丁學(xué)鵬 / 唐 建

(1. 北京華巨建筑規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100044； 2. 北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

新建住宅小區(qū)電動汽車充電樁配電設(shè)計

丁學(xué)鵬1/ 唐 建2

(1. 北京華巨建筑規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100044； 2. 北京石油化工學(xué)院，北京 102617)

提出了針對數(shù)量眾多的充電樁計算充電負(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)量眾多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疊的情況下)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峰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)計時，在充電樁負(fù)荷等級的確定、消防、安裝及安全方面需要注意的相關(guān)問題。

充電樁 需要系數(shù) 接地 防爆

0 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，幾乎無污染、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)留建設(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，浙江省地標(biāo)DB 331121-2016《民用建筑電動汽車充電設(shè)施配置與設(shè)計規(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10%～14%，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)計規(guī)范》[1]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10%，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)計的解決方案。

1 新建住宅小區(qū)新能源電動汽車充電樁充電容量計算

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算公式見式(1)。

(1)

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(2)。

(2)

式中，Sjs為整個小區(qū)充電樁的輸入計算容量；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 11516.2-2010《電動汽車充電站及充電樁設(shè)計規(guī)范》[2]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算。目前還沒有針對充電樁負(fù)荷計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 242-2011《住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范》[4]3.4.1條說明提供的住宅建筑用電負(fù)荷系數(shù)表(見表1)。

但是充電樁的負(fù)荷計算需要系數(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)上千戶的住宅小區(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)計規(guī)律，表1的數(shù)據(jù)就是根據(jù)統(tǒng)計規(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。

表1 住宅建筑用電負(fù)荷系數(shù)表

圖1 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最大，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，所以在目前沒有更精確的針對充電樁負(fù)荷計算的需要系數(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)計時參考表1的需要系數(shù)時宜取下限。

2 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)這一保障的最好措施之一，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，甚至更多。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駕車上班。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19：00～24：00，從第二天0：00～8：00基本屬于低谷期，8：00～19：00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)車主在第二天0：00～8：00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V1G充電模式。充電樁與電網(wǎng)智能互動的更高一級模式是除了實(shí)現(xiàn)V1G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V1G、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。

3 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。

4 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滅火器之外，最有效的常規(guī)滅火劑應(yīng)是水，需要對著電池噴灑大量的水來冷卻滅火。

GB 50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[7]3.1條表1規(guī)定電動車庫屬于戊類庫房；GB 50058-2014《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(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。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)備安全。

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。

5 結(jié)束語

在進(jìn)行新建住宅小區(qū)的設(shè)計時，按照國家相關(guān)規(guī)定必須設(shè)置新能源電動車位，配套1∶1設(shè)置充電樁。新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)荷計算比較成熟的需要系數(shù)，新能源充電樁充電負(fù)荷計算的準(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，積極、穩(wěn)妥的推進(jìn)與其配套的充電樁設(shè)計與安裝，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。

[1] GB 50966-2014 電動汽車充電站設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2014.

[2] Q/CSG 11516.2-2010 電動汽車充電站及充電樁設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2010.

[3] 徐虹，賀鵬，艾欣. 電動汽車充電功率需求分析模型研究綜述[J]. 現(xiàn)代電力，2012，29(3)：51-53.

[4] JGJ 242-2011 住宅建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5] 白忠敏，劉百震，於崇干. 電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計手冊(第二版)[M]. 北京：中國電力出版社，2009.

[6] 樊揚(yáng)，左鄭敏，朱浩駿等. 電動汽車充電模式對廣東電網(wǎng)負(fù)荷特性的影響[J]. 廣東電力，2011，24(12)：58-61.

[7] GB 50016-2014 建筑設(shè)計防火規(guī)范規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2014.

[8] GB 50058-2014 爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2014.

Distribution Design of Electric Vehicle Charging Pile in New Residence Community

Ding Xuepeng / Tang Jian

An alternative method for calculating the charging load required by a large number of charging piles is put forward, and the similarity of the two applicable backgrounds is discussed, and the feasibility is expounded. Because a large number of new energy vehicles in the relative concentration of time to charge (especially with the peak of the electricity consumption of residents) is a severe test for the power grid, a full use of existing substation room peak charging for new energy vehicles is present, thereby avoiding the solution of the construction of charging pile special substation room. What’s more, the related problems about the determination of charging pile load level, fire protection, installation and safety are discussed.

charging pile, demand coefficient, ground, explosion-proof