安科瑞淺談住宅小區電動車充電樁的電氣設計與平臺管理系統
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：根據目前對于新能源汽車發展規劃及政策，以及國內外充電設施的主要類型和技術參數。論述地下車庫電動汽車充電樁的供配電系統的設計及設計過程中需要注意的一些問題。
關鍵詞：充電樁；地下車庫；供配電設計；負荷計算
0引言
新能源汽車的產業發展與推廣應用，已是大勢所趨。新能源汽已經成為未來汽車發展的必然方向。我國目前發展的新能源汽車主要以插電式混合動力汽車和純電動汽車為主。為推廣和使用新能源汽車并加快充電設施的建設，國辦[2015]73號文及建規[2015]199號文件明確要求：新建住宅配建停車位應預留充電設施建設安裝條件。因此，新建住宅小區地下車庫充電樁規劃、設計成為民用建筑電氣設計內容的一部分。
1配置充電樁的類型及技術要求
目前，新能源汽車的充電樁主要分為直流充電樁和交流充電樁兩種，俗稱“快充”和“慢充”。直流充電樁有占地面積大，充電電壓高，充電時間較短，投資大等特點。而交流充電樁的特點基本與直流充電樁相反，占地小，可掛墻安裝，充電功率低，充電時間長，投資小等特點。通過比較可知，住宅小區固定車位充電樁適宜采用交流充電樁，而直流充電樁通常設置在大型商場、辦公樓、繁華市區等需要快速充電的區域。
2 供配電系統設計
2.1 充電設施專用變壓器容量計算
SΣ=Kt*Kx*Cn*（Kn*Pn+Km*Pm）/（η* cosφ）
式中：SΣ--變壓器總安裝容量（kVA）；η--變壓器負載率，取0.70-0.75；cosφ--補償后功率因數，取0.95；Pn --交流充電樁（慢充）安裝功率，取7.0KW；Pm-直流充電樁（快充）安裝功率，取60kW作為基數（一般有30kW、45kW、60kW、75kW、90kW、105kW、120kW）； Kn--慢充停車位配置比例系數（即，實際慢充停車位數量/小區規劃停車位數量），近期系數取0.20，遠期系數取0.45；Km-快充停車位配置數量比例系數（即，實際快充停車位數量/小區規劃停車位數量），近期系數取0.02，遠期系數取0.045；Kx--充電樁需要系數，充電樁數量（慢充+快充），5-10個，取0.75-0.85；10-50個，取0.55-0.65；50個以上，取0.4-0.45；Kt--充電樁同時使用系數，充電樁數量（慢充+快充），5-50個，取0.85-0.90；50個以上，取0.6-0.7；Cn --小區規劃停車位數量。
目前，充電設備在國內大范圍應用還比較少，沒有先例可查，同時系數Kt和需要系數Kx很難選取。Kt和Kx的選取主要與下面因數關：1）電動車的使用情況：目前電動汽車總體數量不多，充電設備本身的利用率不高；各建筑具體情況不相同。2）即使同時充電，各電動車之間的電池狀態、性能等各不相同。3）另外，小區交流充電樁（慢充）和直流充電樁（快充）一般使用時間在不同時段。設計人員應結合各地電動車的發展情況和工程實際，合理選取。
2.2 配電設計
(1)充電樁總電源宜采用低壓系統供電，接地采用TN-S系統。（2）交流充電樁宜按防火分區配電，每個防火分區均宜設置電動汽車充電樁區域配電柜、末端配電箱。區域配電柜和末端配電箱設計有三種形式：一、按配置全部設計安裝到位；二、按20%配置全部設計安裝到位（區域配電柜—末端配電柜—充電樁），其他80%僅考慮路由、土建等條件；三、按20%配置僅區域配電柜設計安裝到位，末端配電箱取消，區域配電柜采用放射式直接供電至充電樁，其它80%僅考慮路由、土建等條件。（3）各防火分區區域配電柜宜安裝在設置充電樁車位附近的強電間內，其系統圖如圖1所示。為保證末端充電設備安全，末端配電箱低壓斷路器應設置短路保護和剩余電流保護功能，其剩余電流保護額定動作電流為30mA，動作時間≤0.1s。
圖 1 電動汽車充電設施配電系統圖
2.3 電能質量
電動汽車充電樁的充電過程為非線性的負荷變化過程，設計時應考慮充電設施對公用電網電能質量產生的影響，并采取有效的抑制措施，將注入公網的諧波控制在規定范圍內。為保障電能質量的要求，所采取的措施如下：（1）增加充電機整流裝置的脈動數。（2）低壓配電系統中設置有源濾波器裝置，功率因數補償電容器組配置電抗器。（3）專用變壓器接線組別為D，yn11，且負荷率不高于70%。（4）為改善三相用電設備的平衡度，單相交流充電樁負荷應均衡的分配到三相上，盡量使三相負荷平衡。（4）變電所低壓配電柜出線至
各區域充電樁配電柜距離不宜超過200m。
2.4 配電線路設計
根據充電樁配電柜的數量在專用變電所低壓柜出線設置相應數量的單獨饋線回路直接供電。饋線電纜宜銅芯電纜或銅芯電線，三相配電回路應選用五芯電纜，單相配電回路應選用三芯電纜。電動汽車充電設施配電線路宜采用金屬槽盒敷設，當電動汽車充電樁位置帶定時，金屬槽盒應能到達所有停車位，以滿足預留充電設施條件。
3 充電樁設施的布置原則
電動汽車與充電設備之間應保證安裝距離：充電設備安裝在車側且不妨礙車門開啟時，充電設備外輪（含防撞設施）距電動汽車凈距不應小于0.4m（；妨礙車門開啟時，充電設備外輪（含防撞設施）距電動汽車凈距不應小于0.6m；充電設備安裝在車尾時，充電設備外輪（含防撞設施）距電動汽車凈距不應小于0.5m。充電設備安裝應預留檢修與操作空間，其檢修操作面與建（構）筑物之間距離不應小于0.8m。其充電設備布置如（圖2）
圖 2 充電1設備布置示意
4 監控及通信
民用建筑電動汽車充電設施監控系統由控制層、間隔層及網絡設備構成。監控系統較小時，可根據實際需要進行簡化。控制層能提供充電設施內各運行系統的人機界面，應實現相應信息的收集和實時顯示、設備的遠方控制、以及數據的存儲、查詢和統計等，并可與相關系統通信。間隔層能采集設備運行狀態及運行數據，上傳至控制層，并接收和執行控制層的控制命令。
5安科瑞充電樁收費運營云平臺
5.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。
5.2應用場所
適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。
5.3系統結構
5.3.1系統分為四層：
1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據中心層和客戶端層。
2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。
3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。
4）數據中心層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。
5）應客戶端層：系統管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。
小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。
5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能
5.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。
5.4.2實時監控
實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。
5.4.3交易管理
平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。
5.4.4故障管理
設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。
5.4.5統計分析
通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。
5.4.6基礎數據管理
在系統平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。
5.4.7運維APP
面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送
5.4.8充電小程序
面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。
5.5系統硬件配置
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類型 |
型號 |
圖片 |
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安科瑞充電樁收費運營云平臺 |
AcrelCloud-9000 |
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安科瑞響應國家節能環保、綠色出行的號召，為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kW交流充電樁，30kW壁掛式直流充電樁，智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來滿足新能源汽車行業快速、經濟、智能運營管理的市場需求，提供電動汽車充電軟件解決方案，可以隨時隨地享受便捷高效安全的充電服務，微信掃一掃、微信公眾號、支付寶掃一掃、支付寶服務窗，充電方式多樣化，為車主用戶提供便捷、高效、安全的充電服務。實現對動力電池快速、高效、安全、合理的電量補給，能計時，計電度、計金額作為市民購電終端，同時為提高公共充電樁的效率和實用性。 |
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互聯網版智能交流樁 |
AEV-AC007D |
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額定功率7kW，單相三線制，防護等級IP65，具備防雷 保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍牙支持刷卡，掃碼、免費充電可選配顯示屏 |
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互聯網版智能直流樁 |
AEV-DC030D |
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額定功率30kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠 程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電 |
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互聯網版智能直流樁 |
AEV-DC060S |
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額定功率60kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電 |
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互聯網版智能直流樁 |
AEV-DC120S |
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額定功率120kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電 |
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10路電瓶車智能充電樁 |
ACX10A系列 |
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10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、計量、告警上報。 ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，免費充電 ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW：防護等級IP65，支持刷卡、免費充電 ACX10A-MW：防護等級IP65，僅支持免費充電 |
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2路智能插座 |
ACX2A系列 |
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2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護等級IP21，支持刷卡充電 |
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20路電瓶車智能充電樁 |
ACX20A系列 |
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20路承載電流50A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX20A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN：防護等級IP21，支持刷卡，免費充電 |
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落地式電瓶車智能充電樁 |
ACX10B系列 |
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10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、計量、告警上報。 ACX10B-YHW：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告 |
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智能邊緣計算網關 |
ANet-2E4SM |
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4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。 |
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擴展模塊ANet-485 |
M485模塊：4路光耦隔離RS485 |
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擴展模塊ANet-M4G |
M4G模塊：支持4G全網通 |
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導軌式單相電表 |
ADL200 |
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單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，輸入電流：10（80）A； 電能精度：1級 支持Modbus和645協議 證書：MID/CE認證 |
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導軌式電能計量表 |
ADL400 |
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三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相總有功電能，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計；紅外通訊；電流規格：經互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 證書：MID/CE認證 |
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無線計量儀表 |
ADW300 |
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三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級（改造項目推薦） 證書：CPA/CE認證 |
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導軌式直流電表 |
DJSF1352-RN |
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直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量，復費率電能統計，SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入較大1000V，電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級，1路485通訊，1路直流電能計量AC/DC85-265V供電 證書：MID/CE認證 |
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面板直流電表 |
PZ72L-DE |
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直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級 證書：CE認證 |
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電氣防火限流式保護器 |
ASCP200-63D |
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導軌式安裝，可實現短路限流滅弧保護、過載限流保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監測、線纜溫度監測等功能;1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊(選配);額定電流為0~63A，額定電流菜單可設。 |
6結語
為了我國汽車能源結構的轉變，應普及電動汽車充電設備的建設。未來幾年電動汽車充電設施的設計仍會是電氣設計師們關注的重點。地下車庫電動汽車充電設施的電氣設計，應結合當地相關規定設置配套的充電樁。電氣設計師應立足規范，收集相關數據，密切跟蹤新產品及技術的發展，不斷優化調整設計方案，做到經濟合理。
參考文獻
- GB 50966-2014 電動汽車充電樁設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2014.
- GB 50016-2014 建筑設計防火規范[S].北京：中國計劃出版社，2014.
- 張安鋒,王文靜.論住宅小區電動汽車充電樁的電氣設計.《建筑學研究前沿》2017年第26.
[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.
