某商場增加電動汽車充電設施的電氣設計

李軼凡，林 昊

（1.中鐵電氣工業有限公司保定鐵道變壓器分公司，河北 保定 071051；2.榮盛建筑設計有限公司，河北 廊坊 065001）

0 引言

“十三五”期間，我國充電基礎設施實現了跨越式發展，充電技術水平快速提升，標準體系逐步完備，產業生態穩步形成，建成了世界上數量最多、輻射面積最廣、服務車輛最全的充電基礎設施體系。但快速發展的背后仍存在居住社區建樁難、公共充電設施發展不均衡、用戶充電體驗有待提升、行業質量與安全監管體系有待完善等突出問題，亟須加快相關技術、模式與機制創新，進一步提升充電服務保障能力。到“十四五”末，我國電動汽車充電保障能力將進一步提升，形成適度超前、布局均衡、智能高效的充電基礎設施體系，能夠滿足超過2000萬輛電動汽車的充電需求[1]。

近幾年，隨著國家對電動汽車發展重視程度的逐漸提高，并為了加強新能源汽車的市場推廣，政府及有關部門加大扶持力度，紛紛提出了與新能源汽車產業相關的發展和應用措施，并在政策中從財政補貼、公共試點、減免稅收以及管理規定等方面入手，提出了更為具體的指導意見及要求。例如，河北省出臺《關于加快提升充電基礎設施服務保障能力的實施意見》，要求全省各市進一步優化主城區公共充電網絡布局，加大外圍城區公共充電基礎設施建設力度，因地制宜布局充電站，擴大網絡覆蓋范圍，提升公共充電服務保障能力。鼓勵充電運營企業通過新建、改建、擴容、遷移等方式，逐步提高快充樁占比，并合理更換老舊充電樁，提升公共充電基礎設施利用效率和用戶充電體驗。鼓勵建設占地少、成本低、見效快的機械式與立體式停車充電一體化設施。根據各地新能源汽車推廣的實際情況，到2025年，河北省各市要建成不少于1個繁華商圈快充站，充電基礎設施不低于停車位20%的示范工程[2]。

1 項目概況

某商場位于某市市區繁華地段，占地約10 000 m2。既有商場變配電所位于商場建筑物地上設備層，變配電所內共設置2臺2500 kVA變壓器，10 kV高壓電源分別取自不同的兩路10 kV電源，互為備用。因建成時間較早，該商場變配電所沒有預留有關電動汽車充電設施的容量。

為提升公共充電基礎設施利用效率和顧客體驗，現計劃將部分停車位改造為電動汽車充電樁的停車位，一期計劃改造30個車位。

2 方案設計

本項目既有停車場分為室內地下停車場和室外地上停車場。改造既有停車位，可以考慮改造室內地下停車場，也可以考慮改造室外地上停車場。

方案1：改造既有室內地下停車場。利用既有室內地下停車場電源配電箱備用回路為充電樁供電。充電樁電源容量需求較大，經現場勘察，既有配電箱內備用回路不能滿足數量較多的充電樁電源需求，室內地下停車場也無法增加新的配電柜為充電設施供電，故舍棄方案1。

方案2：改造室外地上停車場。因該商場建成時間較早，設計既有變配電所時未考慮充電設施容量，另根據國家電網公司的有關規范要求，為方便后期運營管理，本項目需進行電力增容，設置充電樁專用變壓器，分為2種方案。方案2-1為在既有變配電所內增加專用變壓器及高低壓成套設備；方案2-2為在室外停車場盡頭空地處增加專用箱式變電站。綜合考慮既有變配電所內平面空間及項目整體方案的經濟性，推薦采用方案2-2。

3 充電樁配置方案選擇

3.1 市場概況

電動汽車和充電樁行業發展迅速，交流充電樁主要以7 kW產品為主，直流充電樁有30 kW、60 kW、120 kW、150 kW等多種產品。目前某外資品牌乘用車已支持最高250 kW直流充電，國產品牌乘用車已支持最高150 kW直流充電。隨著行業的發展，電動汽車車載電池容量會越來越大，目前，電動汽車車型車載電池容量最高可達150 kW·h，大多數車型車載電池容量達到50 kW·h～100 kW·h。

充電樁配置方案選擇要同時考慮整個充電站覆蓋范圍內的電動車輛數量和車主對充電樁的具體要求。一方面要通過對充電站位置的分析以及對周邊交通道路位置的處理，研究整個覆蓋范圍內所有車輛進入充電站需要的時間，以及整個覆蓋區域內的車輛數量。另一方面要分析車輛在行進動中對充電站的具體要求，從而分析整個區域內需要建設的充電站數量，防止車輛在行進過程中由于缺乏充電站的支持導致無法行駛[3]。

電動汽車充電過程分為預充電、恒流充電、大電流正負脈沖充電等3個階段。考慮本項目目標客戶群體以商場顧客為主、營運車主為輔，顧客在商場內停留時間多數在1 h以上、營運車主在商場內停留時間在1 h左右，故直流充電樁選擇應滿足在1 h內為客戶的電動汽車充入80%以上電量的要求，交流充電樁應滿足不支持快充的電動汽車車主和停留時間較長的人群（如商場工作人員）的需求。本項目推薦搭配布置120 kW直流充電樁、60 kW直流充電樁及7 kW交流充電樁。

3.2 方案選擇

雖然按照圖集18D705-2《電動汽車充電基礎設施設計與安裝》的相關要求，大型商業及商業綜合體交直流配比為（8:1）～（4:1），但考慮到目前市場對快充的需求日益增大，尤其是對120 kW直流充電樁及60 kW直流充電樁的需求較大，為減少近期設備更換造成的損失，故120 kW直流充電樁、60 kW直流充電樁、7 kW交流充電樁配比為2:2:1，即120 kW直流充電樁12臺、60 kW直流充電樁12臺、7 kW交流充電樁6臺。

4 配電方案設計

4.1 負荷計算

充電樁容量計算公式如下：

系數Kt取0.80；工作效率η1、η2、η3均取0.95；功率因數cos?1、cos?2、cos?3均取0.90；需要系數Kx1、Kx2取0.60，Kx3取0.70。計算如表1所示。

表1 負荷計算

4.2 電源方案

根據負荷計算結果，室外停車場盡頭處對稱布置2臺800 kVA、10/0.4 kV箱式變電站，為充電樁提供電源。

因管理系統需要，新增交換機、服務器、工作站、打印機、顯示器等設備，總負荷約為8 kW。管理系統電源需求較小，設備集中布置在商場既有通信機房內，可利用既有通信機房內備用電源進行供電，無須額外增加電源。

4.3 設備選擇

4.3.1 充電樁

一期共增加12臺120 kW直流充電樁、12臺60 kW直流充電樁、6臺7 kW交流充電樁。因既有停車場為露天停車場，充電樁需選用防護等級較高、有防雨設計的一體機產品。

出于經濟性和市場需求考慮，120 kW直流充電樁、60 kW直流充電樁可采用雙槍同充充電樁，以覆蓋更多停車位。本文暫不討論雙槍充電樁方案。

4.3.2 箱式變電站和充電樁終端配電箱（柜）

2臺箱式變電站選用歐式箱變。變壓器選用干式變壓器，裝設溫度傳感器，預留將采集信息上傳到管理系統的功能；箱體增加百葉窗和排風扇，采用強迫空氣冷卻；高壓方案采用SF6全絕緣柜，進線柜設置微機保護裝置；低壓方案采用GGD固定式低壓配電柜，并設置240 kVar無功補償裝置，饋線回路裝設智能電力儀表，預留將電壓、電流、功率等電氣參量采集并上傳到管理系統的功能。通過加裝傳感器、智能儀表等措施，可實現對箱式變電站的智能化管理。

充電樁終端配電箱（柜）采用常規設計，但按照《民用建筑電氣設計標準》（GB 51348—2019）的要求，回路需設置限流防火保護器[4]。另外按照圖集18D705-2《電動汽車充電基礎設施設計與安裝》的要求，應設置漏電保護和計量裝置。

4.3.3 電纜

高、低壓電纜均選用阻燃、鋼帶鎧裝交聯聚乙烯絕緣護套電力電纜，該電纜滿足電氣和消防設計要求。

5 管理系統設計

根據規范，應當設置充電監控管理系統，系統應具備數據采集、控制調節、數據處理與存儲、事件記錄、報警處理、設備運行管理、用戶管理與權限管理、報表管理與打印、可擴展、對時等功能。充電樁繳費方式建議采用APP支付繳費或小程序支付繳費，充電樁設備單體采用物聯網卡接入無線網絡，因此，充電站運營服務器可設置在云平臺，只需在既有通信機房內增加有關設備。另外，根據運營方的要求，充電監控管理系統應與停車場系統相匹配。停車場安防系統、停車場收費管理系統均利用既有設施，充電樁電氣火災系統接入既有商場電氣火災系統。

針對以上需求，管理系統只需接入外網即可，管理系統設計如圖1所示。

圖1 管理系統設計

6 平面布置和防雷接地設計

充電樁位置集中、有序布置在車位同一側，且盡量縮短和箱式變電站的距離，保證供電半徑。箱式變電站位置在停車場盡頭，方便車輛出入，外形美觀，與建筑物協調。充電樁、終端配電箱（柜）、箱式變電站與其他建筑物間距離符合有關電氣、消防規范，基礎應高出地面200 mm。充電車位設置車擋或其他防撞設施，防止充電車輛撞壞充電樁。

根據圖集18D705-2《電動汽車充電基礎設施設計與安裝》的要求，充電樁周圍、室外電動汽車充電車位地面下0.15～0.30 m設置間距為0.6 m×0.6 m的網格狀等電位均衡線，并向外延伸0.6 m。車擋與等電位均衡線可靠連接，等電位均衡線與接地極可靠焊接[5]。

本項目防雷接地按圖集18D705-2《電動汽車充電基礎設施設計與安裝》的要求進行設計，保證電動汽車充電用戶的人身安全。

7 結語

目前在既有建筑停車場增加電動汽車充電設施的需求越來越大，未來幾年仍會是行業關注的焦點。只有根據電動汽車和充電設備發展趨勢，以及確定目標客戶，合理確定充電樁配置方案、供配電方案，充電設施才能達到經濟實用的目標。本文只是針對一個項目進行分析，希望本文的分析和探討能對今后相關項目有所幫助。