浅析住宅小区电动车充电桩的电气设计与平台管理系统
- 发布时间：2023/7/10 15:33:37
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安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：根据目前对于新能源汽车发展规划及政策，以及国内外充电设施的主要类型和技术参数。论述地下车库电动汽车充电桩的供配电系统的设计及设计过程中需要注意的一些问题。
关键词：充电桩；地下车库；供配电设计；负荷计算
0引言
新能源汽车的产业发展与推广应用，已是大势所趋。新能源汽已经成为未来汽车发展的必然方向。我国目前发展的新能源汽车主要以插电式混合动力汽车和纯电动汽车为主。为推广和使用新能源汽车并加快充电设施的建设，国办[2015]73号文及建规[2015]199号文件明确要求：新建住宅配建停车位应100%预留充电设施建设安装条件。因此，新建住宅小区地下车库充电桩规划、设计成为民用建筑电气设计内容的一部分。
1配置充电桩的类型及技术要求
目前，新能源汽车的充电桩主要分为直流充电桩和交流充电桩两种，俗称“快充”和“慢充”。直流充电桩有占地面积大，充电电压高，充电时间较短，投资大等特点。而交流充电桩的特点基本与直流充电桩相反，占地小，可挂墙安装，充电功率低，充电时间长，投资小等特点。通过比较可知，住宅小区固定车位充电桩适宜采用交流充电桩，而直流充电桩通常设置在大型商场、办公楼、繁华市区等需要快速充电的区域。
2 供配电系统设计
2.1 充电设施专用变压器容量计算
sσ=kt*kx*cn*（kn*pn km*pm）/（η* cosφ）
式中：sσ--变压器总安装容量（kva）；η--变压器负载率，取0.70-0.75；cosφ--补偿后功率因数，取0.95；pn --交流充电桩（慢充）安装功率，取7.0kw；pm-直流充电桩（快充）安装功率，取60kw作为基数（一般有30kw、45kw、60kw、75kw、90kw、105kw、120kw）； kn--慢充停车位配置比例系数（即，实际慢充停车位数量/小区规划停车位数量），近期系数取0.20，远期系数取0.45；km-快充停车位配置数量比例系数（即，实际快充停车位数量/小区规划停车位数量），近期系数取0.02，远期系数取0.045；kx--充电桩需要系数，充电桩数量（慢充 快充），5-10个，取0.75-0.85；10-50个，取0.55-0.65；50个以上，取0.4-0.45；kt--充电桩同时使用系数，充电桩数量（慢充 快充），5-50个，取0.85-0.90；50个以上，取0.6-0.7；cn --小区规划停车位数量。
目前，充电设备在国内大范围应用还比较少，没有先例可查，同时系数kt和需要系数kx很难选取。kt和kx的选取主要与下面因数关：1）电动车的使用情况：目前电动汽车总体数量不多，充电设备本身的利用率不高；各建筑具体情况不相同。2）即使同时充电，各电动车之间的电池状态、性能等各不相同。3）另外，小区交流充电桩（慢充）和直流充电桩（快充）一般使用时间在不同时段。设计人员应结合各地电动车的发展情况和工程实际，合理选取。
2.2 配电设计
(1)充电桩总电源宜采用低压系统供电，接地采用tn-s系统。（2）交流充电桩宜按防火分区配电，每个防火分区均宜设置电动汽车充电桩区域配电柜、末端配电箱。区域配电柜和末端配电箱设计有三种形式：一、按100%配置全部设计安装到位；二、按20%配置全部设计安装到位（区域配电柜—末端配电柜—充电桩），其他80%仅考虑路由、土建等条件；三、按20%配置仅区域配电柜设计安装到位，末端配电箱取消，区域配电柜采用放射式直接供电至充电桩，其它80%仅考虑路由、土建等条件。（3）各防火分区区域配电柜宜安装在设置充电桩车位附近的强电间内，其系统图如图1所示。为保证末端充电设备安全，末端配电箱低压断路器应设置短路保护和剩余电流保护功能，其剩余电流保护额定动作电流为30ma，动作时间≤0.1s。
图 1 电动汽车充电设施配电系统图
2.3 电能质量
电动汽车充电桩的充电过程为非线性的负荷变化过程，设计时应考虑充电设施对公用电网电能质量产生的影响，并采取有效的抑制措施，将注入公网的谐波控制在规定范围内。为保障电能质量的要求，所采取的措施如下：（1）增加充电机整流装置的脉动数。（2）低压配电系统中设置有源滤波器装置，功率因数补偿电容器组配置电抗器。（3）专用变压器接线组别为d，yn11，且负荷率不高于70%。（4）为改善三相用电设备的平衡度，单相交流充电桩负荷应均衡的分配到三相上，尽量使三相负荷平衡。（4）变电所低压配电柜出线至
各区域充电桩配电柜距离不宜超过200m。
2.4 配电线路设计
根据充电桩配电柜的数量在专用变电所低压柜出线设置相应数量的单独馈线回路直接供电。馈线电缆宜铜芯电缆或铜芯电线，三相配电回路应选用五芯电缆，单相配电回路应选用三芯电缆。电动汽车充电设施配电线路宜采用金属槽盒敷设，当电动汽车充电桩位置带定时，金属槽盒应能到达所有停车位，以满足100%预留充电设施条件。
3 充电桩设施的布置原则
电动汽车与充电设备之间应保证安装距离：充电设备安装在车侧且不妨碍车门开启时，充电设备外轮（含防撞设施）距电动汽车净距不应小于0.4m（；妨碍车门开启时，充电设备外轮（含防撞设施）距电动汽车净距不应小于0.6m；充电设备安装在车尾时，充电设备外轮（含防撞设施）距电动汽车净距不应小于0.5m。充电设备安装应预留检修与操作空间，其检修操作面与建（构）筑物之间距离不应小于0.8m。其充电设备布置如（图2）
图 2 充电1设备布置示意
4 监控及通信
民用建筑电动汽车充电设施监控系统由控制层、间隔层及网络设备构成。监控系统较小时，可根据实际需要进行简化。控制层能提供充电设施内各运行系统的人机界面，应实现相应信息的收集和实时显示、设备的远方控制、以及数据的存储、查询和统计等，并可与相关系统通信。间隔层能采集设备运行状态及运行数据，上传至控制层，并接收和执行控制层的控制命令。
acrelcloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4g或wifi等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
5.2应用场所
适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
5.3系统结构
5.3.1系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4g网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、web网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维app，充电用户提供充电小程序。
5.4安科瑞充电桩云平台系统功能
5.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
5.4.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。
5.4.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
5.4.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维app收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
5.4.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
5.4.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。
5.4.7运维app
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
5.4.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
5.5系统硬件配置
类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
安科瑞充电桩收费运营云平台 | acrelcloud-9000 | 安科瑞响应国家节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kw交流充电桩，30kw壁挂式直流充电桩，智能60kw/120kw直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件凯时尊龙官网的解决方案，可以随时随地享受便捷高效安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、高效、安全的充电服务。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。 | |
互联网版智能交流桩 | aev-ac007d | 额定功率7kw，单相三线制，防护等级ip65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4g/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏 | |
互联网版智能直流桩 | aev-dc030d | 额定功率30kw，三相五线制，防护等级ip54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4g/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 | |
互联网版智能直流桩 | aev-dc060s | 额定功率60kw，三相五线制，防护等级ip54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4g/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 | |
互联网版智能直流桩 | aev-dc120s | 额定功率120kw，三相五线制，防护等级ip54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4g/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 | |
10路电瓶车智能充电桩 | acx10a系列 | 10路承载电流25a，单路输出电流3a，单回路功率1000w，总功率5500w。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 acx10a-tyhn：防护等级ip21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 acx10a-tyn：防护等级ip21，支持投币、刷卡，免费充电 acx10a-yhw：防护等级ip65，支持刷卡，扫码，免费充电 acx10a-yhn：防护等级ip21，支持刷卡，扫码，免费充电 acx10a-yw：防护等级ip65，支持刷卡、免费充电 acx10a-mw：防护等级ip65，仅支持免费充电 | |
2路智能插座 | acx2a系列 | 2路承载电流20a，单路输出电流10a，单回路功率2200w，总功率4400w。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 acx2a-yhn：防护等级ip21，支持刷卡、扫码充电 acx2a-hn：防护等级ip21，支持扫码充电 acx2a-yn：防护等级ip21，支持刷卡充电 | |
20路电瓶车智能充电桩 | acx20a系列 | 20路承载电流50a，单路输出电流3a，单回路功率1000w，总功率11kw。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 acx20a-yhn：防护等级ip21，支持刷卡，扫码，免费充电 acx20a-yn：防护等级ip21，支持刷卡，免费充电 | |
落地式电瓶车智能充电桩 | acx10b系列 | 10路承载电流25a，单路输出电流3a，单回路功率1000w，总功率5500w。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 acx10b-yhw：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 acx10b-yhw-ll：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持u盘本地投放图片及视频广告 | |
智能边缘计算网关 | anet-2e4sm | 4路rs485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持modbusrtu、modbustcp、dl/t645-1997、dl/t645-2007、cjt188-2004、opcua、modbustcp（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、snmp、mqtt；（主模块）输入电源：dc12v～36v。支持4g扩展模块，485扩展模块。 | |
扩展模块anet-485 | m485模块：4路光耦隔离rs485 | ||
扩展模块anet-m4g | m4g模块：支持4g全网通 | ||
导轨式单相电表 | adl200 | 单相电参量u、i、p、q、s、pf、f测量，输入电流：10（80）a； 电能精度：1级 支持modbus和645协议 证书：mid/ce认证 | |
导轨式电能计量表 | adl400 | 三相电参量u、i、p、q、s、pf、f测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）a，直接接入3×10（80）a，有功电能精度0.5s级，无功电能精度2级 证书：mid/ce认证 | |
无线计量仪表 | adw300 | 三相电参量u、i、p、q、s、pf、f测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；a、b、c、n四路测温；1路剩余电流测量；支持rs485/lora/2g/4g/nb；lcd显示；有功电能精度：0.5s级（改造项目推荐） 证书：cpa/ce认证 | |
导轨式直流电表 | djsf1352-rn | 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，soe事件记录:8位lcd显示:红外通讯:电压输入较大1000v，电流外接分流器接入(75mv)或霍尔元件接入(0-5v);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量ac/dc85-265v供电 证书：mid/ce认证 | |
面板直流电表 | pz72l-de | 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000v，电流外接分流器接入·(75mv)或霍尔元件接入(0-20ma0-5v);电能精度1级 证书：ce认证 | |
电气防火限流式保护器 | ascp200-63d | 导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路rs485通讯，1路nb或4g无线通讯(选配);额定电流为0~63a，额定电流菜单可设。 |
6结语
为了我国汽车能源结构的转变，应普及电动汽车充电设备的建设。未来几年电动汽车充电设施的设计仍会是电气设计师们关注的重点。地下车库电动汽车充电设施的电气设计，应结合当地相关规定设置配套的充电桩。电气设计师应立足规范，收集相关数据，密切跟踪新产品及技术的发展，不断优化调整设计方案，做到经济合理。
参考文献
gb 50966-2014 电动汽车充电桩设计规范[s].北京：中国计划出版社，2014.
gb 50016-2014 建筑设计防火规范[s].北京：中国计划出版社，2014.
张安锋,王文静.论住宅小区电动汽车充电桩的电气设计.《建筑学研究前沿》2017年第26.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.