住宅小区电动汽车充电桩的电气设计探讨

引言

近几年来随着国家对节能减排要求的提高以及相关环保政策的推进,电动汽车保有量迅速增长,作为电动汽车大规模推广应用的重要前提和基础,电动汽车充电设施的建设显得尤为重要。

目前,根据国家相关政策明确规定,新建住宅小区停车位要求100%建设充电设施或预留建设安装条件,可见充电桩已经成为目前住宅建筑电气设计的一项重要内容。本文笔者结合工程实践,对电动汽车充电桩的分类、布置、负荷计算及配电设计等进行深入探讨。

1充电桩的分类

现阶段电动汽车充电桩主要分为直流充电桩和交流充电桩两种。直流充电桩自带整流器,可以将输入的三相交流电输出为电压和电流可调的直流电,充电速度较快(1～2h满载）,又被称作"快充桩",缺点是装置占地面积大、投资较高。交流充电桩需要通过电动车的车载充电机为电动汽车充电,车载充电机功率小,充电速度较慢(5～8h满载）,又被称作"慢充桩",优点是装置占地面积小、安装方便、投资较小。

对于住宅小区而言,电动汽车充电桩均为住户自用,其充电时间基本集中在晚上休息时间,充电时间很充足,故无需快速充电也能满足日常使用。由此可见,住宅小区更适合采用交流充电桩,目前一般采用单相7kw慢充型,安装方式为壁挂或落地安装。

2充电桩平面布置及安装方式

目前市面上的充电桩种类较多,产品参数及安装方式也各有不同。在选择设置充电设备的停车位时,其基本要求是不影响项目的整体规划布局,尤其是寸土寸金的住宅小区地下车库,不能因布置充电设备而影响车位划分。电气设计人员应与建筑专业密切配合,合理选择充电设备及安装方式。

在选取设置充电桩的停车位时应考虑充电桩安装空间。优先选择靠墙或柱子的车位,在车尾墙上或柱子上设壁挂式充电桩,如图1所示:或选择临近车位之间有安装空间的车位,在车侧处设置落地式充电桩,如图2所示:其次为两排背靠背垂直后退停车的车位,在车尾处设置落地式充电桩,如图3所示:当车位既不靠墙柱也没有安装空间时,如仍有电动汽车充电需求,可选用车挡式充电桩,如图4所示。

充电桩应靠近停车位布置,以便于电动汽车停放和充电人员操作,且不应妨碍其他车辆的充电和通行。目前主流观点认为,充电设备外廓与停车位的净距应不小于0.4m。由于车尾处一般选择壁挂式充电桩,基本不占用空间,如靠近两车中间布置可以不考虑安全净距。结合目前主流交流充电桩的参考尺寸(厚0.2～0.4m）,如不确定产品型号,可按如下要求布置充电车位:充电车位尾部与墙净距a不宜小于0.4m,充电车位车侧净距b、背靠背净距c不宜小于1.2m。考虑操作的便利及使用习惯,充电设备操作屏的中心线距地面宜为1.4～1.5m,落地式充电桩的基础应比车库地面高出0.2m。

3负荷计算

对于住宅小区地下车库而言,充电桩均为物业统一配置安装,其选用型号也是一致的,目前标准型号为单相7kw交流充电桩,故地下车库充电桩的总计算容量可按以下公式确定:

式中s_js一N台充电桩的总计算容量(kVA）:

K一充电桩的需要系数:

N一充电桩的计算数量:

P一单台充电桩的输出功率(kw）:

η一充电桩的工作效率,可取0.9:

cosφ一充电桩的功率因数,可取0.95。

从公式可以看出,仅充电桩的需要系数取值是未知的,并且没有能够参照的规范和手册,可见合理选择需要系数是充电桩负荷计算的关键。众所周知,需要系数K为电动汽车充电桩同时充电的概率,与充电桩数量有直接关系。当前常见家用电动汽车的续航里程为150～300km,按每天通勤里程30～40km考虑,再计入天气、路况、驾驶习惯、计量误差及居民的充电习惯等多种因素,私家车在小区停车库充电的间隔时间约为3天左右。再者,目前市场上主流电动汽车的车载充电机功率一般为3.3kw和6.6kw,在充电时实际消耗的功率并没有达到7kw,所以负荷计算时需要系数可进一步降低。供电干线或区域配电箱和变压器侧充电桩的需要系数如表1所示。

4配电设计注意事项

(1）住宅小区充电车位一般设在地下车库内,短时间停电也不会造成较大损失,故住宅小区的充电设备按三级负荷配电设计即可。

(2）充电桩配电一般可从专用变压器引出独立回路,如当地供电局不允许,则需要预留专设变压器或配电房,以方便计量及物业管理。

(3）充电桩尽量集中分区域布置,并就近设置区域配电箱,区域配电箱采用三相进线,进线断路器应带分励脱扣器,火灾时自动切断供电电源。

(4）充电桩的末端配电回路采用断路器,应具备短路保护和剩余电流保护功能,其剩余电流保护的额定动作电流为30mA,动作时间不大于0.1s。

5典型案例分析

根据资料显示,截至2019年6月份,全国电动汽车保有量为344万辆,仅占汽车总量的1.37%。从数据来看,目前电动汽车的占比仍然较小,在新建住宅配建停车位时,可按先期和远期两个阶段考虑,先期可考虑按10%～20%比例设置充电桩,并预留远期100%比例的建设安装条件。

以一个建筑面积28万m2的住宅小区为例,地下车库的车位数量为2268个。先期按15%车位数建设充电设施,共计340个充电桩,全部选用7kw单相交流桩,K取0.25,根据公式可得出sjs1=0.25×340x7÷(0.9×0.95）=696kVA,此负荷不单独设置变压器,可按区域划分到6台小区专用变压器内。远期剩余85%车位数的充电桩用电为sjs2=0.24×1928×7÷(0.9×0.95）=3788kVA(K取0.24）,此负荷可选用6台800kVA的变压器。此变压器先期不安装,仅预留变配电房位置,高低压电房均按充电桩为100%容量预留电柜的位置。

此方案先期可以满足15%的充电桩用户需求,在后期随着充电桩需求量的增加,再进行简单的工程改造,在预留位置增加相应的配电设备,即可满足用户要求。这样既能满足国家政策和使用要求,又不至于造成浪费。

6结语

充电桩的设计较为繁琐,贯穿于整个规划、方案设计、施工阶段,电气设计人员应与相关专业密切配合,只有确定合理的配置数量,选取合适的安装位置,确定合理的供电方案,选择合理的需要系数,充电桩设计才能达到经济节能、远近兼顾的目标。