住宅小区电动汽车充电设施的电气设计

住宅小区电动汽车充电设施的电气设计

叶国炜

广东怡信电力工程有限公司， 528000

摘要：现阶段，我国经济发展过程中对节能减排提出了更高的要求，并相继提出了碳中和、碳达峰的发展目标。汽车作为人们出行的主要方式，便捷了人们出行，但汽车尾气的高排放一定程度上对环境带来影响。为实现节能减排，近年来在各城市中，开始大力推广新型电动汽车，电动汽车的充电设施就相当于燃油汽车的加油站。本文首先分析了住宅小区电动汽车充电设备分类，并从平面布置、负荷等级、负荷计算、供配电系统设计、监控系统设计和防雷接地设计等方面论述了电气设计要点，以期为相关工作人员提供参考。

关键词：住宅小区；电动汽车；充电设施；电气设计

前言：在节能减排理念深入推进下，我国新能源汽车市场得到了快速发展，电动汽车的充电设施数量不断增加。仅2020年全国电动汽车充电设施就增加了13.5万余台。随着电动汽车及其充电设施的增加，为住宅小区带来了一定的隐患问题，因此，对住宅小区电动汽车充电设施的电气设施展开探究具有重要意义。

一、住宅小区电动汽车充电设施分类

燃油汽车以燃油为动力，电动汽车的动力源泉则为充电设施，也就是说，电动汽车的充电设施相当于燃油汽车的加油站，为电动汽车蓄电池进行“加电”。充电设施的功能包括：电力能源计量、输入保护、充电控制及保护，能够对电动汽车进行供电以外，还能够监测运行状态、监测充电故障、计算充电时间，并对历史充电记录进行记录存储等^[1]。在《电动汽车充电站设计规范》GB 50966—2014中明确规定，交流充电桩和非车载充电桩是电动汽车充电设施主要分类。

其中，人们称交流充电桩为慢充，通过专用供电装置以传导的方式对有车载充电机的电动汽车进行交流充电。作为交流电源控制管理器其提供电力能源输出，将交流充电桩与车载充电机连接，进行充电。交流充电桩的输出电压基本为220V单项交流电源，额定输出电流在32A以内

非车载充电桩即直流充电桩，也被称之为“快充”，其安装在电动汽车外，能够将交流电转换为直流电，以传导的方式利用自带的充电机对电动汽车进行充电^[2]。相比交流充电桩，直流充电桩的充电电流更大，充电时间更短。

充电主机系统也是非承载充电桩的一种，其将电动汽车的充电模块集中在一起，利用功率分配单元，根据充电功率需求动态分配充电模块，借助于先进的科学技术对多辆电动汽车同时进行充电时能够进行统一调度、管理。通过充电主机系统能够实现电动汽车有序充电。

相比之下，交流充电桩的充电电流较小，充电时间较短；非车载充电桩能够实现交流输入、直流输出，充电电流大，充电时间短；充电主机系统能够实现对充电功率进行按需分配，也具备充电电流大，时间短的特点。

二、住宅小区电动汽车充电设施的电气设计方案

（一）平面布置

如今，电动汽车行业等到快速稳定发展，国家针对电动汽车加大了扶持力度。消费者也越来越认可电动汽车，致使电动汽车的充电需求与日俱增。在科技发展推进下，市场上电动汽车充电桩种类越来越多，安装方式和充电性能均存在一定差异^[3]。因此，应当根据实际情况，实施差异化电气设计方案。在实际工作中，电气设计人言应当与建筑专业人员积极沟通，充电设施的平面布置应当遵循便于使用管理，不影响车辆进出为原则。每个车位设置一个电动汽车充电口，充电设施的布置应尽量靠近电源，不能将其设置在有积水、剧烈震动、高温高湿或有腐蚀性气体的场所中。；另外，住宅小区的充电设施的防护等级应当在IP32以上。如下图一所示，为了便于充电和车辆进出，可将充电设置布置在车位后方或侧面，确保布局合理。

此外，考虑到电动汽车具有特殊的结构，随着车辆行驶时间和行驶里程的增加，其电池性能会有所衰减，甚至会出现漏电等危险现象，并且对于住宅小区充电时基本无人看管，出于安全考虑，在电气设计过程中还应在平面布局时预留出监控系统和消防系统接口，从而能够实时动态了解停车场的动态，最大程度上降低安全风险，保证住户生活环境安全性^[4]。

图一：住宅小区电动汽车充电设施布局

（二）负荷等级

对于住宅小区电动汽车充电设施负荷等级设计应当严格遵循《供配电系统设计规范》GB 50052—2009中标准要求。一般情况下，电动汽车充电设施用电为三级符合等级^[5]。只有少数场所将电动汽车充电设施用电负荷等级设计为二级及以上，这些场所一旦断电将对公共安全、公共交通或者社会秩序带来较大影响。例如：城市公安巡逻车、医院救护车、环卫电动车、电动公交车等，这些车辆一旦断电，没有及时的电力能源供应，将致使城市交通一片混乱，严重影响社会秩序或者公共交通，因此，应当按照二级及以上等级电能负荷设计。

但对于住宅小区停车场内的电动汽车充电设施而言，要求充电设施有更高的可靠性，及时中断电力能源供应，电动车车主也可以去其他地方进行充电，由此，按照三级负荷等级进行设计完善可以满足需求。

（三）负荷计算

由上文可知，一旦中断供电将对社会经济和城市运行带来巨大影响，理论上来讲电动汽车充电设施供电负荷设计应不低于二级负荷等级，在其他场所可按照三级负荷设计。但从实际上来看，不管住宅小区的建设规模有多大，用户用电负荷和充电设施对供电的可靠性存在一定一致性，即住宅小区电动汽车充电设施可按照三级负荷供电设计^[6]。

在计算负荷容量时，考虑到住宅小区停车场电动汽车的充电设施是物业统一安装的，所选择的设备型号均为功率为7kW的交流充电桩。综上，在计算充电桩总负荷容量时，可按照（充电桩需要系数×单台充电桩输出功率×计算数量）/充电桩实际工作效率进行计算。

在这一过程中，充电桩工作效率一般取值为0.95作为标准数值，充电桩需要系数是一项不确定因数，同时也是计算住宅小区电动汽车充电设施负荷的关键性因素。纵观目前电动汽车工业水平，大多数电动汽车续航里程在150公里到300公里之间，以每天行驶里程为40公里为例，考虑驾驶习惯、天气、误差等因素，初步估算电动汽车充电时间间隔为3天左右^[7]。由此可见，电动汽车在充电时的功率消耗还没达到7kW的标准功率。因此，可根据实际情况适当降低充电设施的需要系数。如下表一为充电设施数量与充电设施需要系数参考区间。

表一：充电设施数量与充电设施需要系数参考区间

（四）供配电系统设计

在设计住宅小区电动汽车充电设施供配电系统设计时应当严格遵循《供配电系统设计规范》GB 50052—2009相关规范标准。一旦住宅小区充电设施总负荷容量超过了200kW或者负荷在变压器容量的30%以上，应当采用10kV供电电压进行供电。若住宅小区电动汽车充电设施是配套充电桩，并且变压器负荷容量有预留，可将充电设施与停车场内其他负荷公用变压器，提升变压器负载率。

以住宅小区100%配建为例，配建交流充电桩，进行负荷计算选择最适合的变压器容量。根据以往设计经验，按照每100平方米一个车位指标进行计算，快速充电停车位数量能够到达总充电停车数量的4%左右，同时系统能够自动对符合进行调度，实现有序充电。此过程，忽略照明、通风等非充电设施用电负荷。

由于住宅小区电动汽车充电设施为手持式充电枪，在充电设施供电回路中应当完善短路保护设计、过载保护设计以及动作电流为30mA时，剩余电流保护设计，在这一过程中，剩余电流保护设计应当选择应用有电流直流分量功能的剩余电流动作保护^[8]。对于完善了电气火灾监控系统的住宅小区，在充电设施的配电系统中也应当完善电气火灾监控系统；对于没有电气火灾监控系统的住宅小区，应针对性设计避免发生电气火灾的剩余电流保护系统，动作电流在300mA-500mA之间。某住宅小区电动汽车充电设施配电系统图如下图二所示。

图二：某住宅小区电动汽车充电设施配电系统图

（五）电动汽车充电设施监控系统设计

对于住宅小区电动汽车充电设施的监控系统而言，其包括很多模块，比如：充电监控、配电监控、安防监控以及环境监控等。如下图三所示，充电设施的监控系统由控制层、网络设备层和间隔层所组成。通过控制层能够采集电动汽车充电设施各个系统内人机交互的数据、对调节数据处理，对事件进行存储、处理、报警，对设备运行进行管理，收集用户的相关信息管理权限、打印报表并具备服务拓展功能。间隔层主要包括用来采集信号的元器件，能够对设备运行状态、运行数据进行采集，从而将所采集的数据上传至控制层，同时接受命令指令。下图三为监控系统图。

图三：监控系统图

（六）防雷及接地设计

为保证住宅小区电动汽车充电设施安全性、可靠性，应当予以防雷接地设计，具体包括：防直击雷设计、防雷电波入侵设计、防雷电电磁脉冲设计等。防雷设计时应严格遵循《建筑物防雷设计规范》GB 50057——2010规范标准。可将TN-S、TN-C-S系统应用在住宅小区电动汽车充电设施的低压配电系统的防雷接地设计中。充电设施的保护接地、防雷接地、和工作接地均公用同一套接地装置。对于住宅小区而言，可利用建筑物本身的接地装置进行接地。为尽量降低跨步电压和接触电压的对人们带来的伤害，对于住宅小区室外的电动汽车充电装置应进行等电位联结设计。如在室外车位地下300mm位置对等点位均衡线进行设置，间距保持在600mm×600mm，车位附近的车档、金属构件等于等电位均衡线和接地线稳固联结。

结束语：综上所述，在节能减排的社会运行理念不断深入下，推动着电动汽车行业快速发展，人们势必要面对电动汽车的充电问题。如今电动汽车充电技术还不够成熟，电动汽车由于充电导致的起火事故被频频报道，一定程度上提升了人们对电动汽车充电安全性的关注度。为保证充电安全性，在电气设计阶段应严格遵循相关规范标准，落实上述电气设计要点，提升电动汽车充电设施的安全性。

参考文献：

[1] 邬爽. 住宅小区电动汽车充电设施的电气设计[J]. 黑龙江科学,2021,12(12):98-99.

[2] 迟玉森,李钰坤. 电动汽车充电设施建设和电气设计实现[J]. 区域治理,2020(48):214.

[3] 张程嘉,刘俊勇,向月,等. 基于数据挖掘的电动汽车充电设施配置与 两阶段充电优化调度[J]. 中国电机工程学报,2018,38(4):1054-1064,后插10.

[4] 俞志江. 关于民用建筑电动汽车充电设施电气设计问题的探讨[J]. 装饰装修天地,2020(12):151.

[5] 张建辉. 电动汽车充电基础设施电气设计探讨[J]. 现代建筑电气,2020,11(11):30-34.

[6] 宋虹,姜一. 浅谈地下车库电动汽车充电设施电气设计[J]. 建筑工程技术与设计,2018(8):3741.

[7] 吴斌. 电动汽车充电设施的电气设计研究[J]. 建筑工程技术与设计,2018(27):2392.

[8] 郑可莹. 探索新能源汽车充电设施的电气设计[J]. 时代汽车,2021(5):85-86.