民用建筑地下車庫充電樁配電設計解決方案

趙 蕾

(廣州市城市規劃勘測設計研究院， 廣東 廣州 510060)

民用建筑地下車庫充電樁配電設計解決方案

趙 蕾

(廣州市城市規劃勘測設計研究院， 廣東 廣州 510060)

介紹了當地規劃管理部門對新建不同業態停車場充電樁數量的設置要求，分析了在充電樁容量計算中，影響需要系數取值的因素，提出了不同情況下需要系數的取值建議。通過實例介紹，對不同的供電方案進行比較，提出在供配電設計中，應結合當地情況選擇適合的供電方案，做到既要符合規定、適度超前，又要經濟合理、節能環保。

充電樁 負荷計算 需要系數 變壓器容量 供電方案

0 引言

當前，我國電動汽車已經進入快速推廣應用時期，國家各級政府均有出臺相關的指導意見和實施辦法。2016年6月，廣州市國規委根據住建部下發的《住房城鄉建設部關于加強城市電動汽車充電設施規劃建設工作的通知》( 【2015】199 號)，提出新建項目的規劃條件、修規批復以及在《工程建設審核書》中增加以下要求：新建住宅配建停車位應100%建設充電設施或預留充電設施安裝條件(包括電力管線預埋至車位和電力容量按至少7kW/車位預留),新建辦公、商場、酒店等公建配建的停車場和社會公共停車場，建設充電設施或預留安裝條件(包括電力管線預埋至車位和電力容量按至少7kW/車位預留)車位比例不低于30%。這個比例要求目前在全國各大城市中是最高的。根據規劃部門的修規批文要求，在新建項目設計中必須將充電樁的設置落實在方案、初設和施工圖設計等各個階段。本文結合近期已完成或進行中的設計項目，對充電樁供配電設計如何滿足管理部門要求提出一些看法和解決方案。

1 充電樁的分類和技術參數

直流充電裝置：俗稱“快充”，用于為電動車提供充電電源，由充電機柜和直流充電樁組成。其特點是輸入電壓采用三相四線AC 380V±15%，頻率50Hz,輸出為可調直流電，直接為電動汽車的動力電池充電。可以提供足夠大的功率，輸出的電壓和電流調整范圍大，充電速度快(1～2h滿載)，滿足各類車型的充電要求，但電池損耗大，且裝置占地面積大。主要適用于城市交通停車場、高速公路停車場、企業專用停車場，少量設在大型商業辦公停車場。

交流充電樁：俗稱“慢充”，用于為具有車載充電機的電動車提供充電電源，分單相和三相兩種。其特點是不帶整流器、需連接車載充電機為電動汽車充電、系統簡單、占地面積小、安裝方便，但充電時間較長(5～8h滿載)。主要適用于住宅小區停車場、大型商業辦公及公共停車場。

住宅小區的停車場主要設置交流充電樁，商業辦公的停車場通常是根據停放電動車的進出頻率將直流充電樁和交流充電樁按適當的比例設置。根據生產廠家提供的相關資料，民用建筑地下停車庫常用的充電裝置技術參數如表1所示。

表1 民用建筑地下停車庫常用的充電裝置技術參數

2 用電負荷等級

地下停車庫的用電負荷等級在JGJ 100-2015《車庫建筑設計規范》中規定，特大型(>1 000輛)和大型車庫(301～1 000輛)按一級負荷供電；中型車庫(51～300輛)按二級負荷供電；小型車庫(<50輛)按三級負荷供電。而充電樁供電的用電等級根據其使用功能，可不考慮車庫的規模，均按三級負荷設計。充電樁的智能監控系統用電按二級以上負荷設計，系統設置UPS電源作為備用電源。

3 充電樁容量計算

3.1 充電負荷的計算方法

單臺充電機輸入容量見式(1)。

S=P/(ηcosφ)

(1)

式中，S為單臺充電機的輸入容量， kVA；η為充電機效率，取0.9；cosφ為充電機功率因數，取0.9。

停車場內充電機輸入總容量見式(2)。

SΣ=Kx(S1+S2+…+Sn)=Kx(P1/η1cosφ1

+P2/η2cosφ2+…+Pn/ηncosφn)

(2)

式中，SΣ為充電機的輸入總容量，kVA；Kx為充電機需要系數；P1、P2、…Pn為各臺充電機的輸出功率，kW；η1、η2…ηn為充電裝置的效率，取0.9；cosφ1、 cosφ2…cosφn為各臺充電機的功率因數，取0.9。

3.2 需要系數Kx的取值分析

充電樁需要系數的取值在現行的設計規范和設計手冊中尚未規定，計算中大型停車場設置數量較多的充電樁用電容量，尤其是充電樁占車場車位為100%比例的用電容量，需要系數Kx取值對項目的配電設計影響較大，比如供電方案的確定、變壓器容量的計算、配電電纜截面的選擇等。下面按幾種情況分析影響需要系數取值的因素，并給出取值建議。

對于住宅小區的地下停車庫，充電樁按100%的車位數設置，需要系數Kx的取值應考慮以下因素。

1)根據公安部交管局的統計數據，2016年全國汽車的保有量為1.94億輛，全國新能源汽車的保有量為109萬輛，即當前新能源汽車約占現有汽車總量的0.6%；根據國家新能源汽車發展規劃，在2020年新能源汽車的年銷量將達到汽車市場總需求的5%，到2025年為25%；位于倫敦的知名市場研究公司IHS Markit預測，20年后，全球電動汽車的數量占總汽車量比例最高可達到35%。假設住宅小區停車庫的電動汽車數量僅占停車庫總車位的35%，充電樁容量的需要系數Kx則可<0.4。

2)當前市面上常見的電動汽車續航里程普遍為150～250km,停放在住宅小區車庫的家用私車車主每日上下班的往返里程平均在50km左右。考慮電動汽車充電(需在非完全放電狀態下)、天氣路況、駕駛習慣、計量誤差及車主可隨時在公司的專用停車場或途中的公共停車場充電等多種因素，家用私車返回居住小區的停車庫只需要每隔1～2天充電，住宅停車庫充電樁容量的需要系數Kx可降低。

3)電動汽車多采用鋰電池，充電電流較大的快速充電易影響電池壽命甚至發生爆炸?？紤]電動汽車電池的技術限制，在實際充電時難以達到充電樁的額定功率，各種電動車充電器的充電功率并非等于充電樁的額定功率，如中型中速充電的比亞迪e6、寶馬i3、特拉斯ModelS1等車型的額定功率為6.3kW，而交流充電樁的額定功率為7kW。計算充電樁容量時，需要系數Kx可降低。

4)住宅小區的停車庫大都是住戶的私家固定車位，白天空置很多，電動汽車充電主要集中在晚上下班(19：00之后)，使用慢充達4h以上。充電樁用電與住宅小區的公建配套和少量商業用電由住宅專用變壓器供電，此時公建配套和少量商業用電處于用電低谷時段，變壓器主要為充電樁供電，需要系數Kx可降低。

綜上所述，充電樁按100%的車位數設置的需要系數Kx建議為0.15～0.25。

假設停車庫的電動汽車占停車庫車位的比例不變(35%)，需要系數應根據充電樁數量相應調整占車位的比例，比例越高，需要系數越低。充電樁設置占車位30%左右，建議需要系數為0.45～0.55，充電樁設置占車位15%左右，需要系數為0.7～0.8。

對于商業辦公地下停車庫，假設充電樁按30%的車位數設置。除上述因素外，需要系數的取值還要考慮到商業辦公停車庫主要停放商業消費客戶的客戶私車、商業辦公員工的家用私車兩類汽車，前者汽車進出頻繁，停車時間較短；而后者大部分汽車在上班期間長時間停留。充電樁的類型應根據這兩類車的特點來設置：以交流慢充為主，主要為商業辦公員工私車使用；以直流快充為輔，主要為商業專用車或商業客戶私車使用。直流充電樁和交流充電樁配置比一般可按1∶5設置，前者數量少、使用率相對高，Kx值建議取0.6～0.7；后者數量多、使用率高，Kx值建議取0.5～0.6。

停車場的充電樁按防火分區配電，由低壓配電房引出配電干線至防火分區充電樁的配電箱。民用建筑地下層每個防火分區面積≤4 000m2，車位平均占地面積為40m2，即每個防火分區的車位數為100輛左右。如果按7kW/車位、充電樁按車位100%計算，每個防火分區的充電樁容量可達700kW，按車位30%計算，充電樁容量為210kW,配電干線的需要系數根據充電樁的數量確定，建議取0.6～0.8。

總之，充電樁容量計算中需要系數的取值應根據車庫的規模、充電樁設置占停車庫車位的比例、不同業態停車庫的充電樁類型和充電樁的總量合理確定，系數過高，變壓器容量計算偏大，變壓器的負荷率偏低，供配電設備投資加大；系數過低，充電樁使用數量受限，配電系統不能滿足需求。只有合理取值，供配電系統設計才能達到經濟節能，遠近兼顧。

4 充電樁的供電方案分析

某高層商住樓一、二層為公建配套及商業，三層以上為住宅用房。地下層為車庫及設備用房，車位為502個。按當地供電部門的管理要求，商住樓的供電須將住戶的用電與裙樓的住宅公建配套及商業用電、地下車庫用電分開，設置兩套變配電房，分別引10kV電源供電。住宅用電的變電房為公用電房，設備運行與維護由供電部門負責；裙樓的公建配套和商業用電、地下車庫用電由專用電房供電，專用電房由業主自行管理；停車場的電動車充電樁用電歸為專用電房的專變供電。

公建配套和商業用電及地下車庫的總計算容量S1=605kVA(未計充電樁用電)。

地下車庫充電樁約502個，全部選用單相交流樁，按7kW/樁位計算，K1取0.2，K2取0.8。

商住樓的專變供電方案一 :根據公式(1)、(2)得出S2=K1×502×7/0.9×0.9=867kVA(充電樁按停車庫車位100%設置的用電容量)，S=S1+S2=1 472kVA，選2臺 1 000kVA的變壓器，負荷率為74%。

商住樓的專變供電方案二:S3=K2×0.1×502×7/0.9×0.9=347kVA(充電樁按停車庫車位10%設置的用電容量)，S=S1+S3=952kVA，選用1臺1 250kVA變壓器，負荷率為74%。S=K1×0.9×502×7/0.9×0.9=780kV(充電樁按停車庫車位90%設置的用電容量)，選用1臺1 000kVA的變壓器，負荷率為78%。

方案一中充電樁數量按車位的100%設置，加公建配套及商業用電容量，工程需選用2臺1 000kVA的變壓器供電。該供電方案按當地規劃管理部門對充電樁的設置要求設計，所有配電裝置一次到位。隨著充電樁需求量的增加，無需對建筑擴容改造，可以滿足用戶對充電樁的最大需求，但近期一次性投資大，大量充電樁閑置，變壓器負荷率極低，不利于節能。

方案二是充電樁數量先期按車位的10%設置，加公建配套及商業的容量，選用1臺1 250kVA的變壓器供電；余下90%的充電樁用電經負荷計算可選用1臺1 000kVA的變壓器供電。該變壓器暫不安裝，僅預留變壓器房位置，高、低壓電房均按充電樁為100%容量預留電柜的位置。該方案先期可以滿足10%的充電樁用戶需求，甚至短時可滿足15%的充電需求(經計算此時變壓器負荷率達90%)，但在后期，隨著充電樁需求量的增加，再進行工程簡單改造，在預留的位置增加相應的配電設備，即可達到用戶的要求。

根據上述分析，筆者認為在設計方案階段選用方案一，按100%的車位計算充電樁的總容量，估算變壓器的容量和數量、電房所需的面積以及合適的設置地方。在初設和施工圖階段選用方案二，按10%的車位計算充電樁總容量，選擇變壓器的容量，確定供電方案。

以上變壓器的容量是按充電樁可滿足預測20年電動汽車的占有率計算。變壓器的使用壽命一般為20～30年，20年后電動汽車的占有率大幅提高時，通過更換大容量的變壓器及增加配電設備來滿足充電樁供電的需求。

需要強調的是，方案的設計除應滿足當地政府的相關規定外，還需與供電部門和業主共同商討，結合當地當前電網的供電能力和業主的需求來確定。

5 充電樁末端配電的幾個問題

1)配置充電樁的車位選擇應綜合考慮電動車的類別、進出建筑車流的特點、車位在地下層的位置、配電的要求及管理維護，通常慢速充電樁設置在各層不同的防火分區，快速充電樁設置在車庫進出口附近的防火分區。總數不多的情況下充電樁應盡量集中設置在同一防火分區。

2)充電樁配電可在各防火分區內設若干個配電箱，安裝在充電樁車位附近的強電間內或便于操作的地方，并根據充電樁配電箱的數量在電房低壓柜引出相應數量的回路直接供電。

3)充電樁的安裝方式有壁掛式和落地式。壁掛式可安裝在墻上或柱上，不占用車位空間；落地式充電樁通常安裝在車位端部，安裝基礎離地0.3 m。有條件應盡量選擇壁掛安裝。

4)配電箱至充電樁的出線回路均設置短路保護和剩余電流保護功能的低壓斷路器，其剩余電流保護額定動作電流為30mA。

5)饋線電纜采用阻燃低煙無鹵交聯聚乙烯絕緣電力電纜，選用線槽沿板底或梁底明敷，再穿線管明敷至充電樁。為了安裝方便靈活，管線盡量明敷。

6 結束語

各地政府對不同業態的停車場充電樁占車位比例有不同的要求，在充電樁供配電設計中，應選取合適的需要系數，合理確定供電方案，既要符合當地政府要求、使用便利、適度超前，又要結合當地情況、經濟合理、節能環保。

[1] Q/CSG 11516.2-2010 電動汽車充電站及充電樁設計規范[S]．廣東：中國南方電網有限責任公司， 2010.

[2] 國家制造強國建設戰略咨詢委員會.《制造2025》重點領域技術線路圖[C].2016-01-18.

[3] 王雪，肖賀. 地下車庫汽車充電樁的變壓器容量指標設計[J]. 建筑電氣，2017(3)：48-52.

Methods of Distribution Design for Charging Pile in Underground Garage of Civil Building

Zhao Lei

The setting requirements of the charging pile number in different formats by the local planning management department is introducing, and the influencing factors’Kxof electricity capacity calculation for the charging piles is analyzing, and the value ofKxfor different situations is advized. Through compared from some different power supply scheme examples, showing that should be combined with local conditions to choose the suitable power supply scheme in the design of power supply and distribution. To make sure the designing conforms to the regulations, moderate advance, reasonable and economic, energy conservation and environmental protection.

charging pile， load calculation，Kx， transformer capacity， power supply scheme