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浅谈居住区电动汽车充电桩管理及设计研究
更新日期：2020-12-25 浏览量：494霍丽丽
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：充电桩是电动汽车需具备的充电设施，加强对电动汽车充电桩的设计研究，可推动电动汽车的发展。就地下车库电动汽车充电桩设计进行了研究，并结合工程实例，探讨了充电桩的负荷计算、供配电系统设计、配电充电监控系统设计等，可为类似地下车库充电桩设计提供有益的借鉴作用。
关键词：地下车库；充电桩；监控系统；锂电池
近年来，随着经济的发展和人们低碳环保理念的提升， 我国政府大力推进新能源汽车的应用。而电动汽车以其节能、环保、清洁等优点，成为了未来新能源汽车发展的大方向。充电桩作为电动汽车需具备的充电设施，是电动汽车产业链中 *的组成部分，其设计关系到电动汽车产业的发展。鉴于此，研究电动汽车充电桩的设计十分重要。
一、车位与充电桩的比例
在电动汽车中很重要的两个参数是动力电池的能量密度和续驶里程。锂电池目前使用寿命 5～8 年，充电循环寿命 600～1 000 次。为了保持电池良好，延长电池寿命，电量下降到 百分之二十时需要充电，充电到电量的 百分之八十～百分之九十时即停止充电。电动汽车续驶里程以前为 150 km 左右，目前可以达到 200 km 以上，随着技术进步电池能量密度的提高，新产品出台后续驶里程将能达到 300 km 以上，这样的续驶里程基本上可以满足大部分人通勤里程和短途出行的需求。
按新能源汽车发展的路线图，电动汽车续驶里程大、充电时间短后，其普及率将提高。对于一般居民，以续驶里程300 km 进行计算，可行驶里程约 120 km，以每天平均通勤里程约 40 km 计算，则每台电动汽车需要 3 d 充 1 次电，即车位与充电桩比例为 3∶1，按总车位的 百分之三十设置充电桩。
二、 负荷等级及负荷计算
住宅小区电动汽车主要以通勤为主，按照规定，其配电充电监控系统用电为二级负荷，其他负荷为三级负荷。慢充桩的充电电流小、充电时间长，电池寿命可以延长，多数居民早出晚归，适用于设慢充桩。
本文以某住宅小区为例，其地下室为设备用房及 450 辆大型地下车库，按车桩比 3∶1 计算，则需设 150 个慢充桩， 参照相关规范规定，每 50 个充电桩设 1 个充电站，共设 3 个充电站，每个充电站与建筑专业商定设为一个防火分区， 为了节约投资并节能，1 号充电站位于 1 号变电所旁，2 号和 3 号充电站位于 2 号变电所旁，线路较短，电能损耗较短小。负荷计算方面，按能源行业标准《电动汽车交流充电桩技术条件》（NB/T 33002—2010），每个慢充桩设备容量约 7 kW（AC220 V 单相供电），cosφ＞0.95，这里取 cosφ=0.85。
对于每个充电站，ΣPe=50×7=350 kW，按照相关规范条文及其说明，取 Kx=0.5，ΣPjs=350×0.5=175 kW，ΣIjs=ΣPjs/（ Ucosφ）=175/（×0.38×0.85）=313 A。
三、供配电系统
该工程充电站设配电充电监控系统，对变压器负荷率实时监控，使其高峰期负荷率不大于百分之一百（留百分之十裕量，根据（GB/T 1094.12—2013）《电力变压器第 12 部分：干式电力变压器负载导则》，环境温度为 30 ℃时，H 级绝缘干式变压器负荷率为 百分之一百一），以保证变压器寿命。
该小区变电所设计变压器负荷率≤百分之八十，还有可用容量≥百分之二十，变压器总容量为 2 000 kVA，慢充桩一般在低谷期充电，由于每个充电站ΣPjs=175 kW，3 个充电站总负荷为525 kW，不需加大变压器容量。每个充电站设 5 个充电桩配电箱，每个慢充桩配电箱 10 路出线。
四、配电充电监控系统（含计量）
图 1 为配电充电监控系统图。充电站应设配电充电监控系统，分间隔层、站控层，间隔层通信介质采用 RS485 多层屏蔽双绞线，通信距离可达 1 200 m，各测控单元的功能如表 1 所示，站控层主机等置于两个变电站之间塔楼上面的物管用房。充电桩支持不同的充电费用支付方式，包括充电 IC 卡、二维码、支付码、支付宝等，并兼容该地区充电APP。
五、谐波治理
充电机负载为电力电子器件和电池，含非线性负荷，一定严格限制谐波畸变率，避免影响变压器、电动机、电容器及其他设备的正常运行和计量造成等：①所用的充电机谐波分量应符合国家标准《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16 A）》（GB 17625.1—2012）和《电磁兼容限值对额定电流大于 16A 的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》（GB/Z 17625.6—2003）的有关规定；②采取有效的谐波治理措施。
六、消防、安防及其他
具体有以下要求：①消防、安防、通风等纳入地下室车库整体设计。执行《汽车库、修车库、停车库设计防火规范》（GB 50067—2014）、《车库建筑设计规范》（JGJ 100—2015）等相关规范；②安防监控系统包括环境监控、设备安稳监控、防火、防盗及视频监控等，对充电站的环境一目了然；③充电设施产生的噪声限值应符合《声环境质量标准》（ GB 3096—2008）；④变配电设备、充电设备的抗震措施应符合《工业企业电气设备抗震设计规范》（GB 50556—2010）和《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981—2014）；⑤充电站设置 20 m×20 m 等电位接地网；⑥充电站设指引及停车位标识，其符号参阅相关规范规定；⑦充电站配电系统雷电防护等级按 C 级配置各级 SPD 参数；⑧充电桩较多，即整个系统非线性负荷大，投运后应实测电磁辐射值是否超标，应符合《电磁环境控制限值》（GB 8702—2014）；⑨实施后，应以充电桩招标后的参数为依据，修正相关供配电系统设计参数；⑩该项目投运后，应实测实际充电总功率、谐波分量等，采取相应的对策。
七、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。
2.2平台首页
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
?充电
扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。
?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：
八、总结
综上所述，充电桩是电动汽车的能量来源，加强其研究才能为电动汽车的发展奠定坚实的基础。对于住宅小区地下车库充电桩的设计，车桩比不宜小于 百分之三十，根据居住区特点，优先充分利用住宅变压器，错峰充电，充电设施宜纳入充电服务信息公共平台。同时，相关企业应该加大对电动汽车的研发推广力度，严格参照国家出台的相关规范标准在民用建筑中合理设置充电桩，确保电动汽车充电桩安稳、可靠充电， 为今后新能源汽车的发展起到大力作用。
参考文献
[1]刘举祥，居住区电动汽车充电桩设计研究．
[2]和雅.电动汽车充电桩设计研究［D］.南昌：南昌大学，2012.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：李霍丽丽，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