1.1 充電樁的分類和參數(shù)

電動汽車充電設(shè)施包含非車載充電機(jī)和交流充電樁。

非車載充電機(jī)因其充電速度快的特點(diǎn)被稱之為“快充”，其中單臺輸出功率可達(dá)到350kW，充滿電動汽車大約只需要10min。而交流充電樁一般額定功率為7kW，與非車載充電機(jī)相比功率較低，充電時間較長，充滿單臺電動汽車的時間約為7~9h。

非車載充電機(jī)占地面積大，例如100kW的中型非車載充電機(jī)占地面積約為0.64m2，投資費(fèi)用較大。目前大部分電動汽車都支持交直流兩種充電方式，在公共充電樁（站）可采用非車載充電機(jī)快速充電，滿足出行電量不足的情況；在住宅小區(qū)地下車庫，通常設(shè)置交流充電樁滿足業(yè)主返程后、閑暇之余長時間充電需求。

1.2 充電樁配電容量的計算

式中，S為單臺充電樁的計算容量，kVA；P為單臺充電樁的輸出功率，kW；Kx為需要系數(shù)，此處取值為1；η為充電樁充電時的效率；cosφ為充電樁的功率因數(shù)。

住宅小區(qū)地下車庫充電樁的總計算容量為所有充電樁輸入計算容量的代數(shù)和，因此，充電樁計算負(fù)荷總?cè)萘咳缡剑?）所示：

式中，SΣ為充電樁的輸入總?cè)萘?，kVA；Kx為充電樁同時系數(shù)，其值隨著交流充電樁數(shù)量的變化而調(diào)整；P1、P2、Pn為各臺充電樁的輸出功率，kW；cosφ1、cosφ2、cosφ3——充電樁的功率因數(shù)；η1、η2、η3——電池充電的效率。

折合到變壓器端，可得出車庫變配電室變壓器設(shè)備安裝容量為：

式中，為非充電樁的安裝容量，kVA ；為車庫充電樁設(shè)備總?cè)萘?，kVA ；為車庫變壓器安裝容量，kVA。

1.3 充電樁對車庫變壓器容量設(shè)計指標(biāo)分析

由式（2）可以看出，車庫變壓器安裝容量值的確定，除建筑物內(nèi)電氣用電設(shè)備外，與車庫內(nèi)電動充電樁的計算容量直接相關(guān)，而電動充電樁計算容量的大小，關(guān)鍵是需要系數(shù)的準(zhǔn)確獲取，需要系數(shù)取值過大，會導(dǎo)致變壓器計算容量值過高，不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；取值過小，變壓器配電設(shè)計不能滿足充電用戶用電需求。因此，確定需要系數(shù)對于準(zhǔn)確計算充電設(shè)備容量及設(shè)計變壓器規(guī)格具有重要意義。

需要系數(shù)由實際運(yùn)行的功率獲得：

式中，Pc為計算有功功率，稱為需要功率，kW；Pe為額定功率，kW。 

本文主要討論交流充電樁需要系數(shù)的確定，通常根據(jù)實際運(yùn)行設(shè)計需要系數(shù)，從而確定變壓器額定容量的安裝。但是在實際情況中，影響電動汽車充電功率的因素有很多，例如地下車庫充電車位配比、用戶行為及負(fù)荷波動時間的不確定性，因此需要研究獲得準(zhǔn)確的充電需求特性及其分布的規(guī)律。

結(jié)合相關(guān)已運(yùn)行的住宅小區(qū)地下車庫充電樁的采集數(shù)據(jù)，對確定充電樁的需要系數(shù)提供了可靠依據(jù)。在計算地下車庫的充電樁用電容量和設(shè)計變壓器的安裝容量時，應(yīng)該考慮地下車庫的規(guī)模、充電樁在車庫的配比、充電車主的充電需求和習(xí)慣。

分析目前市場情況，大部分電動汽車的續(xù)航里程為400km左右，平均續(xù)航時間為3~5天，即使考慮到車主不會完全用光電量再充電，也可估計每個車主大約兩天充電一次。此外，考慮單相交流充電柱的額定功率為7kW，而占大部分的電動汽車的功率為6.3kW。因此，這種情況下還可以降低計算地下車庫需要系數(shù)Kx的取值。

充電樁容量計算中需要系數(shù)的取值是進(jìn)行電氣設(shè)計的重要依據(jù)，需要系數(shù)過高，變壓器計算容量偏大，設(shè)備運(yùn)行時變壓器的負(fù)荷率就會偏低，反之亦然。因此，配電設(shè)計階段應(yīng)根據(jù)住宅小區(qū)及用戶使用的情況再次合理調(diào)整需要系數(shù)的取值，供配電系統(tǒng)設(shè)計就能達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

2.1 變壓器負(fù)載率的計算及分析

變壓器繞組的有功損耗與負(fù)載電流平方成正比，正常工作中不得長期運(yùn)行在滿載情況下，因此需要根據(jù)變壓器實際運(yùn)行時的負(fù)載狀態(tài)分析。實際設(shè)備運(yùn)行過程中，若負(fù)荷可以調(diào)整或者轉(zhuǎn)移，應(yīng)避免輕負(fù)載率0.2以下或重負(fù)載率0.85以上運(yùn)行。

依據(jù)GB51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，配電變壓器的長期工作負(fù)載率不宜大于85%，然而在實際投運(yùn)建筑中，變壓器的負(fù)載率往往在40%~50%之間甚至更低，與規(guī)范要求長期運(yùn)行的負(fù)載率上限值之間尚存在一定的余量區(qū)間，可理解為變壓器容量的余度，余度過大會造成變壓器容量的浪費(fèi)和不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

本文針對既有住宅小區(qū)改造擴(kuò)容局限，無法為業(yè)主電動汽車配備充電樁專用變壓器的情況，依據(jù)變壓器長期運(yùn)行負(fù)載率的實際值，合理利用其余度能力，配置相應(yīng)數(shù)量的電動汽車充電樁，使其既能滿足小區(qū)業(yè)主充電的要求，又能達(dá)到最佳負(fù)載率的目的。

2.2 交流充電樁冗余數(shù)量的計算及分析

3.1 定時充電方案

對于住宅小區(qū)電動汽車充電用戶來說，雖然電網(wǎng)運(yùn)營企業(yè)給出峰、谷電價優(yōu)惠政策，但實際情況中，由于業(yè)主的作息時間需要，不能按照電網(wǎng)用電谷值區(qū)間深夜出門充電。

基于電網(wǎng)推出的峰谷分時電價政策，本文提出一種地下車庫充電樁定時充電方案，峰期用戶可以設(shè)置充電延遲時間，在滿足充電需要的前提下，避開電網(wǎng)峰值充電時段。還可以根據(jù)用戶的特殊需要，設(shè)置保底充電時間和完整充電時間，使得峰谷分時電價優(yōu)惠政策真正提高用戶充電的效率。

3.2 自動充電方案

谷期充電策略與定時充電在性質(zhì)上類似，用戶設(shè)置谷期充電模式后根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷谷期自動充電，充電期間若遇到電網(wǎng)用戶負(fù)荷峰值期間，會自動斷電，峰值過后自動充電，該充電方案滿足需求不緊張的用戶。

兩種充電方案都不限制充電時段，都從避開峰值的角度進(jìn)行谷值充電，減輕建設(shè)單位用電負(fù)擔(dān)的同時，減小了電網(wǎng)峰值供電壓力，從而實現(xiàn)用戶和建設(shè)單位的雙贏。

閻宏，甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司工程師。

[1]閻宏,袁幼哲,柳全成.地下車庫電動汽車充電樁配電設(shè)計及變壓器容量優(yōu)化的研究[J].智能建筑電氣技術(shù).2021,15(05):58-61.

本文刊登于《智能建筑電氣技術(shù)》雜志

2021年10月刊

文章有刪減