浅谈小区电动汽车充电桩管理系统设计及应用
- 发布时间：2021/1/4 11:33:18
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霍丽丽
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：提出了针对数量众的充电桩计算充电负荷时所需需要系数的一种替代方法，阐述了二者适用背景的相似性，并针对其可行性进行了相关论述。数發众的新能源汽车在相对集中的时间充电（尤其是与居民用电高峰重的惰况下）对电网是一个严峻的考验，提出了一种充分利用既有变配电室错对新能源汽车充电的方式，从而可避免建设充电桩变配电室的解决方案。阐述了新能源汽车车库电气设计时，在充电桩负荷等级的确定、消防、安装及安稳方面需要注意的相关问题。
关键词：充电桩、需要系数、接地、防爆
引言
电动汽车作为一种新能源交通工具，与传统油动力汽车相比，几乎没有污染、*、低噪声，使用维护相对简单，运行维护费用也低于传统车辆。国家对新能源电动汽车推广的同时也配套推出了购置补贴政策，使得新能源电动汽车的推广普及非常迅速，越来越多的家庭愿意选择新能源电动汽车。新能源电动汽车由自身配备的动力电池为其供能，为确保车辆的正常使用，需配备充电桩为其充电。
国办发[2014] 35号及国办发[2015] 73号文件明确要求按照适度超前的原则规划设置新能源汽车充电桩，新建住宅配建停车位应100％建设充电设施或预建设安装条件。根据国办发的文件，北京市规定居住类建筑应将18％的配建机动车停车位作为电动车停车位，浙江省DB 331121·2016《民用建筑电动汽车充电设施配置与设计规范》也规定根据不同规模城市的指标级别，新能源慢充桩的配建比例应为百分之十至百分之十四，其他部分省份也有相应的配套措施陆续出台，都对新建住宅小区的新能源汽车充电桩的建设标准提出了要求。
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GB 50966·2014《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 300 000m²的小区为例，其配套停车位的数量将超过 2 000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百分之十，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 1 400kW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。
本文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。
一、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：
式中，s为单台充电桩的输入容量；P为单台充电桩的输出功率,η为充电机效率，取0.9；cosφ为充电桩的功率因数，取0.9。
整个小区充电桩的总输入计算容量为所有充电桩输入容量的代数和与需要系统K的乘积，见式：
式中，Sjs斗为整个小区充电桩的输入计算容量；Si为单台充电桩的输入容量；K为充电桩同时需要系数。
从式（2）可以看出，充电桩输入容量值的获取，关键是需要系数K的合理确定。南方电网企业标准Q/CSG 1巧16.2 -2010《电动汽车充电站及充电桩设计规范》中的*值为0.8，该值对商用充电站虽然适用，但对住宅小区的交流充电桩而言明显偏大，如果直接套用计算，结果需要的充电容量是非常大的，因此0.8的需要系数不适用住宅小区交流充电桩的输入容量计算。目前还没有针对充电桩负荷计算的专门的需要系数可选择，根据文献[ 3 ] 可知，新能源电动汽车充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JGJ 242一20H《住宅建筑电气设计规范》3.4.1条说明提供的住
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，对多达上干户的住宅小区而言，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[ 5 ]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
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[ 5 ]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较大，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，所以在目前没有更准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。
二、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较大措施之一，文献[ 6 ]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骘车上班。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 一24 00，从隔天0：00一8：00基本属于低谷期，8.00一19 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隔天0：00一8：00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，需要当地供电公司批复后方可实施。
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VIG充电模式。充电桩与电网智能互动的更高在模式是除了实现VIG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VIG、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。
三、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。
四、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火火器之外，较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火火。
GB 50016-2014《建筑设计防火规范》L7 ] 3.1条表1规定电动车库属于戊类库房；CB 50058-2014 《爆炸危险环境电力装置设计规范》[ 8 ]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稳。
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。
五、安科瑞充电桩运营管理平台
1、系统架构
安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。
充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：
资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测
交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表
用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理
充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等
小程序：扫码充电，账单支付等功能
数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析
变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。
2、平台功能
2.1平台登录
在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未人员浏览有关信息。
平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。
2.3实时监控
充电站监控
充电站监控页面监测用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。
充电枪监控
充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。
2.4小程序
搜索与使用
小程序可以通过扫描二维码和文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示
登录界面
用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示
主功能页
初次进入主功能页时需要定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等
个人信息
个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能
3、硬件配置
3.1平台服务器：建议按照我方*配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。
*硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）
若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：
3.2现场*硬件配置清单：
六、总结
在进行新建住宅小区的设计时，按照国家相关规定须设置新能源电动车位，配套1：1设置充电桩。能源电动车位占总车位的比例由地方标准或政府的相关文件确定，除了设置充电桩的车位之外，其余车位应预留设置充电桩的条件。
新能源电动车位充电桩一般考虑交流桩，负荷一般不超过7kW，所有充电桩总充电负荷计算采用单个充电桩充电负荷代数相加，考虑三相平衡后乘以需要系数确定，然后再根据充电负荷计算结果选择配电线缆及保护开关。这种方法只是借鉴住宅负荷计算比较成熟的需要系数，新能源充电桩充电负荷计算的准确系数的确定也将需要一个较长过程，并需要后续使用检验，根据具体使用情况陆续加以修正。设置新能源充电桩的车库的其他电气设计可以按照普通车库标准进行，不需要进行特殊考虑。
新能源汽车是一种很有优势的交通工具，踊跃稳妥的推进与其配套的充电桩设计与安装，能够促进新能源汽车的推广与普及，降低居民的出行成本，减少城市生活环境中污染物的排放。
参考文献
[1]GB 50966．2014电动汽车充电设计规范[ s]-北京：中国计划出版社，2014．
[2]丁学鹏，唐建，新建住宅小区电动汽车充电桩配电设计
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：霍丽丽，女，现任于安科瑞电气股份有限公司，主要从事电瓶车充电桩的研发和应用，