建筑電氣充電樁配電設計及未來發展思考

摘要:民用建筑中充電樁配電系統設計應結合現有國家標準及當地政策、規范、標準的要求。本文以廣州市住宅項目為例,介紹了電動汽車充電樁布置的原則,充電樁配電系統的設計,充電樁相關配套設施建設的要求,主要內容包括主體選址、平面布置、負荷計算、電氣保護、防雷接地等方面。并分析我國現今新能源汽車發展現狀及亟待解決的問題

關鍵詞:電動汽車;有序充電;汽車充電樁;新能源;

一、引言

隨著國家對新能源產業的政策扶持及行業技術的迅速發展,新能源汽車的應用越來越 普及,由此,如何應對用戶日益增長的新能源汽車充電需求與當前充電設施建設不匹配,也是建筑電氣設計人員應當攻克的一道難題。 本文著點于建筑電氣設計中充電樁的布置與配電 系統設計,并延伸探究相關配套設施建設及目前所遇到的問題,以期與廣大相關從業人員共同探討解決問題的思路與方法

二、充電樁的分類

充電樁分為慢充和快充。慢充特點是交流輸入交流輸出,充電電流小時間長,目前大多數慢充時間 約6 ~ 9 小時;快充特點是交流輸入直流輸出,充電電流小時間 短,快充時間約1 ~2 小時。住宅建筑配建慢充足以滿足絕大多數用戶的使用求,且慢充建設成本較快充也較 低,故住宅建筑基本為慢充,快充則用于公共場合,縮短用戶充電時間。

三、 充電樁布置的要求

3.1 選址

設置充電樁的場所應充分考慮周圍建筑情況及建筑自身內部情況,通常需要考慮以下幾點:

(1 )盡量避開多塵、水 霧、有腐蝕性和破壞絕緣的有害氣體及導電介質的場所,此類場所對 電氣設備破壞性大且存在安全隱患;

(2)盡量避開可能積水的場所,如廁所、浴 室的正下方,如果因條件限制必須設在此類場所,應當采取預防滴、漏 水的措施或者選用相應防護等級的設施,通常情況下可在此區域設置雙層板或雙層墻,但這種做法應征詢當地驗收或監督部門是否認可;

(3 )避免設置在有劇烈振動影響或者高溫的場所;

(4)國標《電動汽車分散充電設施工程技術標 準 》GB51313 -20 1 8(簡稱“國 標")中規定,不宜設在修 庫內;廣東省標準《電動汽車充電基礎設施建設技術規程》DBJ/T1 5 -1 5 0 -2018(簡稱“廣東省標")中要求更具體不應設在修車庫及甲、乙類物品運輸車的汽車庫、停車場內;

(5 )盡量選在有公用網絡覆蓋的場所,充電設施使用及維護都需要使用網絡;

(6 )應當選在便于消防救援力量到達的場所,方便火災發生時能及時得到救援。

3.2 布置

新建車庫內的充電設施應當在集中布置同一防火分區內。當耐火等級為一、二級的車庫有多層時,可布置在車庫的一/二/三層;當車庫為地下多層時,不應該布置地下四層及以下。國標中,設置充電設施的車庫防火單元最大允許建筑

面積要求如下表 1 :

表 1 集中設置充電設施的防火單元

最大允許建筑面積(㎡)

廣東省標中,設置充電設施的車庫防火分區最大 許

建筑面積要求如下表 2 :

表 2 集中設置充電設施的防火分區

最大允許建筑面積(㎡)

且廣東省標中規定:設置充電設施的車庫,地下或高層車庫單個防火單元內停車數量不大于 20 輛;半地下/單層/多層車庫單個防火單元內停車數量不大于5 0輛。

1. 充電樁配電系統設計

4.1 確定負荷等級

根據國標及廣東省標相關規定,除供電中斷將對經濟

或社會秩序造成較大損失或較大影響其供電負荷等級不低于二級外,其余供電負荷等級可按照三級。

4.2 確定建筑物應設充電樁數量

國標規定,新建住宅配建停車位應按照 1 00 %的比例建設或預留充電設施安裝條件,公共建 筑或公共停車場內配建停車位應按照不應低于 1 0 %的比例建設或預留充電設施安裝條件。除了滿足規范及規劃要求外,在設計初期,還應征詢業主意見,確認是否有特殊需求。

4.3 確定設備負荷容量及配電設計

目前,單臺慢充一樁一槍充電功率仍不統一,圖集1 8D70 5 -2 中為7 kW,大多數設計也會采用這個數據,單臺快充一樁一槍充電功率常見為 3 0 kW、6 0 kW,具體設計中選用哪種數據根據當地供電部門要求及業主具體需求而定。以廣東省廣州市某住宅項目設計為例,該項目包含 1 0棟一類高層住宅及2層地下室,其中包含充電車位1 5 3 0個,供電負荷等級為三級負荷。按照廣州市要求,新建住宅停車位必須全部建設或預留安裝充電設施接口,其中配建或預留充電設施接口比例不少于 3 0 %,則本項目首期投入的充電樁數 量 為 1 5 3 0 x3 0 % = 45 9個。 根據廣州市供電局要求,充電功率不少于 8kW/車位,取 8kW每臺。考慮同期需要系統,見表 3 。

表 3 需要系數(Kx)推薦值

注:表中充電設備臺數是按同一單相所接交流充電樁數量計算,采用三相配電時,表中充電設備臺數應乘以 3 。計算容量 Sj =Kt*Kx*式中:Kt-同時系數,一般取 0 .8 ~ 1 .0 ,根據廣州市供電局要求,可取 0 .8 ;

Kx-需要系數,本項目接于同一相的充電樁數量為45 9/3 =1 5 3個,查表3 ,取0 .3 ;

1. 充電設備總設備功率,45 9 x8 =3 6 7 2 kW;

2. η-充電設備的工作效率,一般為 0 .9 ~0 .9 5 ,本項目取0 .9 3 ;

3. cosφ-充電設備的功率因數,一般為 0 .9 ~ 0 .9 8 ,本項目取 0 .9 3 ;

(1 )變電所負荷計算

總容量Sj 1 = 0 .8 * 0 .3 * {3672/(0 .9 3 * 0 .9 3 )}=1018 .9 kVA

則首期投入變壓器 1 2 5 0 kVA,負載率 8 1 .5 %。

剩余充電車位預留安裝條件,預留變壓器,僅預留變配電室位置。 預留變壓器容量 計算如下:Sj 2 = 0 .5 * {8 *(1 5 3 0 -45 9 )/(0 .9 3 *0 .9 3 )}=4 9 5 3 .2 kVA(其中按照廣州市供電局要求,規劃總容量按照5 0 %的需要系數計算),故預留 6臺1 000 kVA 變壓器,負載率 82 .5 %。

(2)區域配電箱負荷計算及配電設計

以某一防火分區40個充電車位為例,區域配電箱電源引自變電所低壓柜,放射式供電,設 置4個充電樁電表箱,其中3個1 2位表箱,1個4 位表箱。 考慮到個別地區配電房內低壓柜設置切非受限,故在區域配電箱設置消防切非。本區域配電箱接于同一相的充電樁數量40/3 = 1 3個,故Kx 取0 .7 ,Kt 取1 .0 ,則系統圖如下圖 1 :

圖 1 區域配電箱系統圖

(3 )末端配電箱負荷計算及配電設計

末端配電箱由區域配電箱放射式供電,本區域配電箱接于同一相的充電樁數量為1 2/3 =4 個,故 Kx 取 0 .8 ,Kt取1 .0 ,則系統圖如下圖 2 :

圖 2 末端配電箱系統圖

4.4 交流充電樁的保護和計量

(1 )應設置過負荷保護、短路保護及接地保護;

(2)配電回路應設剩余電流動作保護,選用A型 RCD額定動作電流不大于 3 0 mA,動作時間不 大于0 .1 s(廣東省標中也可選用 B 型 RCD);

(3 )末端回路設置限流式電氣防火保護器

(4)充電樁防水防塵等級:室內安裝時不低于 IP3 2 ,室外安裝時不低于 IP6 5

(5 )電源進線宜選用不低于B2級燃燒性能、t1級產煙毒性、d1 級燃燒滴落物/微粒等級的電線、電纜。電線、電纜具體選型應視項目建筑類型而定。

(6 )充電樁應自帶電能計量裝置,自帶的計量裝置主要為用戶提供計量 服 務,此 外 還 應 在產權分界點安裝面向電網接電的計量裝置,如上文圖 2 ,末端配電箱出線回路安裝計量電表。

4.5 配套設施的要求

(1 )配建充電設施的車庫,應配套設置相應的消防設施:火災自動報警系統、消防應急照明及 疏散指示標志、防排煙設施和自動噴水滅火系統;

(2)廣東省標準要求,設有充電設施的防火單元內行車通道上的防火卷簾應當分兩步動作,第 一步由火災自動報警系統聯動下降停在距地1 .8 米處,第二步由專業消防救援人員或值班人員操作設置在防火卷簾兩側的現場手動控制裝置使卷簾下降到底;

(3 )充電設施設置處宜有視頻監控,便于消控室值班人員及時發現并處理故障或異常情況。廣東省標要求設置了3 0 kW及以上單槍容量快充設備的室內場所應設視頻安防監控系統。

4.6 接地系統的要求

(1 )室內安裝的樁可利用建筑物本身接地裝置;室外安裝的充電樁可利用附近建筑或其他配 電設施的接地裝置。當無法利用或附近無其他接地裝置時,應當加設接地裝置。

1. 廣東省標準要求,充電車位應有等電位聯結措施。一般室內充電設置做防雷接地時,可在 附近柱位或墻體預留接地預埋件,與建筑物接地網連接, 圖 3示意;室外充電樁接地可設置等 電位均衡線,做法詳集1 8D70 5 -2 第47頁,如圖 4示意:

2. 圖 3 預留充電樁接地端子圖示

4.7 充電樁安裝

充電樁的安裝方式大體可分為壁掛式 安裝和落地式安裝,其中應注意,無論采用哪種安 裝方式,都應該為人員操作和檢修留下空間,同時也避免距離車位過近增加用戶停車時撞上充電樁的風險。

圖 4 室外充電車位等電位均衡線圖示

4.8 機遇與挑戰

據第一財經日報報道,202 3年我國新能源汽車產銷額分別為958 .7萬輛和949 .5萬輛,同比 增長35.8 %和37.9 %,市場zhan有率達到 31 .6 %,創下歷史新高。至202 3年底,全國新能源汽車 保有量達到2041萬輛,占汽車總量的6.0 7 %。新能源汽車數量的快速增長除了增加了對充 電基礎設施合理建設的要求外,在道路交通頻繁的特殊時間段,如節假日期間,也進一步放大了電車主的充電焦慮。

據國家電網智慧車聯網平臺發布的數據顯示,2024 年春運期間,僅1月2 6 日到2月5日11天的時間里,國家電網智慧車聯網平臺上高速公路服務區新能源車充電量達3408 .9 1 萬千瓦時,充電次數達1 51 .9 4 萬次,分別比2023年春運同期增長67 .06 %和48 .42 %。在新 能源汽車滲透率較高的南方地區,車主在高速服務區充電需要排隊取號,單次充電耗時更長。 尤其是本次春運期間,遭遇特殊天氣凍雨,高速路段堵車可達幾天,為省電有些車主甚至不敢 開取暖,如何應對這些問題也是新能源汽車制造商及充電樁設計、設置人員面臨的挑戰。同時,鄉村新能源汽車充電設施的建設也是一個廣闊的市場。多數新能源車主返回村里以后充 困難,只能前往當地鎮點或縣里,且縣鎮公用充電樁設置 較少,往往需要排隊才能充上電。 當 前市場,鄉村新能源汽車占比量較少的一個很大原因在于充電不方便,充電設施短、缺、落 后,如何加快鄉村充電樁建設和配套農村電網的質量改造提升,也是進一步在鄉村推廣新能源汽車亟需解決的一大難題。

1. 解決方案

圖1 平臺結構圖

充電運營管理平臺是基于物聯網和大數據技術的充電設施管理系統，可以實現對充電樁的監控、調度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗和服務質量。用戶可以通過APP或小程序提前預約充電，避免在充電站排隊等待的情況，同時也能為充電站提供更準確的充電需求數據，方便后續的調度和管理。通過平臺可對充電樁的功率、電壓、電流等參數進行實時監控，及時發現和處理充電樁故障和異常情況對充電樁的功率進行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內充電，避免對電網造成過大的負荷。

六、安科瑞充電樁云平臺具體的功能

平臺除了對充電樁的監控外，還對充電站的光伏發電系統、儲能系統以及供電系統進行集中監控和統一協調管理，提高充電站的運行可靠性，降低運營成本，平臺系統架構如圖3所示。

圖2 充電樁運營管理平臺系統架構

大屏顯示：展示充電站設備統計、使用率排行、運營統計圖表、節碳量統計等數據。

圖3 大屏展示界面

站點監控：顯示設備實時狀態、設備列表、設備日志、設備狀態統計等功能。

圖4 站點監控界面

設備監控：顯示設備實時信息、配套設備狀態、設備實時曲線、關聯訂單信息、充電功率曲線等。

圖5 設備監控界面

運營趨勢統計：顯示運營信息查詢、站點對比曲線、日月年報表、站點對比列表等功能。

圖6 運營趨勢界面

收益查詢：提供收益匯總、實際收益報表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7 收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態餅圖、故障趨勢分析、故障類型餅圖等功能。

圖8 故障分析界面

訂單記錄：提供實時/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導出、運營商應收信息、充電明細、交易流水查詢、充值余額明細等功能。

圖9 訂單查詢界面

七、產品選型

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來滿足新能源汽車行業快速、經濟、智能運營管理的市場需求。實現對動力電池快速、高效、安全、合理的電量補給，同時為提高公共充電樁的效率和實用性，具有有智能監測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能；智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能；云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現實時監控，財務報表分析等等；遠程升級：具備完善的通訊功能，可遠程對設備軟件進行升級；保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能；適配車型：滿足國標充電接口，適配所有符合國標的電動汽車，適應不同車型的不同功率。下面是具體產品的型號和技術參數。

八、現場圖片

九、結束語

新能源汽車得到大力發展是在綠 色、環保、可持續發展背景下的大勢所趨,如本文所提,目前我國的充電設施建設在很多方面仍不完善,這正是充電樁相關產業發展的空間所在。如何更合理的布置充電樁,在現有條件下如何設計出更經濟、科學的充電樁配電系統,也是電氣 設計人員需要進一步思考和探討的問題。

參考文獻

[1 ] 肖逸思.高速充電量同比增長近七成 電車取號排隊頻現[N].第一財經日報,2024,02 ,20 :第 A1 0 版.

[2] GB 5 1 3 1 3 -20 1 8 .電動汽車分散充電設施工程技術標準[S].北京市西城區木 樨 地 北 里 甲 1 1 號 國 宏 大 廈 C

座 3 層,中國計劃出版社,20 1 9 .

[3 ] DBJ/T 1 5 -1 5 0 -20 1 8 .電 動 汽 車 充 電 基 礎 設 施 建 設技術規程[S].廣東省住房和城鄉建設廳,20 1 8 .

1. 黃琳.返鄉的車主在村里找不到充電樁[N].第一財經日報,2024,02 ,20 :第 A1 0 版.

2. 賀成成.建筑電氣充電樁配電設計及未來發展思考

作者介紹：

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。