功能如表 1 所示，站控層主機等置于兩個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用支付方式，包括充電 IC 卡、二維碼、支付碼、支付寶等，并兼容該地區(qū)充電APP。

五、諧波治理

充電機負載為電力電子器件和電池，含非線性負荷，一定嚴格限制諧波畸變率，避免影響變壓器、電動機、電容器及其他設備的正常運行和計量造成等：①所用的充電機諧波分量應符合國家標準《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值（設備每相輸入電流≤16 A）》（GB 17625.1—2012）和《電磁兼容限值對額定電流大于 16A 的設備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制》（GB/Z 17625.6—2003）的有關規(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、通風等納入地下室車庫整體設計。執(zhí)行《汽車庫、修車庫、停車庫設計防火規(guī)范》（GB 50067—2014）、《車庫建筑設計規(guī)范》（JGJ 100—2015）等相關規(guī)范；②安防監(jiān)控系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)控、設備安穩(wěn)監(jiān)控、防火、防盜及視頻監(jiān)控等，對充電站的環(huán)境一目了然；③充電設施產(chǎn)生的噪聲限值應符合《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（ GB 3096—2008）；④變配電設備、充電設備的抗震措施應符合《工業(yè)企業(yè)電氣設備抗震設計規(guī)范》（GB 50556—2010）和《建筑機電工程抗震設計規(guī)范》（GB 50981—2014）；⑤充電站設置 20 m×20 m 等電位接地網(wǎng)；⑥充電站設指引及停車位標識，其符號參閱相關規(guī)范規(guī)定；⑦充電站配電系統(tǒng)雷電防護等級按 C 級配置各級 SPD 參數(shù)；⑧充電樁較多，即整個系統(tǒng)非線性負荷大，投運后應實測電磁輻射值是否超標，應符合《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）；⑨實施后，應以充電樁招標后的參數(shù)為依據(jù)，修正相關供配電系統(tǒng)設計參數(shù)；⑩該項目投運后，應實測實際充電總功率、諧波分量等，采取相應的對策。

七、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統(tǒng)架構(gòu)

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)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(tǒng)發(fā)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(lián)網(wǎng)，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)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(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(jié)算，導航等

小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數(shù)據(jù)服務：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)控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進行調(diào)度管理，即當負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，當變壓器負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，進行登錄，防止未人員瀏覽有關信息。

2.2平臺首頁

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，以及相應的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統(tǒng)計。

2.3實時監(jiān)控

?充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁面監(jiān)測用戶充電槍總數(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日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進行負荷限制、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充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、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(qū)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

?充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進進行評價。

?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(jù)充電槍點數(shù)的不同，分別如下：

3.2現(xiàn)場*硬件配置清單：

八、總結(jié)

綜上所述，充電樁是電動汽車的能量來源，加強其研究才能為電動汽車的發(fā)展奠定堅實的基礎。對于住宅小區(qū)地下車庫充電樁的設計，車樁比不宜小于百分之三十，根據(jù)居住區(qū)特點，優(yōu)先充分利用住宅變壓器，錯峰充電，充電設施宜納入充電服務信息公共平臺。同時，相關企業(yè)應該加大對電動汽車的研發(fā)推廣力度，嚴格參照國家出臺的相關規(guī)范標準在民用建筑中合理設置充電樁，確保電動汽車充電樁安穩(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

[1]劉舉祥，居住區(qū)電動汽車充電樁設計研究．

[2]和雅.電動汽車充電樁設計研究［D］.南昌：南昌大學，2012.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：李霍麗麗，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)和應用

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