趙 蕾

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院， 廣東 廣州 510060)

民用建筑地下車庫充電樁配電設(shè)計解決方案

趙 蕾

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院， 廣東 廣州 510060)

介紹了當(dāng)?shù)匾?guī)劃管理部門對新建不同業(yè)態(tài)停車場充電樁數(shù)量的設(shè)置要求，分析了在充電樁容量計算中，影響需要系數(shù)取值的因素，提出了不同情況下需要系數(shù)的取值建議。通過實例介紹，對不同的供電方案進(jìn)行比較，提出在供配電設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r選擇適合的供電方案，做到既要符合規(guī)定、適度超前，又要經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保。

充電樁 負(fù)荷計算 需要系數(shù) 變壓器容量 供電方案

0 引言

當(dāng)前，我國電動汽車已經(jīng)進(jìn)入快速推廣應(yīng)用時期，國家各級政府均有出臺相關(guān)的指導(dǎo)意見和實施辦法。2016年6月，廣州市國規(guī)委根據(jù)住建部下發(fā)的《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于加強城市電動汽車充電設(shè)施規(guī)劃建設(shè)工作的通知》( 【2015】199 號)，提出新建項目的規(guī)劃條件、修規(guī)批復(fù)以及在《工程建設(shè)審核書》中增加以下要求：新建住宅配建停車位應(yīng)100%建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)留充電設(shè)施安裝條件(包括電力管線預(yù)埋至車位和電力容量按至少7kW/車位預(yù)留),新建辦公、商場、酒店等公建配建的停車場和社會公共停車場，建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)留安裝條件(包括電力管線預(yù)埋至車位和電力容量按至少7kW/車位預(yù)留)車位比例不低于30%。這個比例要求目前在全國各大城市中是最高的。根據(jù)規(guī)劃部門的修規(guī)批文要求，在新建項目設(shè)計中必須將充電樁的設(shè)置落實在方案、初設(shè)和施工圖設(shè)計等各個階段。本文結(jié)合近期已完成或進(jìn)行中的設(shè)計項目，對充電樁供配電設(shè)計如何滿足管理部門要求提出一些看法和解決方案。

1 充電樁的分類和技術(shù)參數(shù)

直流充電裝置：俗稱“快充”，用于為電動車提供充電電源，由充電機柜和直流充電樁組成。其特點是輸入電壓采用三相四線AC 380V±15%，頻率50Hz,輸出為可調(diào)直流電，直接為電動汽車的動力電池充電?？梢蕴峁┳銐虼蟮墓β?，輸出的電壓和電流調(diào)整范圍大，充電速度快(1～2h滿載)，滿足各類車型的充電要求，但電池?fù)p耗大，且裝置占地面積大。主要適用于城市交通停車場、高速公路停車場、企業(yè)專用停車場，少量設(shè)在大型商業(yè)辦公停車場。

交流充電樁：俗稱“慢充”，用于為具有車載充電機的電動車提供充電電源，分單相和三相兩種。其特點是不帶整流器、需連接車載充電機為電動汽車充電、系統(tǒng)簡單、占地面積小、安裝方便，但充電時間較長(5～8h滿載)。主要適用于住宅小區(qū)停車場、大型商業(yè)辦公及公共停車場。

住宅小區(qū)的停車場主要設(shè)置交流充電樁，商業(yè)辦公的停車場通常是根據(jù)停放電動車的進(jìn)出頻率將直流充電樁和交流充電樁按適當(dāng)?shù)谋壤O(shè)置。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的相關(guān)資料，民用建筑地下停車庫常用的充電裝置技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 民用建筑地下停車庫常用的充電裝置技術(shù)參數(shù)

2 用電負(fù)荷等級

地下停車庫的用電負(fù)荷等級在JGJ 100-2015《車庫建筑設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，特大型(>1 000輛)和大型車庫(301～1 000輛)按一級負(fù)荷供電；中型車庫(51～300輛)按二級負(fù)荷供電；小型車庫(<50輛)按三級負(fù)荷供電。而充電樁供電的用電等級根據(jù)其使用功能，可不考慮車庫的規(guī)模，均按三級負(fù)荷設(shè)計。充電樁的智能監(jiān)控系統(tǒng)用電按二級以上負(fù)荷設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)置UPS電源作為備用電源。

3 充電樁容量計算

3.1 充電負(fù)荷的計算方法

單臺充電機輸入容量見式(1)。

S=P/(ηcosφ)

(1)

式中，S為單臺充電機的輸入容量， kVA；η為充電機效率，取0.9；cosφ為充電機功率因數(shù)，取0.9。

停車場內(nèi)充電機輸入總?cè)萘恳娛?2)。

SΣ=Kx(S1+S2+…+Sn)=Kx(P1/η1cosφ1

+P2/η2cosφ2+…+Pn/ηncosφn)

(2)

式中，SΣ為充電機的輸入總?cè)萘?，kVA；Kx為充電機需要系數(shù)；P1、P2、…Pn為各臺充電機的輸出功率，kW；η1、η2…ηn為充電裝置的效率，取0.9；cosφ1、 cosφ2…cosφn為各臺充電機的功率因數(shù)，取0.9。

3.2 需要系數(shù)Kx的取值分析

充電樁需要系數(shù)的取值在現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范和設(shè)計手冊中尚未規(guī)定，計算中大型停車場設(shè)置數(shù)量較多的充電樁用電容量，尤其是充電樁占車場車位為100%比例的用電容量，需要系數(shù)Kx取值對項目的配電設(shè)計影響較大，比如供電方案的確定、變壓器容量的計算、配電電纜截面的選擇等。下面按幾種情況分析影響需要系數(shù)取值的因素，并給出取值建議。

對于住宅小區(qū)的地下停車庫，充電樁按100%的車位數(shù)設(shè)置，需要系數(shù)Kx的取值應(yīng)考慮以下因素。

1)根據(jù)公安部交管局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年全國汽車的保有量為1.94億輛，全國新能源汽車的保有量為109萬輛，即當(dāng)前新能源汽車約占現(xiàn)有汽車總量的0.6%；根據(jù)國家新能源汽車發(fā)展規(guī)劃，在2020年新能源汽車的年銷量將達(dá)到汽車市場總需求的5%，到2025年為25%；位于倫敦的知名市場研究公司IHS Markit預(yù)測，20年后，全球電動汽車的數(shù)量占總汽車量比例最高可達(dá)到35%。假設(shè)住宅小區(qū)停車庫的電動汽車數(shù)量僅占停車庫總車位的35%，充電樁容量的需要系數(shù)Kx則可<0.4。

2)當(dāng)前市面上常見的電動汽車?yán)m(xù)航里程普遍為150～250km,停放在住宅小區(qū)車庫的家用私車車主每日上下班的往返里程平均在50km左右?？紤]電動汽車充電(需在非完全放電狀態(tài)下)、天氣路況、駕駛習(xí)慣、計量誤差及車主可隨時在公司的專用停車場或途中的公共停車場充電等多種因素，家用私車返回居住小區(qū)的停車庫只需要每隔1～2天充電，住宅停車庫充電樁容量的需要系數(shù)Kx可降低。

3)電動汽車多采用鋰電池，充電電流較大的快速充電易影響電池壽命甚至發(fā)生爆炸?？紤]電動汽車電池的技術(shù)限制，在實際充電時難以達(dá)到充電樁的額定功率，各種電動車充電器的充電功率并非等于充電樁的額定功率，如中型中速充電的比亞迪e6、寶馬i3、特拉斯ModelS1等車型的額定功率為6.3kW，而交流充電樁的額定功率為7kW。計算充電樁容量時，需要系數(shù)Kx可降低。

4)住宅小區(qū)的停車庫大都是住戶的私家固定車位，白天空置很多，電動汽車充電主要集中在晚上下班(19：00之后)，使用慢充達(dá)4h以上。充電樁用電與住宅小區(qū)的公建配套和少量商業(yè)用電由住宅專用變壓器供電，此時公建配套和少量商業(yè)用電處于用電低谷時段，變壓器主要為充電樁供電，需要系數(shù)Kx可降低。

綜上所述，充電樁按100%的車位數(shù)設(shè)置的需要系數(shù)Kx建議為0.15～0.25。

假設(shè)停車庫的電動汽車占停車庫車位的比例不變(35%)，需要系數(shù)應(yīng)根據(jù)充電樁數(shù)量相應(yīng)調(diào)整占車位的比例，比例越高，需要系數(shù)越低。充電樁設(shè)置占車位30%左右，建議需要系數(shù)為0.45～0.55，充電樁設(shè)置占車位15%左右，需要系數(shù)為0.7～0.8。

對于商業(yè)辦公地下停車庫，假設(shè)充電樁按30%的車位數(shù)設(shè)置。除上述因素外，需要系數(shù)的取值還要考慮到商業(yè)辦公停車庫主要停放商業(yè)消費客戶的客戶私車、商業(yè)辦公員工的家用私車兩類汽車，前者汽車進(jìn)出頻繁，停車時間較短；而后者大部分汽車在上班期間長時間停留。充電樁的類型應(yīng)根據(jù)這兩類車的特點來設(shè)置：以交流慢充為主，主要為商業(yè)辦公員工私車使用；以直流快充為輔，主要為商業(yè)專用車或商業(yè)客戶私車使用。直流充電樁和交流充電樁配置比一般可按1∶5設(shè)置，前者數(shù)量少、使用率相對高，Kx值建議取0.6～0.7；后者數(shù)量多、使用率高，Kx值建議取0.5～0.6。

停車場的充電樁按防火分區(qū)配電，由低壓配電房引出配電干線至防火分區(qū)充電樁的配電箱。民用建筑地下層每個防火分區(qū)面積≤4 000m2，車位平均占地面積為40m2，即每個防火分區(qū)的車位數(shù)為100輛左右。如果按7kW/車位、充電樁按車位100%計算，每個防火分區(qū)的充電樁容量可達(dá)700kW，按車位30%計算，充電樁容量為210kW,配電干線的需要系數(shù)根據(jù)充電樁的數(shù)量確定，建議取0.6～0.8。

總之，充電樁容量計算中需要系數(shù)的取值應(yīng)根據(jù)車庫的規(guī)模、充電樁設(shè)置占停車庫車位的比例、不同業(yè)態(tài)停車庫的充電樁類型和充電樁的總量合理確定，系數(shù)過高，變壓器容量計算偏大，變壓器的負(fù)荷率偏低，供配電設(shè)備投資加大；系數(shù)過低，充電樁使用數(shù)量受限，配電系統(tǒng)不能滿足需求。只有合理取值，供配電系統(tǒng)設(shè)計才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能，遠(yuǎn)近兼顧。

4 充電樁的供電方案分析

某高層商住樓一、二層為公建配套及商業(yè)，三層以上為住宅用房。地下層為車庫及設(shè)備用房，車位為502個。按當(dāng)?shù)毓╇姴块T的管理要求，商住樓的供電須將住戶的用電與裙樓的住宅公建配套及商業(yè)用電、地下車庫用電分開，設(shè)置兩套變配電房，分別引10kV電源供電。住宅用電的變電房為公用電房，設(shè)備運行與維護(hù)由供電部門負(fù)責(zé)；裙樓的公建配套和商業(yè)用電、地下車庫用電由專用電房供電，專用電房由業(yè)主自行管理；停車場的電動車充電樁用電歸為專用電房的專變供電。

公建配套和商業(yè)用電及地下車庫的總計算容量S1=605kVA(未計充電樁用電)。

地下車庫充電樁約502個，全部選用單相交流樁，按7kW/樁位計算，K1取0.2，K2取0.8。

商住樓的專變供電方案一 :根據(jù)公式(1)、(2)得出S2=K1×502×7/0.9×0.9=867kVA(充電樁按停車庫車位100%設(shè)置的用電容量)，S=S1+S2=1 472kVA，選2臺 1 000kVA的變壓器，負(fù)荷率為74%。

商住樓的專變供電方案二:S3=K2×0.1×502×7/0.9×0.9=347kVA(充電樁按停車庫車位10%設(shè)置的用電容量)，S=S1+S3=952kVA，選用1臺1 250kVA變壓器，負(fù)荷率為74%。S=K1×0.9×502×7/0.9×0.9=780kV(充電樁按停車庫車位90%設(shè)置的用電容量)，選用1臺1 000kVA的變壓器，負(fù)荷率為78%。

方案一中充電樁數(shù)量按車位的100%設(shè)置，加公建配套及商業(yè)用電容量，工程需選用2臺1 000kVA的變壓器供電。該供電方案按當(dāng)?shù)匾?guī)劃管理部門對充電樁的設(shè)置要求設(shè)計，所有配電裝置一次到位。隨著充電樁需求量的增加，無需對建筑擴(kuò)容改造，可以滿足用戶對充電樁的最大需求，但近期一次性投資大，大量充電樁閑置，變壓器負(fù)荷率極低，不利于節(jié)能。

方案二是充電樁數(shù)量先期按車位的10%設(shè)置，加公建配套及商業(yè)的容量，選用1臺1 250kVA的變壓器供電；余下90%的充電樁用電經(jīng)負(fù)荷計算可選用1臺1 000kVA的變壓器供電。該變壓器暫不安裝，僅預(yù)留變壓器房位置，高、低壓電房均按充電樁為100%容量預(yù)留電柜的位置。該方案先期可以滿足10%的充電樁用戶需求，甚至短時可滿足15%的充電需求(經(jīng)計算此時變壓器負(fù)荷率達(dá)90%)，但在后期，隨著充電樁需求量的增加，再進(jìn)行工程簡單改造，在預(yù)留的位置增加相應(yīng)的配電設(shè)備，即可達(dá)到用戶的要求。

根據(jù)上述分析，筆者認(rèn)為在設(shè)計方案階段選用方案一，按100%的車位計算充電樁的總?cè)萘浚浪阕儔浩鞯娜萘亢蛿?shù)量、電房所需的面積以及合適的設(shè)置地方。在初設(shè)和施工圖階段選用方案二，按10%的車位計算充電樁總?cè)萘?，選擇變壓器的容量，確定供電方案。

以上變壓器的容量是按充電樁可滿足預(yù)測20年電動汽車的占有率計算。變壓器的使用壽命一般為20～30年，20年后電動汽車的占有率大幅提高時，通過更換大容量的變壓器及增加配電設(shè)備來滿足充電樁供電的需求。

需要強調(diào)的是，方案的設(shè)計除應(yīng)滿足當(dāng)?shù)卣南嚓P(guān)規(guī)定外，還需與供電部門和業(yè)主共同商討，結(jié)合當(dāng)?shù)禺?dāng)前電網(wǎng)的供電能力和業(yè)主的需求來確定。

5 充電樁末端配電的幾個問題

1)配置充電樁的車位選擇應(yīng)綜合考慮電動車的類別、進(jìn)出建筑車流的特點、車位在地下層的位置、配電的要求及管理維護(hù)，通常慢速充電樁設(shè)置在各層不同的防火分區(qū)，快速充電樁設(shè)置在車庫進(jìn)出口附近的防火分區(qū)?？倲?shù)不多的情況下充電樁應(yīng)盡量集中設(shè)置在同一防火分區(qū)。

2)充電樁配電可在各防火分區(qū)內(nèi)設(shè)若干個配電箱，安裝在充電樁車位附近的強電間內(nèi)或便于操作的地方，并根據(jù)充電樁配電箱的數(shù)量在電房低壓柜引出相應(yīng)數(shù)量的回路直接供電。

3)充電樁的安裝方式有壁掛式和落地式。壁掛式可安裝在墻上或柱上，不占用車位空間；落地式充電樁通常安裝在車位端部，安裝基礎(chǔ)離地0.3 m。有條件應(yīng)盡量選擇壁掛安裝。

4)配電箱至充電樁的出線回路均設(shè)置短路保護(hù)和剩余電流保護(hù)功能的低壓斷路器，其剩余電流保護(hù)額定動作電流為30mA。

5)饋線電纜采用阻燃低煙無鹵交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜，選用線槽沿板底或梁底明敷，再穿線管明敷至充電樁。為了安裝方便靈活，管線盡量明敷。

6 結(jié)束語

各地政府對不同業(yè)態(tài)的停車場充電樁占車位比例有不同的要求，在充電樁供配電設(shè)計中，應(yīng)選取合適的需要系數(shù)，合理確定供電方案，既要符合當(dāng)?shù)卣蟆⑹褂帽憷?、適度超前，又要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r、經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保。

[1] Q/CSG 11516.2-2010 電動汽車充電站及充電樁設(shè)計規(guī)范[S]．廣東：中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司， 2010.

[2] 國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會.《制造2025》重點領(lǐng)域技術(shù)線路圖[C].2016-01-18.

[3] 王雪，肖賀. 地下車庫汽車充電樁的變壓器容量指標(biāo)設(shè)計[J]. 建筑電氣，2017(3)：48-52.

Methods of Distribution Design for Charging Pile in Underground Garage of Civil Building

Zhao Lei

The setting requirements of the charging pile number in different formats by the local planning management department is introducing, and the influencing factors’Kxof electricity capacity calculation for the charging piles is analyzing, and the value ofKxfor different situations is advized. Through compared from some different power supply scheme examples, showing that should be combined with local conditions to choose the suitable power supply scheme in the design of power supply and distribution. To make sure the designing conforms to the regulations, moderate advance, reasonable and economic, energy conservation and environmental protection.

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