電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)實(shí)例分析

劉真全，劉志華，蔡雄飛

(1. 武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430014；2. 中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

隨著國(guó)家的大力推廣，充電樁在項(xiàng)目中越來(lái)越常見，但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程還是存在各種各樣的問題，既有設(shè)計(jì)層面的，也有政策層面的?；诖?，筆者深感有必要將自己在項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)做一個(gè)全面的總結(jié)。本文選取的工程實(shí)例為一火車站站前廣場(chǎng)綜合工程，包括站前廣場(chǎng)、地下人行通道、市政道路、公交辦公樓、公交停車場(chǎng)、地下車庫(kù)等，根據(jù)車位數(shù)量按要求設(shè)置充電樁。

1 建設(shè)模式

目前主流的充電站建設(shè)模式主要有：(1)業(yè)主將場(chǎng)地租賃給第三方，由第三方投資建設(shè)充電站，運(yùn)營(yíng)收入歸第三方，業(yè)主收取一定的租金或者是收益分成。此時(shí)設(shè)計(jì)由第三方完成，第三方既是設(shè)計(jì)方又是運(yùn)營(yíng)方，多為以充電樁運(yùn)營(yíng)為主業(yè)的企業(yè)。(2)業(yè)主出資建設(shè)，但設(shè)計(jì)與施工均由第三方完成。此時(shí)電源報(bào)裝、設(shè)計(jì)、施工全部由第三方打包完成，不需要設(shè)計(jì)院介入，該第三方多為與供電部門比較熟絡(luò)的單位，此種方式多見于公交充電站。(3)常規(guī)的設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)、業(yè)主建設(shè)并自營(yíng)模式。

上述三種模式中，前兩種都不需要設(shè)計(jì)院做具體設(shè)計(jì)，所以在設(shè)計(jì)前必須要搞清楚該項(xiàng)目意向采用哪種模式，以免做無(wú)用功。不同建設(shè)模式比較見表1。

不同建設(shè)模式比較 表1

本工程中的公交充電樁即是采用的第二種模式，地下車庫(kù)停車場(chǎng)的私家車充電樁采用的是第三種模式。

2 計(jì)量模式

計(jì)量模式是充電樁設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，不同計(jì)量模式下的電費(fèi)相差很大，這直接關(guān)系到充電站的運(yùn)營(yíng)成本。為了鼓勵(lì)充電樁的建設(shè)，2015 年10 月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》，部署大力推進(jìn)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，解決電動(dòng)汽車充電難題。并且，早在2014年，國(guó)家發(fā)改委就頒布了《關(guān)于電動(dòng)汽車用電價(jià)格政策有關(guān)問題的通知》，確定對(duì)電動(dòng)汽車充換電設(shè)施用電實(shí)行扶持性電價(jià)政策，明確對(duì)經(jīng)營(yíng)性集中式充換電設(shè)施用電實(shí)行價(jià)格優(yōu)惠，整體執(zhí)行大工業(yè)電價(jià)，并且實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)政策。表2所示為峰谷分時(shí)時(shí)間段。

峰谷分時(shí)時(shí)間段 表2

本工程地下車庫(kù)設(shè)置有7kW交流樁36個(gè)，30kW直流樁13個(gè)，設(shè)置一臺(tái)500kVA專用變壓器。設(shè)本工程充電樁需用系數(shù)為0.6，總功率為385kW，使用時(shí)間段為7∶00-19∶00共12h，則平段和高峰段時(shí)間各為6h。電費(fèi)分為兩部分，基本電費(fèi)和電度電費(fèi)，執(zhí)行工商業(yè)用電需支付基本電費(fèi)，執(zhí)行大工業(yè)用電免收基本電費(fèi)。

2.1 基本電費(fèi)計(jì)算

基本電費(fèi)按最大需求或變壓器容量計(jì)算，每月繳納。

按最大需求容量計(jì)算時(shí)單價(jià)為28元/kVA/月，則基本電費(fèi)為：28元×500kVA×12月=16.8萬(wàn)元/年。

按變壓器容量計(jì)算(設(shè)負(fù)載率為70%)單價(jià)為42 元/kVA/月，基本電費(fèi)為：42元×500kVA×70%×12月=17.6萬(wàn)元/年。

當(dāng)負(fù)載使用率70%左右時(shí)，兩種選擇費(fèi)用相近，目前每月可向供電部門調(diào)整一次，本工程按最大需求容量計(jì)算，基本電費(fèi)為16.8萬(wàn)元/年。

2.2 電度電費(fèi)計(jì)算

電度電費(fèi)跟單價(jià)及實(shí)際使用的電量相關(guān)，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

電度電費(fèi)計(jì)算比較 表3

執(zhí)行大工業(yè)電價(jià)后每年可以節(jié)約電費(fèi)(116.5-102.26)+16.8=31.04萬(wàn)元。從表3可以看到，如果能夠享受到電價(jià)補(bǔ)貼，每年可以節(jié)省大量的電費(fèi)，如此就能以更加低廉的充電價(jià)格吸引到電動(dòng)車主，此舉也成為了充電樁運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。要享受此項(xiàng)優(yōu)惠政策，武漢地區(qū)需要先到發(fā)改委備案，獲得固定資產(chǎn)備案證。每個(gè)地方的流程會(huì)有所不同，具體需要咨詢當(dāng)?shù)卣摺?/p>

2.3 供電計(jì)量方案

除了拿到備案證以外還有一個(gè)重要的問題，那就是如何給充電樁做單獨(dú)計(jì)量，這個(gè)需要與供電局充分溝通供電方案。以筆者的經(jīng)歷，遇到過(guò)設(shè)置開閉所然后給充電樁單獨(dú)配置變壓器并掛表的方案(圖1)，也有整個(gè)項(xiàng)目掛一塊總表，充電樁單獨(dú)設(shè)置箱變，再掛一塊分表的方案(圖2)。不同的項(xiàng)目具體掛表方案都會(huì)有所不同，這個(gè)需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況和供電局的要求確定。

圖2 分表計(jì)量供電方案簡(jiǎn)圖

以本工程為例，考慮到充電車位分屬在不同的地塊，且后期管理運(yùn)營(yíng)部門也不同，最終采用設(shè)開閉所然后給充電樁變壓器或箱變單獨(dú)掛表的方案，圖1即為供電答復(fù)函中的供電方案簡(jiǎn)圖。

圖1 開閉所計(jì)量供電方案簡(jiǎn)圖

3 充電樁配電設(shè)計(jì)

解決了建設(shè)模式和計(jì)量模式的問題后才正式進(jìn)入充電樁的配電設(shè)計(jì)，充電樁配電設(shè)計(jì)需考慮負(fù)荷計(jì)算、配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、平面設(shè)計(jì)、充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 負(fù)荷計(jì)算

依據(jù)18D705-2《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與安裝》，單臺(tái)充電樁的計(jì)算負(fù)荷見式(1)：

S=P/ηcosφ

(1)

式中，S為單臺(tái)充電樁的輸入容量，kVA；P為單臺(tái)充電樁的輸出功率，kW；η為充電樁的工作效率，一般取0.95；cosφ為充電樁的功率因數(shù)，取0.95。

各類充電樁的計(jì)算負(fù)荷見式(2)：

(2)

式中，P1′/P2′為慢充/快充的輸入功率，kW；Kx為需要系數(shù)，可查18D705-2《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與安裝》表格或曲線，本工程慢充取0.4，快充取0.7。

充電樁總計(jì)算容量見式(3)：

(3)

式中，SjS為總的計(jì)算負(fù)荷，kVA；KT為同時(shí)系數(shù)，取0.9；Sn為某一類充電樁的輸入容量，kVA；得到本工程的計(jì)算容量為SjS=0.9×(0.4×36×7/0.95×0.95+0.7×13×30/0.95×0.95)=414kVA，需要設(shè)置一臺(tái)500kVA的充電樁專用變壓器。

3.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

充電樁配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為常規(guī)設(shè)計(jì)，但也有幾點(diǎn)需要注意：(1)按照GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，充電樁回路需要設(shè)置限流式防火保護(hù)器；(2)配電箱進(jìn)線需設(shè)置計(jì)量裝置；(3)配電回路應(yīng)設(shè)置漏電保護(hù)，系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 充電樁配電箱系統(tǒng)圖

3.3 充電樁平面設(shè)計(jì)

平面布置時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：(1)充電樁應(yīng)盡量集中布置，且盡量靠近配電房，以縮短供電距離。充電設(shè)備外廓距充電車位邊緣的凈距不宜少于0.4m。(2)室內(nèi)充電設(shè)備基礎(chǔ)應(yīng)高出地坪50mm，室外充電設(shè)備基礎(chǔ)應(yīng)高出地面200mm。(3)充電車位宜設(shè)置車檔，以防止車輛倒車時(shí)撞壞充電設(shè)備。

3.4 充電樁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范充電站應(yīng)當(dāng)設(shè)置充電監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)宜具備數(shù)據(jù)采集、控制調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、事件記錄、報(bào)警處理、設(shè)備運(yùn)行管理、用戶管理與權(quán)限管理、報(bào)表管理與打印、可擴(kuò)展、對(duì)時(shí)等功能。同時(shí)充電樁需要安裝計(jì)量裝置，監(jiān)測(cè)和管理收費(fèi)數(shù)據(jù)，目前繳費(fèi)方式主要有刷卡繳費(fèi)和APP支付繳費(fèi)。

針對(duì)以上需求，需要設(shè)置一套充電樁管理系統(tǒng)(圖4)。需要特別指出的是，如果采用APP支付方式，則需要引入Internet網(wǎng)。如果項(xiàng)目?jī)?nèi)的單體已經(jīng)接入外網(wǎng)，只需要將管理系統(tǒng)接入已有外網(wǎng)即可；如果該停車場(chǎng)是單獨(dú)的項(xiàng)目，且周邊不方便接入有線網(wǎng)絡(luò)，也可以采用4G卡接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)后用戶只需要掃描充電樁上的二維碼或者直接在APP上操作即可完成繳費(fèi)。

圖4 充電樁管理系統(tǒng)圖

4 設(shè)備形式選擇

目前主流的充電樁設(shè)備有三種，不同形式的設(shè)備配電設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同。

(1)充電主機(jī)系統(tǒng)

將配電模塊、充電功率模塊和管理模塊全部集中到一個(gè)集裝箱中，類似于一個(gè)箱變與充電管理模塊的結(jié)合體，可以直接給直流充電末端供電，中間無(wú)需再設(shè)配電箱(圖5)。充電主機(jī)最大可以做到1 250kVA， 需要占用較大的空間，但直流充電末端設(shè)備比較小巧，其體積僅比交流充電樁稍大，可以大大節(jié)約空間，也比較美觀。

圖5 充電主機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

交流充電樁功率小，直接從充電主機(jī)接引會(huì)占用過(guò)多資源，經(jīng)濟(jì)上不劃算，通常做法依然是由充電主機(jī)出回路給配電箱，配電箱再給交流樁供電。充電主機(jī)的接入電源一般為10kV，所以配電設(shè)計(jì)時(shí)需要注意在開閉所或中心配預(yù)留10kV回路。

(2)充電堆

顧名思義，就是將多個(gè)充電模塊堆在一起，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置直流充電堆柜，每面柜子可以給多個(gè)充電車位充電(圖6)。如4個(gè)或者6個(gè)車位為一組共用一面充電柜，可以將其看做是縮小版的充電主機(jī)。充電堆柜內(nèi)含有管理單元，具備功率分配功能，可以根據(jù)本組內(nèi)的充電情況實(shí)時(shí)調(diào)配充電功率。

圖6 充電堆系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

以一個(gè)6樁360kW充電堆為例，當(dāng)本組內(nèi)只有2個(gè)樁位充電時(shí)，可以給每個(gè)樁各調(diào)配180kW的功率使其快速充電；當(dāng)有6個(gè)車位充電時(shí)，給每個(gè)樁各調(diào)配60kW的功率。這樣能夠大大提高充電效率，節(jié)省充電時(shí)間，對(duì)于經(jīng)營(yíng)方來(lái)說(shuō)，則意味著更快的流轉(zhuǎn)，更多的現(xiàn)金流。另外在車位較多且集中的情況下，選擇充電堆系統(tǒng)，可有效降低線纜成本。

(3)一體機(jī)

每個(gè)樁內(nèi)均含有功率模塊和管理單元，箱變或變壓器與充電樁之間需要設(shè)置配電箱，也是市面上最常見的，可以一樁一槍也可以一樁雙槍(圖7)。

圖7 一體機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

以上三種模式，充電主機(jī)多用于大功率的充電站，如城市公交、大巴車充電站等。充電堆和一體機(jī)常用于私家車充電站，相對(duì)來(lái)說(shuō)充電堆模式的充電效率更高，末端設(shè)備比較小巧，美觀性也更好。而一體機(jī)模式比較簡(jiǎn)單，故障時(shí)影響面較小。三種模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況及業(yè)主需求合理選擇。

本項(xiàng)目為站前廣場(chǎng)綜合工程，車流量大，直流樁設(shè)置比例高于一般項(xiàng)目，且主要的充電車位設(shè)置在地下室，不宜設(shè)置箱變，地下室設(shè)置有充電樁專用變壓器，故本工程直流樁采用充電堆模式、交流樁采用一體機(jī)模式。

5 結(jié)束語(yǔ)