建筑電氣充電樁配電設(shè)計及未來發(fā)展思考

摘要:民用建筑中充電樁配電系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有國家標準及當?shù)卣摺⒁?guī)范、標準的要求。本文以廣州市住宅項目為例,介紹了電動汽車充電樁布置的原則,充電樁配電系統(tǒng)的設(shè)計,充電樁相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)的要求,主要內(nèi)容包括主體選址、平面布置、負荷計算、電氣保護、防雷接地等方面。并分析我國現(xiàn)今新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀及亟待解決的問題

關(guān)鍵詞:電動汽車;有序充電;汽車充電樁;新能源;

一、引言

隨著國家對新能源產(chǎn)業(yè)的政策扶持及行業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,新能源汽車的應(yīng)用越來越 普及,由此,如何應(yīng)對用戶日益增長的新能源汽車充電需求與當前充電設(shè)施建設(shè)不匹配,也是建筑電氣設(shè)計人員應(yīng)當攻克的一道難題。 本文著點于建筑電氣設(shè)計中充電樁的布置與配電 系統(tǒng)設(shè)計,并延伸探究相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)及目前所遇到的問題,以期與廣大相關(guān)從業(yè)人員共同探討解決問題的思路與方法

二、充電樁的分類

充電樁分為慢充和快充。慢充特點是交流輸入交流輸出,充電電流小時間長,目前大多數(shù)慢充時間 約6 ~ 9 小時;快充特點是交流輸入直流輸出,充電電流小時間 短,快充時間約1 ~2 小時。住宅建筑配建慢充足以滿足絕大多數(shù)用戶的使用求,且慢充建設(shè)成本較快充也較 低,故住宅建筑基本為慢充,快充則用于公共場合,縮短用戶充電時間。

三、 充電樁布置的要求

3.1 選址

設(shè)置充電樁的場所應(yīng)充分考慮周圍建筑情況及建筑自身內(nèi)部情況,通常需要考慮以下幾點:

(1 )盡量避開多塵、水 霧、有腐蝕性和破壞絕緣的有害氣體及導電介質(zhì)的場所,此類場所對 電氣設(shè)備破壞性大且存在安全隱患;

(2)盡量避開可能積水的場所,如廁所、浴 室的正下方,如果因條件限制必須設(shè)在此類場所,應(yīng)當采取預(yù)防滴、漏 水的措施或者選用相應(yīng)防護等級的設(shè)施,通常情況下可在此區(qū)域設(shè)置雙層板或雙層墻,但這種做法應(yīng)征詢當?shù)仳炇栈虮O(jiān)督部門是否認可;

(3 )避免設(shè)置在有劇烈振動影響或者高溫的場所;

(4)國標《電動汽車分散充電設(shè)施工程技術(shù)標 準 》GB51313 -20 1 8(簡稱“國 標")中規(guī)定,不宜設(shè)在修 庫內(nèi);廣東省標準《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)程》DBJ/T1 5 -1 5 0 -2018(簡稱“廣東省標")中要求更具體不應(yīng)設(shè)在修車庫及甲、乙類物品運輸車的汽車庫、停車場內(nèi);

(5 )盡量選在有公用網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場所,充電設(shè)施使用及維護都需要使用網(wǎng)絡(luò);

(6 )應(yīng)當選在便于消防救援力量到達的場所,方便火災(zāi)發(fā)生時能及時得到救援。

3.2 布置

新建車庫內(nèi)的充電設(shè)施應(yīng)當在集中布置同一防火分區(qū)內(nèi)。當耐火等級為一、二級的車庫有多層時,可布置在車庫的一/二/三層;當車庫為地下多層時,不應(yīng)該布置地下四層及以下。國標中,設(shè)置充電設(shè)施的車庫防火單元最大允許建筑

面積要求如下表 1 :

表 1 集中設(shè)置充電設(shè)施的防火單元

最大允許建筑面積(㎡)

廣東省標中,設(shè)置充電設(shè)施的車庫防火分區(qū)最大 許

建筑面積要求如下表 2 :

表 2 集中設(shè)置充電設(shè)施的防火分區(qū)

最大允許建筑面積(㎡)

且廣東省標中規(guī)定:設(shè)置充電設(shè)施的車庫,地下或高層車庫單個防火單元內(nèi)停車數(shù)量不大于 20 輛;半地下/單層/多層車庫單個防火單元內(nèi)停車數(shù)量不大于5 0輛。

1. 充電樁配電系統(tǒng)設(shè)計

4.1 確定負荷等級

根據(jù)國標及廣東省標相關(guān)規(guī)定,除供電中斷將對經(jīng)濟

或社會秩序造成較大損失或較大影響其供電負荷等級不低于二級外,其余供電負荷等級可按照三級。

4.2 確定建筑物應(yīng)設(shè)充電樁數(shù)量

國標規(guī)定,新建住宅配建停車位應(yīng)按照 1 00 %的比例建設(shè)或預(yù)留充電設(shè)施安裝條件,公共建 筑或公共停車場內(nèi)配建停車位應(yīng)按照不應(yīng)低于 1 0 %的比例建設(shè)或預(yù)留充電設(shè)施安裝條件。除了滿足規(guī)范及規(guī)劃要求外,在設(shè)計初期,還應(yīng)征詢業(yè)主意見,確認是否有特殊需求。

4.3 確定設(shè)備負荷容量及配電設(shè)計

目前,單臺慢充一樁一槍充電功率仍不統(tǒng)一,圖集1 8D70 5 -2 中為7 kW,大多數(shù)設(shè)計也會采用這個數(shù)據(jù),單臺快充一樁一槍充電功率常見為 3 0 kW、6 0 kW,具體設(shè)計中選用哪種數(shù)據(jù)根據(jù)當?shù)毓╇姴块T要求及業(yè)主具體需求而定。以廣東省廣州市某住宅項目設(shè)計為例,該項目包含 1 0棟一類高層住宅及2層地下室,其中包含充電車位1 5 3 0個,供電負荷等級為三級負荷。按照廣州市要求,新建住宅停車位必須全部建設(shè)或預(yù)留安裝充電設(shè)施接口,其中配建或預(yù)留充電設(shè)施接口比例不少于 3 0 %,則本項目首期投入的充電樁數(shù) 量 為 1 5 3 0 x3 0 % = 45 9個。 根據(jù)廣州市供電局要求,充電功率不少于 8kW/車位,取 8kW每臺。考慮同期需要系統(tǒng),見表 3 。

表 3 需要系數(shù)(Kx)推薦值

注:表中充電設(shè)備臺數(shù)是按同一單相所接交流充電樁數(shù)量計算,采用三相配電時,表中充電設(shè)備臺數(shù)應(yīng)乘以 3 。計算容量 Sj =Kt*Kx*式中:Kt-同時系數(shù),一般取 0 .8 ~ 1 .0 ,根據(jù)廣州市供電局要求,可取 0 .8 ;

Kx-需要系數(shù),本項目接于同一相的充電樁數(shù)量為45 9/3 =1 5 3個,查表3 ,取0 .3 ;

1. 充電設(shè)備總設(shè)備功率,45 9 x8 =3 6 7 2 kW;

2. η-充電設(shè)備的工作效率,一般為 0 .9 ~0 .9 5 ,本項目取0 .9 3 ;

3. cosφ-充電設(shè)備的功率因數(shù),一般為 0 .9 ~ 0 .9 8 ,本項目取 0 .9 3 ;

(1 )變電所負荷計算

總?cè)萘縎j 1 = 0 .8 * 0 .3 * {3672/(0 .9 3 * 0 .9 3 )}=1018 .9 kVA

則首期投入變壓器 1 2 5 0 kVA,負載率 8 1 .5 %。

剩余充電車位預(yù)留安裝條件,預(yù)留變壓器,僅預(yù)留變配電室位置。 預(yù)留變壓器容量 計算如下:Sj 2 = 0 .5 * {8 *(1 5 3 0 -45 9 )/(0 .9 3 *0 .9 3 )}=4 9 5 3 .2 kVA(其中按照廣州市供電局要求,規(guī)劃總?cè)萘堪凑? 0 %的需要系數(shù)計算),故預(yù)留 6臺1 000 kVA 變壓器,負載率 82 .5 %。

(2)區(qū)域配電箱負荷計算及配電設(shè)計

以某一防火分區(qū)40個充電車位為例,區(qū)域配電箱電源引自變電所低壓柜,放射式供電,設(shè) 置4個充電樁電表箱,其中3個1 2位表箱,1個4 位表箱。 考慮到個別地區(qū)配電房內(nèi)低壓柜設(shè)置切非受限,故在區(qū)域配電箱設(shè)置消防切非。本區(qū)域配電箱接于同一相的充電樁數(shù)量40/3 = 1 3個,故Kx 取0 .7 ,Kt 取1 .0 ,則系統(tǒng)圖如下圖 1 :

圖 1 區(qū)域配電箱系統(tǒng)圖

(3 )末端配電箱負荷計算及配電設(shè)計

末端配電箱由區(qū)域配電箱放射式供電,本區(qū)域配電箱接于同一相的充電樁數(shù)量為1 2/3 =4 個,故 Kx 取 0 .8 ,Kt取1 .0 ,則系統(tǒng)圖如下圖 2 :

圖 2 末端配電箱系統(tǒng)圖

4.4 交流充電樁的保護和計量

(1 )應(yīng)設(shè)置過負荷保護、短路保護及接地保護;

(2)配電回路應(yīng)設(shè)剩余電流動作保護,選用A型 RCD額定動作電流不大于 3 0 mA,動作時間不 大于0 .1 s(廣東省標中也可選用 B 型 RCD);

(3 )末端回路設(shè)置限流式電氣防火保護器

(4)充電樁防水防塵等級:室內(nèi)安裝時不低于 IP3 2 ,室外安裝時不低于 IP6 5

(5 )電源進線宜選用不低于B2級燃燒性能、t1級產(chǎn)煙毒性、d1 級燃燒滴落物/微粒等級的電線、電纜。電線、電纜具體選型應(yīng)視項目建筑類型而定。

(6 )充電樁應(yīng)自帶電能計量裝置,自帶的計量裝置主要為用戶提供計量 服 務(wù),此 外 還 應(yīng) 在產(chǎn)權(quán)分界點安裝面向電網(wǎng)接電的計量裝置,如上文圖 2 ,末端配電箱出線回路安裝計量電表。

4.5 配套設(shè)施的要求

(1 )配建充電設(shè)施的車庫,應(yīng)配套設(shè)置相應(yīng)的消防設(shè)施:火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明及 疏散指示標志、防排煙設(shè)施和自動噴水滅火系統(tǒng);

(2)廣東省標準要求,設(shè)有充電設(shè)施的防火單元內(nèi)行車通道上的防火卷簾應(yīng)當分兩步動作,第 一步由火災(zāi)自動報警系統(tǒng)聯(lián)動下降停在距地1 .8 米處,第二步由專業(yè)消防救援人員或值班人員操作設(shè)置在防火卷簾兩側(cè)的現(xiàn)場手動控制裝置使卷簾下降到底;

(3 )充電設(shè)施設(shè)置處宜有視頻監(jiān)控,便于消控室值班人員及時發(fā)現(xiàn)并處理故障或異常情況。廣東省標要求設(shè)置了3 0 kW及以上單槍容量快充設(shè)備的室內(nèi)場所應(yīng)設(shè)視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)。

4.6 接地系統(tǒng)的要求

(1 )室內(nèi)安裝的樁可利用建筑物本身接地裝置;室外安裝的充電樁可利用附近建筑或其他配 電設(shè)施的接地裝置。當無法利用或附近無其他接地裝置時,應(yīng)當加設(shè)接地裝置。

1. 廣東省標準要求,充電車位應(yīng)有等電位聯(lián)結(jié)措施。一般室內(nèi)充電設(shè)置做防雷接地時,可在 附近柱位或墻體預(yù)留接地預(yù)埋件,與建筑物接地網(wǎng)連接, 圖 3示意;室外充電樁接地可設(shè)置等 電位均衡線,做法詳集1 8D70 5 -2 第47頁,如圖 4示意:

2. 圖 3 預(yù)留充電樁接地端子圖示

4.7 充電樁安裝

充電樁的安裝方式大體可分為壁掛式 安裝和落地式安裝,其中應(yīng)注意,無論采用哪種安 裝方式,都應(yīng)該為人員操作和檢修留下空間,同時也避免距離車位過近增加用戶停車時撞上充電樁的風險。

圖 4 室外充電車位等電位均衡線圖示

4.8 機遇與挑戰(zhàn)

據(jù)第一財經(jīng)日報報道,202 3年我國新能源汽車產(chǎn)銷額分別為958 .7萬輛和949 .5萬輛,同比 增長35.8 %和37.9 %達到 31 .6 %,創(chuàng)下歷史新高。至202 3年底,全國新能源汽車 保有量達到2041萬輛,占汽車總量的6.0 7 %。新能源汽車數(shù)量的快速增長除了增加了對充 電基礎(chǔ)設(shè)施合理建設(shè)的要求外,在道路交通頻繁的特殊時間段,如節(jié)假日期間,也進一步放大了電車主的充電焦慮。

據(jù)國家電網(wǎng)智慧車聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,2024 年春運期間,僅1月2 6 日到2月5日11天的時間里,國家電網(wǎng)智慧車聯(lián)網(wǎng)平臺上高速公路服務(wù)區(qū)新能源車充電量達3408 .9 1 萬千瓦時,充電次數(shù)達1 51 .9 4 萬次,分別比2023年春運同期增長67 .06 %和48 .42 %。在新 能源汽車滲透率較高的南方地區(qū),車主在高速服務(wù)區(qū)充電需要排隊取號,單次充電耗時更長。 尤其是本次春運期間,遭遇特殊天氣凍雨,高速路段堵車可達幾天,為省電有些車主甚至不敢 開取暖,如何應(yīng)對這些問題也是新能源汽車制造商及充電樁設(shè)計、設(shè)置人員面臨的挑戰(zhàn)。同時,鄉(xiāng)村新能源汽車充電設(shè)施的建設(shè)也是一個廣闊的市場。多數(shù)新能源車主返回村里以后充 困難,只能前往當?shù)劓?zhèn)點或縣里,且縣鎮(zhèn)公用充電樁設(shè)置 較少,往往需要排隊才能充上電。 當 前市場,鄉(xiāng)村新能源汽車占比量較少的一個很大原因在于充電不方便,充電設(shè)施短、缺、落 后,如何加快鄉(xiāng)村充電樁建設(shè)和配套農(nóng)村電網(wǎng)的質(zhì)量改造提升,也是進一步在鄉(xiāng)村推廣新能源汽車亟需解決的一大難題。

1. 解決方案

圖1 平臺結(jié)構(gòu)圖

充電運營管理平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊等待的情況，同時也能為充電站提供更準確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。通過平臺可對充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對充電樁的功率進行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內(nèi)充電，避免對電網(wǎng)造成過大的負荷。

六、安科瑞充電樁云平臺具體的功能

平臺除了對充電樁的監(jiān)控外，還對充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運行可靠性，降低運營成本，平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖2 充電樁運營管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

大屏顯示：展示充電站設(shè)備統(tǒng)計、使用率排行、運營統(tǒng)計圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計等數(shù)據(jù)。

圖3 大屏展示界面

站點監(jiān)控：顯示設(shè)備實時狀態(tài)、設(shè)備列表、設(shè)備日志、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計等功能。

圖4 站點監(jiān)控界面

設(shè)備監(jiān)控：顯示設(shè)備實時信息、配套設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備實時曲線、關(guān)聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖5 設(shè)備監(jiān)控界面

運營趨勢統(tǒng)計：顯示運營信息查詢、站點對比曲線、日月年報表、站點對比列表等功能。

圖6 運營趨勢界面

收益查詢：提供收益匯總、實際收益報表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7 收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢分析、故障類型餅圖等功能。

圖8 故障分析界面

訂單記錄：提供實時/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導出、運營商應(yīng)收信息、充電明細、交易流水查詢、充值余額明細等功能。

圖9 訂單查詢界面

七、產(chǎn)品選型

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟、智能運營管理的市場需求。實現(xiàn)對動力電池快速、高效、安全、合理的電量補給，同時為提高公共充電樁的效率和實用性，具有有智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能；智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能；云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，財務(wù)報表分析等等；遠程升級：具備完善的通訊功能，可遠程對設(shè)備軟件進行升級；保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能；適配車型：滿足國標充電接口，適配所有符合國標的電動汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。下面是具體產(chǎn)品的型號和技術(shù)參數(shù)。

八、現(xiàn)場圖片

九、結(jié)束語

新能源汽車得到大力發(fā)展是在綠 色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展背景下的大勢所趨,如本文所提,目前我國的充電設(shè)施建設(shè)在很多方面仍不完善,這正是充電樁相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的空間所在。如何更合理的布置充電樁,在現(xiàn)有條件下如何設(shè)計出更經(jīng)濟、科學的充電樁配電系統(tǒng),也是電氣 設(shè)計人員需要進一步思考和探討的問題。

安科瑞侯文莉