基于住宅小区电动汽车充电桩配电设计方案研究陈舜玲

基于住宅小区电动汽车充电桩配电设计方案研究陈舜玲

陈舜玲

广东电网有限责任公司潮州供电局广东潮州521000

摘要：文章从充电桩充电负荷需要系数及安装位置的确定以及消防注意事项等主要方面着手，提出新建住宅小区充电桩电气设计的解决方案。

关键词：充电桩；需要系数；配电；设计

引言

伴随社会经济发展水平的逐渐提高，汽车保有量不断增加，资源和环境面临着双重压力，大力发展电动汽车及加快燃油替代对推进可持续发展、节能减排等具有意义重大。

目前，新能源汽车的充电桩主要分为直流充电桩及交流充电桩两种，俗称“快充”与“慢充”，其中直流充电桩占地面积大（例如1台100kW的中型充电机占地面积约为800mm×800mm），充电电压高（直流输出电压可达700V，直流充电电流可达400A），充电时间较短（一般电动汽车30min可以充满80%以上的电量），投资大；而交流充电桩的特点基本与直流充电桩相反，占地小、可挂墙安装、充电功率低，根据GB50966-2014《电动汽车充电站设计规范》第5.2.1条规定可知，交流充电桩的电压为交流220V，电流≤32A，充电时间较长（一般电动汽车充满电需要8h以上），投资小。通过比较可以得出，住宅小区固定车位充电桩适宜采用交流充电桩，而直流充电桩通常设置在高速公路休息区、繁华市区、大型商场周边等需要快速充电的商业区域。根据相关规范要求新建商品房住宅小区配套停车位指标一般≥1个车位/户，以总建筑面积300000m2的小区为例，其配套停车位的数量将超过2000个。根据各地对新能源充电桩的建设标准，新建住宅小区充电桩的数量一般不低于配套停车位的10%，其需要配套设置的充电桩将达到200个以上，按照每个电动汽车充电桩安装交流充电桩7kW计算，整个小区的充电桩安装功率也将达到1400kW以上，安装容量较大。如何合理地进行配电设计使得整个系统既能满足使用要求，又不至于造成浪费就显得尤为重要。

1新建住宅小区新能源电动汽车充电桩充电容量计算

住宅小区每一个新能源电动停车位都配备1台交流充电桩，每台交流充电桩的输入容量计算公式见式（1）。

电功率具有大量不确定性因素，电网、充电桩、汽车动力电池的荷电状态及用户行为之间的相互特性非常复杂，难以获得量化充电需求特性及分布规律。需要说明的是，目前常用的用电负荷预测方法（如蒙特卡洛法、时间序列法、回归分析法）都有一定的局限性，无法得到准确的期望值，故可以借鉴一些得到广泛认可的、与充电桩类似的现有使用状态参数。

根据前述，假设普通住宅小区每1个新能源车位均投入使用，则每1辆新能源汽车基本对应1个家庭，即基本可以近似认为新能源车与所属家庭数量是一对一的关系。每户家庭的用电量在不同地区有不同的设计标准，但在确定变压器容量及导线开关的过程中，基本都遵循相似的需要系数，即JGJ242-2011《住宅建筑电气设计规范》

1.1条说明

提供的住宅建筑用电负荷系数表（见表1）。但是充电桩的负荷计算需要系数在借鉴表1的数据之前，需要先考察二者负荷性质是否具有相似性。住宅小区每户的用电量是一个随机量，每户在不同时段的用电量是不同的，对多达上千户的住宅小区而言，这个值就具有不确定性。虽然如此，但是从整体来看整个小区的用电负荷变化情况符合一定的统计规律，表1的数据就是根据统计规律及经过实测修正后得到广泛认可的需要系数。新能源汽车与家庭基本可认定为1∶1对应关系，充电桩的使用时段也是随机的，充电桩的充电功率也是变

化的，为保护汽车的动力电池，充电桩充电过程是一个智能过程，文献［2］描述电池充电过程大体上分为定电流、定电压两段充电方式（在一段时间内是以恒定的电流对电池充电，能够另一段时间是以恒定的电压对电池充电），达到既保护电池又能快速充满电的目的，即新能源汽车的充电负荷是变化的，不是恒定不变的。图1为某动力电池充电曲线。

通过图1可以看出，电池的充电功率在恒流阶段最大，在恒压阶段会随着充电电流的减少而逐渐降低直至某一稳定值，这一过程与住宅用电具有类似性，即是一个变化的过程。新能源电动汽车充电一般是在用户外出归来之后进行，这与住户大量用电规律一样，二者具有高度的相似性，所以在目前没有更精确的针对充电桩负荷计算的需要系数推出之前，表1的数据是可以借鉴使用的。考虑到目前新能源汽车正逐步进入居民家庭，新建住宅小区充电桩负荷的实际增长是一个缓慢的过程，设计时参考表1的需要系数时宜取下限。

2住宅小区电动汽车充电桩供电与居民用电共用变配电室可行性探讨

为新能源汽车提供可靠的充电保障是新能源汽车推广的一项重要基础项目，对新建住宅小区而言，建设为充电桩提供电力的变配电室无疑是实现这一保障的最好措施之一，文献［3］通过分析电动汽车不同类型的充电行为可知，当大量的充电桩投入使用后，充电负荷与电网原始负荷的叠加将导致电网高峰负荷水平增加约12%，对电网的规划及运行造成很大的影响。除此之外，还需要专用的房间来建设变配电室并配备相应的高、低压设备，这些都会造成房屋建造成本的上升。为找到一种既满足充电需求，又不增加或少增加投资的稳妥方案，笔者研究发现，每户居民生活用电的用电负荷指标在不同的地区差异微小，但是一般户型的用电指标多数不会

低于6kW/户，对于面积＞120m2的用户，其用电指标可达到8kW，甚至更多。而小区交流充电桩的用电负荷一般不超过7kW，由此可见，每户的平均用电负荷与交流充电桩的用电负荷基本相当。

此外，与高速公路休息区、繁华市区不同，住宅小区内的充电桩使用频率有明显的自身特征，居民工作日白天基本是驾车上班。根据国外相关调查，一天当中约有14%的私家车处于停驶状态，工作日下班后是充电桩使用高峰期，大约出现在19：00～24：00，从第二天0：00～8：00基本属于低谷期，8：00～19：00基本属于平稳期，这种情况与居民生活用电的峰谷期类似。新能源电动汽车都有自己的固定停车位及专用充电桩，可以通过峰谷电价或者一定的管理措施引导车主在第二天0：00～8：00的时间内充电，这样可以减少变配电室的数量及变压器的安装容量，节省投资，同时也提高了既有变配电设备的利用率，当然此种方案涉及到计费及管理分界问题，需要当地物价部门及供电企业批复后方可实施。

随着电网智能化程度的提高，新能源电动汽车充电桩可以与电网实现实时通信，根据电网的运行情况，调整对汽车动力电池的充电负荷，实现智能单向有序充电，即V1G充电模式。充电桩与电网智能互动的更高一级模式是除了实现V1G充电模式之外，汽车动力电池作为电网的电力储备，在紧急状态下具备向电网输送电力、支援电网运行的能力，即实现了双向有序充电（V2G充电模式）的应用。由此可见，随着V1G、V2G充电模式的相继实现，新能源汽车在夜间用电低谷期进行充电的可行性将大大提高。

3住宅小区电动汽车充电桩平面布置

近期投入的充电桩应尽量安排在地下车库内，这样的室内环境便于敷设线路和维护管理，对充电桩防护等级的要求低。充电桩的安装位置应靠近变配电室，且应集中布置或分区域集中布置，宜首先选择挂墙或柱子的安装方式，其次选择落地安装，但不论哪种安装方式均不应妨碍其他车辆的充电和通行。在没有采暖的寒冷地区，充电柱设置位置应远离车库出入口，尽量减少冬季低气温对汽车动力电池充电效率的不利影响。

4需要注意的电气问题

因为新能源汽车采用的动力电池在充电过程中不会释放氢气，所以不需要做可燃气体探测，与常规车库的消防设计没有区别，但需要特别注意的是，一旦新能源汽车电池着火，因其着火点是在电池内部，一般属于A类及E类火灾，除了配备磷酸铵盐干粉灭火器之外，最有效的常规灭火剂应是水，需要对着电池喷洒大量的水来冷却灭火。GB50016-2014《建筑设计防火规范》3.1条表1规定电动车库属于戊类库房；GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》附录B第23条规定，新能源汽车电池符合蓄电池无通气口、总体积小于该封闭区域容积1%的条件，且车库内设置平时送排风机，通风良好，因此可划为非危险区域，车库内的电气设备不需要采取防爆设计。充电桩需要做好等电位联结，消除静电确保人身及设备安全。

小区新能源充电柱负荷等级可按照三级确定，但需从变配电室接引专用回路，以方便电费计量及管理。小区也可以根据实际情况在公共部位设置部分直流充电柱，以满足用户的应急充电需求，需注意的是，直流充电柱的负荷等级不应低于二级。

5结束语

当下资源需要保护、环境污染亟待防治的大环境，应运了电动汽车的发展，在各项政策的大力支持下，相关技术飞速发展。因此，在建筑电气设计过程中，对电动汽车充电桩的考虑要做到细致、充分，立足现实，兼顾长远。

参考文献：

［1］徐虹，贺鹏，艾欣．电动汽车充电功率需求分析模型研究综述［J］．现代电力，2012，29（3）：51-53．

［2］白忠敏，刘百震，於崇干．电力工程直流系统设计手册（第二版）［M］．北京：中国电力出版社，2009．

［3］樊扬，左郑敏，朱浩骏等．电动汽车充电模式对广东电网负荷特性的影响［J］．广东电力，2011，24（12）：58-61．