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技術文章

淺談居住區電動汽車充電樁管理及設計研究

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淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要:充電樁是電動汽車需具備的充電設施,加強對電動汽車充電樁的設計研究,可推動電動汽車的發展。就地下車庫電動汽車充電樁設計進行了研究,并結合工程實例,探討了充電樁的負荷計算、供配電系統設計、配電充電監控系統設計等,可為類似地下車庫充電樁設計提供有益的借鑒作用。

 

關鍵詞:地下車庫;充電樁;監控系統;鋰電池

 

  近年來,隨著經濟的發展和人們低碳環保理念的提升, 我國政府大力推進新能源汽車的應用。而電動汽車以其節能、環保、清潔等優點,成為了未來新能源汽車發展的大方向。充電樁作為電動汽車需具備的充電設施,是電動汽車產業鏈中 *的組成部分,其設計關系到電動汽車產業的發展。鑒于此,研究電動汽車充電樁的設計十分重要。

 

一、車位與充電樁的比例

  在電動汽車中很重要的兩個參數是動力電池的能量密度和續駛里程。鋰電池目前使用壽命 5~8 年,充電循環壽命 600~1 000 次。為了保持電池良好,延長電池壽命,電量下降到 百分之二十時需要充電,充電到電量的 百分之八十~百分之九十時即停止充電。電動汽車續駛里程以前為 150 km 左右,目前可以達到 200 km 以上,隨著技術進步電池能量密度的提高,新產品出臺后續駛里程將能達到 300 km 以上,這樣的續駛里程基本上可以滿足大部分人通勤里程和短途出行的需求。

按新能源汽車發展的路線圖,電動汽車續駛里程大、充電時間短后,其普及率將提高。對于一般居民,以續駛里程300 km 進行計算,可行駛里程約 120 km,以每天平均通勤里程約 40 km 計算,則每臺電動汽車需要 3 d 充 1 次電,即車位與充電樁比例為 3∶1,按總車位的 百分之三十設置充電樁。

 

二、 負荷等級及負荷計算

  住宅小區電動汽車主要以通勤為主,按照規定,其配電充電監控系統用電為二級負荷,其他負荷為三級負荷。慢充樁的充電電流小、充電時間長,電池壽命可以延長,多數居民早出晚歸,適用于設慢充樁。

  本文以某住宅小區為例,其地下室為設備用房及 450 輛大型地下車庫,按車樁比 3∶1 計算,則需設 150 個慢充樁, 參照相關規范規定,每 50 個充電樁設 1 個充電站,共設 3 個充電站,每個充電站與建筑商定設為一個防火分區, 為了節約投資并節能,1 號充電站位于 1 號變電所旁,2 號和 3 號充電站位于 2 號變電所旁,線路較短,電能損耗較短小。負荷計算方面,按能源行業標準《電動汽車交流充電樁技術條件》(NB/T 33002—2010),每個慢充樁設備容量約 7 kW(AC220 V 單相供電),cosφ>0.95,這里取 cosφ=0.85。

  對于每個充電站,ΣPe=50×7=350 kW,按照相關規范條文及其說明,取 Kx=0.5,ΣPjs=350×0.5=175 kW,ΣIjs=ΣPjs/( Ucosφ)=175/(×0.38×0.85)=313 A。

 

三、供配電系統

  該工程充電站設配電充電監控系統,對變壓器負荷率實時監控,使其高峰期負荷率不大于百分之一百(留百分之十裕量,根據(GB/T 1094.12—2013)《電力變壓器第 12 部分:干式電力變壓器負載導則》,環境溫度為 30 ℃時,H 級絕緣干式變壓器負荷率為 百分之一百一),以保證變壓器壽命。

  該小區變電所設計變壓器負荷率≤百分之八十,還有可用容量≥百分之二十,變壓器總容量為 2 000 kVA,慢充樁一般在低谷期充電,由于每個充電站ΣPjs=175 kW,3 個充電站總負荷為525 kW,不需加大變壓器容量。每個充電站設 5 個充電樁配電箱,每個慢充樁配電箱 10 路出線。

 

四、配電充電監控系統(含計量)

  圖 1 為配電充電監控系統圖。充電站應設配電充電監控系統,分間隔層、站控層,間隔層通信介質采用 RS485 多層屏蔽雙絞線,通信距離可達 1 200 m,各測控單元的功能如表 1 所示,站控層主機等置于兩個變電站之間塔樓上面的物管用房。充電樁支持不同的充電費用支付方式,包括充電 IC 卡、二維碼、支付碼、支付寶、手機等,并兼容該地區充電APP。

 

五、諧波治理

  充電機負載為電力電子器件和電池,含非線性負荷,一定嚴格限制諧波畸變率,避免影響變壓器、電動機、電容器及其他設備的正常運行和計量造成誤差等:①所用的充電機諧波分量應符合國家標準《電磁兼容限值諧波電流發射限值(設備每相輸入電流≤16 A)》(GB 17625.1—2012)和《電磁兼容限值對額定電流大于 16A 的設備在低壓中產生的諧波電流的限制》(GB/Z 17625.6—2003)的有關規定;②采取有效的諧波治理措施。

 

六、消防、安防及其他

  具體有以下要求:①消防、安防、通風等納入地下室車庫整體設計。執行《汽車庫、修車庫、停車庫設計防火規范》(GB 50067—2014)、《車庫建筑設計規范》(JGJ 100—2015)等相關規范;②安防監控系統包括環境監控、設備安穩監控、防火、防盜及視頻監控等,對充電站的環境一目了然;③充電設施產生的噪聲限值應符合《聲環境質量標準》( GB 3096—2008);④變配電設備、充電設備的抗震措施應符合《工業企業電氣設備抗震設計規范》(GB 50556—2010)和《建筑機電工程抗震設計規范》(GB 50981—2014);⑤充電站設置 20 m×20 m 等電位接地網;⑥充電站設指引及停車位標識,其符號參閱相關規范規定;⑦充電站配電系統雷電防護等級按 C 級配置各級 SPD 參數;⑧充電樁較多,即整個系統非線性負荷大,投運后應實測電磁輻射值是否超標,應符合《電磁環境控制限值》(GB 8702—2014);⑨實施后,應以充電樁招標后的參數為依據,修正相關供配電系統設計參數;⑩該項目投運后,應實測實際充電總功率、諧波分量等,采取相應的對策。

圖 1 配電充電監控系統圖

 

 

表 1 監控系統配置方案

 

七、安科瑞充電樁運營管理平臺

 

 

1、系統架構

 

 

 

  安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控,同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警;用戶通過小程序掃描二維碼,進行支付后,系統發起充電請求,控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。

充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網,配合加密技術和秘鑰分發技術,基于TCP/IP的數據交互協議,與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能,具體功能如下:

資源管理:充電站檔案管理,充電樁檔案管理,用戶檔案管理,充電樁運行監測,充電樁異常交易監測

交易結算:充電價格策略管理,預收費管理,賬單管理,營收和財務相關報表

用戶管理:用戶注冊,用戶登錄,用戶帳戶管理,消息管理

充電服務:充電設施搜索,充電設施查看,地圖尋址,在線自助支付充電,充電結算,導航等

小程序:掃碼充電,賬單支付等功能

數據服務:數據采集,短信提醒,數據存儲和解析

變壓器監控:監控充電站變壓器負荷,每個充電站配備一塊ARCM300T無線表,超負荷時系統自動對充電樁的進行調度管理,即當負荷超過百分之五十時,系統會限制新增開始充電的充電樁的功率,降為百分之五十,當變壓器負荷超過百分之八十時,系統將不允許新增充電樁開始充電,直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼,進行登錄,防止未授權人員瀏覽有關信息。

 

 

2.2平臺首頁

  平臺首頁總覽每天的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長,累計的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長,以及相應的環比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

 

 

2.3實時監控

?充電站監控

充電站監控頁面監視用戶充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等,匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時長,進行負荷限制、故障查詢。

 

 

?充電槍監控

充電樁監控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時長等、充電電壓電流等參數。

 

 

2.4小程序

?搜索與使用

小程序可以通過掃描二維碼文字搜索找到,點擊后可以加入到小程序列表,如下圖所示

    

?授權登錄界面

用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時,會進入這個頁面,需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁面,如圖所示

       

?主功能頁

初次進入主功能頁時需要授權定位才可以使用地圖相關功能,在地圖上查看到當前所在區域的充電站,查看充電站信息,可以進行掃碼充電操作,地圖導航等

    

?充電

掃描充電槍上的二維碼,如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面,可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱,以及當前的賬戶余額,電價和預計可充電量等數據,還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進進行評價。

   

?個人信息

個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額,同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能

      

 

3、硬件配置

3.1平臺服務器:建議按照我方配置購買,或者客戶自己租用阿里云資源。

硬件配置清單:(如申請阿里云可忽略)

 

若客戶自己租用阿里云服務器,服務器配置根據充電槍點數的不同,分別如下:

3.2現場硬件配置清單:

 

八、總結

綜上所述,充電樁是電動汽車的能量來源,加強其研究才能為電動汽車的發展奠定堅實的基礎。對于住宅小區地下車庫充電樁的設計,車樁比不宜小于 百分之三十,根據居住區特點,優先充分利用住宅變壓器,錯峰充電,充電設施宜納入充電服務信息公共平臺。同時,相關企業應該加大對電動汽車的研發推廣力度,嚴格參照國家出臺的相關規范標準在民用建筑中合理設置充電樁,確保電動汽車充電樁安穩、可靠充電, 為今后新能源汽車的發展起到大力作用。

 

參考文獻

[1]劉舉祥,居住區電動汽車充電樁設計研究.

[2]和雅.電動汽車充電樁設計研究[D].南昌:南昌大學,2012.

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版

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