某商場增加電動(dòng)汽車充電設(shè)施的電氣設(shè)計(jì)

李軼凡，林 昊

（1.中鐵電氣工業(yè)有限公司保定鐵道變壓器分公司，河北 保定 071051；2.榮盛建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 廊坊 065001）

0 引言

“十三五”期間，我國充電基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，充電技術(shù)水平快速提升，標(biāo)準(zhǔn)體系逐步完備，產(chǎn)業(yè)生態(tài)穩(wěn)步形成，建成了世界上數(shù)量最多、輻射面積最廣、服務(wù)車輛最全的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系。但快速發(fā)展的背后仍存在居住社區(qū)建樁難、公共充電設(shè)施發(fā)展不均衡、用戶充電體驗(yàn)有待提升、行業(yè)質(zhì)量與安全監(jiān)管體系有待完善等突出問題，亟須加快相關(guān)技術(shù)、模式與機(jī)制創(chuàng)新，進(jìn)一步提升充電服務(wù)保障能力。到“十四五”末，我國電動(dòng)汽車充電保障能力將進(jìn)一步提升，形成適度超前、布局均衡、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，能夠滿足超過2000萬輛電動(dòng)汽車的充電需求[1]。

近幾年，隨著國家對電動(dòng)汽車發(fā)展重視程度的逐漸提高，并為了加強(qiáng)新能源汽車的市場推廣，政府及有關(guān)部門加大扶持力度，紛紛提出了與新能源汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)的發(fā)展和應(yīng)用措施，并在政策中從財(cái)政補(bǔ)貼、公共試點(diǎn)、減免稅收以及管理規(guī)定等方面入手，提出了更為具體的指導(dǎo)意見及要求。例如，河北省出臺(tái)《關(guān)于加快提升充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見》，要求全省各市進(jìn)一步優(yōu)化主城區(qū)公共充電網(wǎng)絡(luò)布局，加大外圍城區(qū)公共充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，因地制宜布局充電站，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提升公共充電服務(wù)保障能力。鼓勵(lì)充電運(yùn)營企業(yè)通過新建、改建、擴(kuò)容、遷移等方式，逐步提高快充樁占比，并合理更換老舊充電樁，提升公共充電基礎(chǔ)設(shè)施利用效率和用戶充電體驗(yàn)。鼓勵(lì)建設(shè)占地少、成本低、見效快的機(jī)械式與立體式停車充電一體化設(shè)施。根據(jù)各地新能源汽車推廣的實(shí)際情況，到2025年，河北省各市要建成不少于1個(gè)繁華商圈快充站，充電基礎(chǔ)設(shè)施不低于停車位20%的示范工程[2]。

1 項(xiàng)目概況

某商場位于某市市區(qū)繁華地段，占地約10 000 m2。既有商場變配電所位于商場建筑物地上設(shè)備層，變配電所內(nèi)共設(shè)置2臺(tái)2500 kVA變壓器，10 kV高壓電源分別取自不同的兩路10 kV電源，互為備用。因建成時(shí)間較早，該商場變配電所沒有預(yù)留有關(guān)電動(dòng)汽車充電設(shè)施的容量。

為提升公共充電基礎(chǔ)設(shè)施利用效率和顧客體驗(yàn)，現(xiàn)計(jì)劃將部分停車位改造為電動(dòng)汽車充電樁的停車位，一期計(jì)劃改造30個(gè)車位。

2 方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目既有停車場分為室內(nèi)地下停車場和室外地上停車場。改造既有停車位，可以考慮改造室內(nèi)地下停車場，也可以考慮改造室外地上停車場。

方案1：改造既有室內(nèi)地下停車場。利用既有室內(nèi)地下停車場電源配電箱備用回路為充電樁供電。充電樁電源容量需求較大，經(jīng)現(xiàn)場勘察，既有配電箱內(nèi)備用回路不能滿足數(shù)量較多的充電樁電源需求，室內(nèi)地下停車場也無法增加新的配電柜為充電設(shè)施供電，故舍棄方案1。

方案2：改造室外地上停車場。因該商場建成時(shí)間較早，設(shè)計(jì)既有變配電所時(shí)未考慮充電設(shè)施容量，另根據(jù)國家電網(wǎng)公司的有關(guān)規(guī)范要求，為方便后期運(yùn)營管理，本項(xiàng)目需進(jìn)行電力增容，設(shè)置充電樁專用變壓器，分為2種方案。方案2-1為在既有變配電所內(nèi)增加專用變壓器及高低壓成套設(shè)備；方案2-2為在室外停車場盡頭空地處增加專用箱式變電站。綜合考慮既有變配電所內(nèi)平面空間及項(xiàng)目整體方案的經(jīng)濟(jì)性，推薦采用方案2-2。

3 充電樁配置方案選擇

3.1 市場概況

電動(dòng)汽車和充電樁行業(yè)發(fā)展迅速，交流充電樁主要以7 kW產(chǎn)品為主，直流充電樁有30 kW、60 kW、120 kW、150 kW等多種產(chǎn)品。目前某外資品牌乘用車已支持最高250 kW直流充電，國產(chǎn)品牌乘用車已支持最高150 kW直流充電。隨著行業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車車載電池容量會(huì)越來越大，目前，電動(dòng)汽車車型車載電池容量最高可達(dá)150 kW·h，大多數(shù)車型車載電池容量達(dá)到50 kW·h～100 kW·h。

充電樁配置方案選擇要同時(shí)考慮整個(gè)充電站覆蓋范圍內(nèi)的電動(dòng)車輛數(shù)量和車主對充電樁的具體要求。一方面要通過對充電站位置的分析以及對周邊交通道路位置的處理，研究整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)所有車輛進(jìn)入充電站需要的時(shí)間，以及整個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)的車輛數(shù)量。另一方面要分析車輛在行進(jìn)動(dòng)中對充電站的具體要求，從而分析整個(gè)區(qū)域內(nèi)需要建設(shè)的充電站數(shù)量，防止車輛在行進(jìn)過程中由于缺乏充電站的支持導(dǎo)致無法行駛[3]。

電動(dòng)汽車充電過程分為預(yù)充電、恒流充電、大電流正負(fù)脈沖充電等3個(gè)階段?？紤]本項(xiàng)目目標(biāo)客戶群體以商場顧客為主、營運(yùn)車主為輔，顧客在商場內(nèi)停留時(shí)間多數(shù)在1 h以上、營運(yùn)車主在商場內(nèi)停留時(shí)間在1 h左右，故直流充電樁選擇應(yīng)滿足在1 h內(nèi)為客戶的電動(dòng)汽車充入80%以上電量的要求，交流充電樁應(yīng)滿足不支持快充的電動(dòng)汽車車主和停留時(shí)間較長的人群（如商場工作人員）的需求。本項(xiàng)目推薦搭配布置120 kW直流充電樁、60 kW直流充電樁及7 kW交流充電樁。

3.2 方案選擇

雖然按照圖集18D705-2《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與安裝》的相關(guān)要求，大型商業(yè)及商業(yè)綜合體交直流配比為（8:1）～（4:1），但考慮到目前市場對快充的需求日益增大，尤其是對120 kW直流充電樁及60 kW直流充電樁的需求較大，為減少近期設(shè)備更換造成的損失，故120 kW直流充電樁、60 kW直流充電樁、7 kW交流充電樁配比為2:2:1，即120 kW直流充電樁12臺(tái)、60 kW直流充電樁12臺(tái)、7 kW交流充電樁6臺(tái)。

4 配電方案設(shè)計(jì)

4.1 負(fù)荷計(jì)算

充電樁容量計(jì)算公式如下：

系數(shù)Kt取0.80；工作效率η1、η2、η3均取0.95；功率因數(shù)cos?1、cos?2、cos?3均取0.90；需要系數(shù)Kx1、Kx2取0.60，Kx3取0.70。計(jì)算如表1所示。

表1 負(fù)荷計(jì)算

4.2 電源方案

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，室外停車場盡頭處對稱布置2臺(tái)800 kVA、10/0.4 kV箱式變電站，為充電樁提供電源。

因管理系統(tǒng)需要，新增交換機(jī)、服務(wù)器、工作站、打印機(jī)、顯示器等設(shè)備，總負(fù)荷約為8 kW。管理系統(tǒng)電源需求較小，設(shè)備集中布置在商場既有通信機(jī)房內(nèi)，可利用既有通信機(jī)房內(nèi)備用電源進(jìn)行供電，無須額外增加電源。

4.3 設(shè)備選擇

4.3.1 充電樁

一期共增加12臺(tái)120 kW直流充電樁、12臺(tái)60 kW直流充電樁、6臺(tái)7 kW交流充電樁。因既有停車場為露天停車場，充電樁需選用防護(hù)等級(jí)較高、有防雨設(shè)計(jì)的一體機(jī)產(chǎn)品。

出于經(jīng)濟(jì)性和市場需求考慮，120 kW直流充電樁、60 kW直流充電樁可采用雙槍同充充電樁，以覆蓋更多停車位。本文暫不討論雙槍充電樁方案。

4.3.2 箱式變電站和充電樁終端配電箱（柜）

2臺(tái)箱式變電站選用歐式箱變。變壓器選用干式變壓器，裝設(shè)溫度傳感器，預(yù)留將采集信息上傳到管理系統(tǒng)的功能；箱體增加百葉窗和排風(fēng)扇，采用強(qiáng)迫空氣冷卻；高壓方案采用SF6全絕緣柜，進(jìn)線柜設(shè)置微機(jī)保護(hù)裝置；低壓方案采用GGD固定式低壓配電柜，并設(shè)置240 kVar無功補(bǔ)償裝置，饋線回路裝設(shè)智能電力儀表，預(yù)留將電壓、電流、功率等電氣參量采集并上傳到管理系統(tǒng)的功能。通過加裝傳感器、智能儀表等措施，可實(shí)現(xiàn)對箱式變電站的智能化管理。

充電樁終端配電箱（柜）采用常規(guī)設(shè)計(jì)，但按照《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51348—2019）的要求，回路需設(shè)置限流防火保護(hù)器[4]。另外按照圖集18D705-2《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與安裝》的要求，應(yīng)設(shè)置漏電保護(hù)和計(jì)量裝置。

4.3.3 電纜

高、低壓電纜均選用阻燃、鋼帶鎧裝交聯(lián)聚乙烯絕緣護(hù)套電力電纜，該電纜滿足電氣和消防設(shè)計(jì)要求。

5 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范，應(yīng)當(dāng)設(shè)置充電監(jiān)控管理系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)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、對時(shí)等功能。充電樁繳費(fèi)方式建議采用APP支付繳費(fèi)或小程序支付繳費(fèi)，充電樁設(shè)備單體采用物聯(lián)網(wǎng)卡接入無線網(wǎng)絡(luò)，因此，充電站運(yùn)營服務(wù)器可設(shè)置在云平臺(tái)，只需在既有通信機(jī)房內(nèi)增加有關(guān)設(shè)備。另外，根據(jù)運(yùn)營方的要求，充電監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)與停車場系統(tǒng)相匹配。停車場安防系統(tǒng)、停車場收費(fèi)管理系統(tǒng)均利用既有設(shè)施，充電樁電氣火災(zāi)系統(tǒng)接入既有商場電氣火災(zāi)系統(tǒng)。

針對以上需求，管理系統(tǒng)只需接入外網(wǎng)即可，管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6 平面布置和防雷接地設(shè)計(jì)

充電樁位置集中、有序布置在車位同一側(cè)，且盡量縮短和箱式變電站的距離，保證供電半徑。箱式變電站位置在停車場盡頭，方便車輛出入，外形美觀，與建筑物協(xié)調(diào)。充電樁、終端配電箱（柜）、箱式變電站與其他建筑物間距離符合有關(guān)電氣、消防規(guī)范，基礎(chǔ)應(yīng)高出地面200 mm。充電車位設(shè)置車擋或其他防撞設(shè)施，防止充電車輛撞壞充電樁。

根據(jù)圖集18D705-2《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與安裝》的要求，充電樁周圍、室外電動(dòng)汽車充電車位地面下0.15～0.30 m設(shè)置間距為0.6 m×0.6 m的網(wǎng)格狀等電位均衡線，并向外延伸0.6 m。車擋與等電位均衡線可靠連接，等電位均衡線與接地極可靠焊接[5]。

本項(xiàng)目防雷接地按圖集18D705-2《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)與安裝》的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證電動(dòng)汽車充電用戶的人身安全。

7 結(jié)語

目前在既有建筑停車場增加電動(dòng)汽車充電設(shè)施的需求越來越大，未來幾年仍會(huì)是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。只有根據(jù)電動(dòng)汽車和充電設(shè)備發(fā)展趨勢，以及確定目標(biāo)客戶，合理確定充電樁配置方案、供配電方案，充電設(shè)施才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目標(biāo)。本文只是針對一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行分析，希望本文的分析和探討能對今后相關(guān)項(xiàng)目有所幫助。