道路照明系统与电动汽车充电设施一体化设计浅谈

袁 亮，程生平，曹苏陇

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

道路照明系统与电动汽车充电设施一体化设计浅谈

袁 亮，程生平，曹苏陇

(中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

我国将发展电动汽车作为国家战略，以纯电力驱动的电动汽车为发展的主要战略方向，重点发展纯电动汽车、插电式(含增程式)混合动力汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车和插电式混合动力汽车在纯电动模式下单位行驶里程的使用成本及污染物排放较内燃机驱动的汽车有大幅降低，但电动汽车充电基础设施配套不足限制了电动汽车的推广和使用。通过利用城市道路照明供电系统广泛分布的道路照明专用变压器白天处在轻载甚至空载状态的有利条件和相关的技术设备，在允许机动车停靠的路边场地因地制宜地建设分布式电动汽车充电设施，更加便捷地为小型电动汽车(即采用低成本慢充技术路线的车辆)进行充电，可以增强电动汽车的社会使用信心，拓展基础设施投资回报渠道，有效地减少因机动车使用带来的污染物排放。

充电设施;一体化设计;道路照明系统;电动汽车

0 引言

化石能源是目前全球消耗的最主要能源，在汽车的使用过程中大量消耗汽油、柴油、天然气，产生碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫等污染物，威胁全球生态。因此，如何在交通领域使用更清洁的可再生能源是今后发展的方向。我国将发展电动汽车作为国家战略，以纯电力驱动的电动汽车为发展的主要战略方向，重点发展纯电动汽车、插电式(含增程式)混合动力汽车和燃料电池汽车。纯电动汽车和插电式混合动力汽车在纯电动模式下单位行驶里程的使用成本和污染物排放均大大低于传统内燃机驱动的车辆，但由于公用充电设施建设指导思想是以大型快速充电站为主，项目建设需要解决投资、场地、管理维护等多方面的问题，而且在市区建设用地日益紧缺的情况下，建设专用的电动汽车充电站面临诸多难题。导致小型电动汽车(采用低成本慢充技术路线的车辆)驶离专用车位后充电难，如没有固定车位消费者基本不考虑购买电动汽车。如何更加便捷地为电动汽车提供充电电源是相关领域工程技术人员寻找的技术突破口。通过充分利用遍布城区的道路照明供电变压器白天处于轻载或空载的有利条件，结合新建道路工程或因地制宜地将现有道路照明供电变压器及供配电系统进行改造，在变压器附近建成电动汽车专用充电设施。在此基础上结合城市的路网结构，科学合理的规划、建设遍布城区道路的分布式电动汽车专用充电设施，可以有效地降低电动汽车使用成本，更加便捷地为电动汽车进行充电，增强电动汽车的社会使用信心，形成良性产业循环[1]。

1 系统定位

道路照明系统与电动汽车充电设施一体化设施设计定位是一种利用遍布城区的道路照明变压器白天处于轻载或空载的有利条件，并根据道路平面布局及当地交通管理规定，科学合理地布置相关设备，为小型电动汽车(未做特殊说明均指车辆总长≤5.00 m，总宽≤2.00 m，总高≤2.20 m的小型汽车。[2])充电停车位提供电源(电源额定工作电压交流220V～380V，充电接口额定电流≤32A[3])，供电动汽车便捷地进行交流慢速充电的基础设施。

目前我国充电桩的建设速度仍然落后于新能源汽车的销量增速，电动汽车充电基础设施薄弱成为制约新能源汽车发展的一个重要瓶颈[4]。从2014年6月开始，按照国务院的分工，国家能源局已经开始制定《电动汽车充电基础设施建设规划》，2014年年底前已经完成了第一稿，未来与《规划》同时出台的还有《充电基础设施建设指导意见》。同时，全国多个城市陆续推出大规模建设充电设施的发展规划[5]。根据电动汽车的充换电模式，可以把我国汽车充电设施划分为快充和慢充两大类。快充由专门的充电站完成，采用“高电压、大电流，快速度”完成对电动车电池的充电;而慢充可以通过直接连接交流充电桩或者家用电源完成充电。通过建设遍布城区道路的电动汽车充电设施，使得电动汽车充电设施布局更加丰富合理、降低电动汽车使用成本，增强电动汽车的社会使用信心，当系统达到一定规模后科学合理的设定充电停车费率，并依托互联网云计费管理系统，可产生盈利收回部分基础设施的投资、改变基础设施只有高额投入回报低的窘境。

2 方案设计

2.1 方案的提出

建设专用的电动汽车快速充电站除需要配套相应的市区土地外，还需要进行相关的土建施工、设备安装和场站管理维护，项目前期投资巨大;且受目前的充电技术限制，单辆车充电时间需要30 min左右，运营后参照城区的加气站、加油站使用情况，充电站对其附近的道路交通会造成一定的负面影响。

道路照明专用供电变压器白天处于轻载或空载状态，且遍布城区各条道路。本文介绍一种利用路边停车位和路灯供电变压器提供电源的电动汽车分布式充电设施的设计实施方案，相信随着该技术的实际应用，可以有效地提高现有路灯供配电设施的利用率，并缓解电动车充电难的问题。

2.2 设计指导思想

充分利用现有的道路照明相关供配电设备及停车场地、提供一种便捷、安全、可靠、高效的电动汽车充电设施。

2.3 设计方案

2.3.1 方案应用场景及相关设计参数

由于利用道路或路边停车对车辆车充电会对道路交通造成一定负面影响，因此在道路照明系统与电动汽车充电设施(以下简称该设施)一体化设计方案实施道路的选择上，推荐在次干路、支路上进行该设施的设计。路边绿化带小于7 m的主干路和快速路一般不予考虑。在设计实施方案时必须具体到每一条道路与当地建设规划主管部门、交管部门、建设单位进行充分的沟通，统一意见后进行设计。

除利用道路和路边停车场进行该设施的设计实施方案外，还可在能提供低压电源的城市公共停车场、地下停车库进行相关改造;在电源的选择上也不局限于道路照明专用变压器供电，在有条件提供充电电源的停车场均可实施。每个充电停车位可停放车辆总长≤5.00 m，总宽≤2.00 m，总高≤2.20 m的小型电动汽车。并提供交流电压220 V～380 V电源，供充电额定电流≤32 A的电动汽车充电使用。

在具体的充电停车位的实施地点选择上，应选择具备良好视野、出入口距离人行过街天桥、地道和桥梁、隧道引道大于50 m，距离交叉路口须大于80 m的相关路段进行[2]。同时，在车辆出入口按照《道路交通标志和标线》(GB5768-2009)设置交通标志、交通标线和相关设施。为此还专门设计了三种电动汽车充电停车位的指示标志牌供工程设计安装选择使用，见图1所示。

图1 电动车充电停车位的指示标志、标牌图示

在设计中如采用路边停车位作为电动汽车停车充电的停车位，为降低停靠充电车辆对交通的影响，宜采用与道路平行式停车位，不宜采用斜列式及垂直式停车位，实际工程设计时因综合考虑各方面因素，选用适合具体场地的停车方式。常见停车位设计参数参见表1停车位设计参数表。

表1 停车位设计参数表

2.3.2 新建道路照明系统与电动汽车充电设施-体化设计方案

新建道路照明系统与电动汽车充电设施(以下简称该设施)一体化设计方案须在道路设计时与当地建设规划主管部门、交管部门、建设单位进行充分的沟通，统一意见后进行方案设计。

设计方案主要涉及道路、交通、电气等专业。应先由道路专业根据规划，分析道路设计范围内是否适合设置该设施。如符合要求，电气专业结合道路照明系统路灯照明专用供电变压器位置提出拟设置该设施的具体位置，再由道路、交通专业根据规划、近远期交通量、设置该设施后对相关道路通行能力的影响进行综合评价，并提交当地建设规划主管部门、交管部门、建设单位征求意见后综合确定该设施的实施方案。

在新建道路范围内设置的该设施配电系统宜采用专用回路供电，即道路照明回路与充电设施供电回路分别设置。图2为该设施的平面布置示意图。

图2 道路照明系统与电动汽车充电设施平面布置示意图

该系统由充电停车位、供配电设备、安全监控设备、车位控制器等组成。当电动汽车需要充电时，由入口通道驶入，停泊在充电停车位，电动汽车充电设备输出端与待充电车辆连接进行充电，同时车辆控制系统工作，检测车辆位置并启动车辆限位器禁止车辆移出车位，充电设备根据充电模式设置自动向车主发送信息或回拨电话提示充电情况，待充电完成，车主缴费后车辆控制系统解除车辆限位器，车辆可由出口通道驶出。为提高充电车位的利用效率，非电动车停靠充电车位和电动车不充电停靠充电车位可设置高收费标准，电动车充电完成后一定时间未交费离开，系统自动提高收费标准。图3为该设施的系统组成框图。

图3 道路照明系统与电动汽车充电设施系统组成框图

电动汽车需要充电时，相关人员可通过互联网或具备网络功能的应用程序客户端进行查询，选择就近空闲的充电停车位进行预约、预约成功后车位控制器启动，阻止未预约车辆进入预约充电停车位并开始计费。待充电电动汽车也可直接由入口通道驶入空闲充电停车位停靠，将电动汽车充电设备输出端与电动汽车连接进行充电，电动汽车充电设备可根据设定将车辆充电状态及时推送至充电车辆驾驶员的手机或其它客户端(包括平板电脑及其他设备)进行提醒，电动汽车充电完成后由出口通道驶出。

2.3.3 现有道路照明系统与电动汽车充电设施-体化设施升级改造设计方案

现有道路照明系统与电动汽车充电设施一体化设施升级改造设计方案应根据已有道路照明供配电设施安装位置、容量，以及当地建设规划主管部门、交管部门、建设单位的意见进行设计。配电系统可根据现场情况，综合各方面因素从表2道路照明系统与电动汽车充电设施改造供电方案简介表中选择。

表2 道路照明系统与电动汽车充电设施改造供电方案简介表

方案一可通过单灯控制器实现供电主干电缆带电的开关灯控制，电动汽车充电设施只需要从就近的路灯供电干线引接电源即可，但至少需要对拟接入电动汽车充电设施的回路进行改造——在该回路每盏路灯上安装单灯控制器实现供电干线带电情况下的单灯开关灯控制，需要在每盏路灯上安装单灯控制器，并在每个电动充电设备电源引入端也需安装电力载波控制器，防止晚上路灯正常工作时，电动汽车充电设施接入供电回路造成回路超负荷。该方案施工改造难度较低，且单灯控制方案作为一种成熟、可靠的路灯控制方案，国内外已有多家设备厂商开发出相关产品，并在一些城市进行了安装使用。结合道路照明节能改造工程实施，可以大大降低该方案的工程投资及风险。

方案二与新建道路相同，道路照明回路与电动汽车充电设施分别设置供电回路，互不影响，但在已有道路改造过程中需要开挖道路进行电缆敷设作业，对路面有破坏，对交通也有影响，有一定的施工难度但供电可靠性优于方案一。

以改造50台80 kVA的路灯供电变压器，每台路灯变压器可接入充电桩6台，所接入充电桩满负荷工作8 h，充电桩利用率0.80，充电服务费按每千瓦时收费上限标准为当日北京市92号汽油每升最高零售价的15 %计算[6]，假定92号汽油油价每升5.00元，则1 d的充电服务费为50×6× 8×0.8×5×0.15=1 440(元)，每年仅充电服务费一项就达53万元。可以肯定，随着电动汽车充电设施的完善，以及电动汽车的普及，能有效地缓解由交通出行引起的机动车尾气排放、环境污染等问题。

3 存在的问题

由于每台路灯专用变压器容量有限，因此由路灯变压器供电的充电停车位数量受限。若按每个充电停车位需提供充单相充电功率Pe=7 kW计算，以100 kVA的路灯照明专用变压器为例，在理想情况下，约能提供约9个充电停车位;如过多预留充电停车，当多个电动汽车在同一时间接上电源，变压器很快就会超过70%负荷率[7]，并有可能造成变压器超负荷。

因为人们无法确定哪个车主会在哪个时间对电动汽车进行充电，也无法在有限的时间计算出来。所以目前采用了严格限制每台路灯变压器供电的慢速充电桩的办法来防止变压器出现过负荷的情况。表3给出了常见路灯变压器可接入的慢速充电桩数量。

表3 常见路灯专用变压器可接入的慢速充电桩数量表

为方便待充电车辆，目前可通过采用充电停车位预约导航软件、或与充电停车位合作的第三方客户端引导待充电车辆抵达就近的可用充电停车位。相信未来随着智能电网配电技术和智能电源管理系统的成熟，如果能实现智能交互式充电，那么在同样的变压器容量下就可以配置更多的桩，更加机动灵活的为电动车辆充电。

4 结论

道路照明系统与电动汽车充电设施一体化设施应在具有条件的次干路、支路上进行设置，且设计时必须与当地建设规划主管部门、交管部门、建设单位进行充分的沟通，统一意见后进行设计。

当道路照明变压器容量为80 kVA时，可接入单相供电、容量为7 kW充电桩数量不应超过6台;变压器容量为100 kVA或125 kVA时，可接入单相供电容量为7kW充电桩数量不应超过9台。

通过充分利用路灯照明供电变压器白天轻载运行的特点，将电动汽车充电基础设施偏与道路照明供配电系统进行一体化设计，可以提高路灯供配电设施的利用率、有效地降低电动汽车充电基础设施投资风险。而且通过推动路灯供电变压器为电动汽车分布式充电设施一体化设计的工程实际应用，可以使电动汽车充电基础设施更加多样化;降低电动汽车充电设施的安装成本，更加便捷地为电动汽车充电，不仅方便车主、而且还增加了市政基础设施的盈利手段;促进电动汽车的消费，有效地降低机动车行驶引起的空气污染物排放。

[1] 袁亮，程生平.道路路灯供电变压器与电动汽车充电设备一体化设施[P].中国专利:ZL 2014 2 0637181.4，2015-02-25.

[2] 中华人民共和国公安部、建设部[88]公(交管)字90号.停车场规划设计规则(试行)[Z].

[3] GB/T20234.2-2011.电动汽车传导充电用连接装置[S].

[4] 第一电动网，能源互联网.再次强调电动汽车充电桩的价值[EB/OL]. http://www.d1ev.com/38512.htm l，2015.

[5] 北极星电力网. 电动汽车逐渐兴起如何规划充电站的建设[EB/OL]. http://news.bjx.com.cn/htm l/20150316/598080.shtml，2015.

[6] 京发改[2015]848号.北京市发展和改革委员会关于本市电动汽车充电服务收费有关问题的通知[Z].

[7] CJJ 45-2006. 城市道路照明设计标准[S].

U469.72

B

1009-7716(2015)11-0199-04

2005-08-31

袁亮(1979-)，男，甘肃陕西人，高级工程师，从事建筑电气及道路照明工程设计工作。