电动汽车充电桩设计实例分析

刘真全，刘志华，蔡雄飞

(1. 武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉 430014；2. 中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

0 引言

随着国家的大力推广，充电桩在项目中越来越常见，但在实际设计过程还是存在各种各样的问题，既有设计层面的，也有政策层面的。基于此，笔者深感有必要将自己在项目中的经验教训做一个全面的总结。本文选取的工程实例为一火车站站前广场综合工程，包括站前广场、地下人行通道、市政道路、公交办公楼、公交停车场、地下车库等，根据车位数量按要求设置充电桩。

1 建设模式

目前主流的充电站建设模式主要有：(1)业主将场地租赁给第三方，由第三方投资建设充电站，运营收入归第三方，业主收取一定的租金或者是收益分成。此时设计由第三方完成，第三方既是设计方又是运营方，多为以充电桩运营为主业的企业。(2)业主出资建设，但设计与施工均由第三方完成。此时电源报装、设计、施工全部由第三方打包完成，不需要设计院介入，该第三方多为与供电部门比较熟络的单位，此种方式多见于公交充电站。(3)常规的设计院设计、业主建设并自营模式。

上述三种模式中，前两种都不需要设计院做具体设计，所以在设计前必须要搞清楚该项目意向采用哪种模式，以免做无用功。不同建设模式比较见表1。

不同建设模式比较 表1

本工程中的公交充电桩即是采用的第二种模式，地下车库停车场的私家车充电桩采用的是第三种模式。

2 计量模式

计量模式是充电桩设计的重点，不同计量模式下的电费相差很大，这直接关系到充电站的运营成本。为了鼓励充电桩的建设，2015 年10 月，国务院办公厅印发《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》，部署大力推进充电基础设施建设，解决电动汽车充电难题。并且，早在2014年，国家发改委就颁布了《关于电动汽车用电价格政策有关问题的通知》，确定对电动汽车充换电设施用电实行扶持性电价政策，明确对经营性集中式充换电设施用电实行价格优惠，整体执行大工业电价，并且实行峰谷分时电价政策。表2所示为峰谷分时时间段。

峰谷分时时间段 表2

本工程地下车库设置有7kW交流桩36个，30kW直流桩13个，设置一台500kVA专用变压器。设本工程充电桩需用系数为0.6，总功率为385kW，使用时间段为7∶00-19∶00共12h，则平段和高峰段时间各为6h。电费分为两部分，基本电费和电度电费，执行工商业用电需支付基本电费，执行大工业用电免收基本电费。

2.1 基本电费计算

基本电费按最大需求或变压器容量计算，每月缴纳。

按最大需求容量计算时单价为28元/kVA/月，则基本电费为：28元×500kVA×12月=16.8万元/年。

按变压器容量计算(设负载率为70%)单价为42 元/kVA/月，基本电费为：42元×500kVA×70%×12月=17.6万元/年。

当负载使用率70%左右时，两种选择费用相近，目前每月可向供电部门调整一次，本工程按最大需求容量计算，基本电费为16.8万元/年。

2.2 电度电费计算

电度电费跟单价及实际使用的电量相关，其计算结果如表3所示。

电度电费计算比较 表3

执行大工业电价后每年可以节约电费(116.5-102.26)+16.8=31.04万元。从表3可以看到，如果能够享受到电价补贴，每年可以节省大量的电费，如此就能以更加低廉的充电价格吸引到电动车主，此举也成为了充电桩运营的关键。要享受此项优惠政策，武汉地区需要先到发改委备案，获得固定资产备案证。每个地方的流程会有所不同，具体需要咨询当地政策。

2.3 供电计量方案

除了拿到备案证以外还有一个重要的问题，那就是如何给充电桩做单独计量，这个需要与供电局充分沟通供电方案。以笔者的经历，遇到过设置开闭所然后给充电桩单独配置变压器并挂表的方案(图1)，也有整个项目挂一块总表，充电桩单独设置箱变，再挂一块分表的方案(图2)。不同的项目具体挂表方案都会有所不同，这个需要结合项目实际情况和供电局的要求确定。

图2 分表计量供电方案简图

以本工程为例，考虑到充电车位分属在不同的地块，且后期管理运营部门也不同，最终采用设开闭所然后给充电桩变压器或箱变单独挂表的方案，图1即为供电答复函中的供电方案简图。

图1 开闭所计量供电方案简图

3 充电桩配电设计

解决了建设模式和计量模式的问题后才正式进入充电桩的配电设计，充电桩配电设计需考虑负荷计算、配电系统设计、平面设计、充电管理系统设计。

3.1 负荷计算

依据18D705-2《电动汽车充电基础设施设计与安装》，单台充电桩的计算负荷见式(1)：

S=P/ηcosφ

(1)

式中，S为单台充电桩的输入容量，kVA；P为单台充电桩的输出功率，kW；η为充电桩的工作效率，一般取0.95；cosφ为充电桩的功率因数，取0.95。

各类充电桩的计算负荷见式(2)：

(2)

式中，P1′/P2′为慢充/快充的输入功率，kW；Kx为需要系数，可查18D705-2《电动汽车充电基础设施设计与安装》表格或曲线，本工程慢充取0.4，快充取0.7。

充电桩总计算容量见式(3)：

(3)

式中，SjS为总的计算负荷，kVA；KT为同时系数，取0.9；Sn为某一类充电桩的输入容量，kVA；得到本工程的计算容量为SjS=0.9×(0.4×36×7/0.95×0.95+0.7×13×30/0.95×0.95)=414kVA，需要设置一台500kVA的充电桩专用变压器。

3.2 配电系统设计

充电桩配电系统的设计为常规设计，但也有几点需要注意：(1)按照GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》，充电桩回路需要设置限流式防火保护器；(2)配电箱进线需设置计量装置；(3)配电回路应设置漏电保护，系统图如图3所示。

图3 充电桩配电箱系统图

3.3 充电桩平面设计

平面布置时需要注意以下几点：(1)充电桩应尽量集中布置，且尽量靠近配电房，以缩短供电距离。充电设备外廓距充电车位边缘的净距不宜少于0.4m。(2)室内充电设备基础应高出地坪50mm，室外充电设备基础应高出地面200mm。(3)充电车位宜设置车档，以防止车辆倒车时撞坏充电设备。

3.4 充电桩管理系统设计

根据规范充电站应当设置充电监控系统，系统宜具备数据采集、控制调节、数据处理与存储、事件记录、报警处理、设备运行管理、用户管理与权限管理、报表管理与打印、可扩展、对时等功能。同时充电桩需要安装计量装置，监测和管理收费数据，目前缴费方式主要有刷卡缴费和APP支付缴费。

针对以上需求，需要设置一套充电桩管理系统(图4)。需要特别指出的是，如果采用APP支付方式，则需要引入Internet网。如果项目内的单体已经接入外网，只需要将管理系统接入已有外网即可；如果该停车场是单独的项目，且周边不方便接入有线网络，也可以采用4G卡接入无线网络。接入网络后用户只需要扫描充电桩上的二维码或者直接在APP上操作即可完成缴费。

图4 充电桩管理系统图

4 设备形式选择

目前主流的充电桩设备有三种，不同形式的设备配电设计也会有所不同。

(1)充电主机系统

将配电模块、充电功率模块和管理模块全部集中到一个集装箱中，类似于一个箱变与充电管理模块的结合体，可以直接给直流充电末端供电，中间无需再设配电箱(图5)。充电主机最大可以做到1 250kVA， 需要占用较大的空间，但直流充电末端设备比较小巧，其体积仅比交流充电桩稍大，可以大大节约空间，也比较美观。

图5 充电主机系统简图

交流充电桩功率小，直接从充电主机接引会占用过多资源，经济上不划算，通常做法依然是由充电主机出回路给配电箱，配电箱再给交流桩供电。充电主机的接入电源一般为10kV，所以配电设计时需要注意在开闭所或中心配预留10kV回路。

(2)充电堆

顾名思义，就是将多个充电模块堆在一起，现场设置直流充电堆柜，每面柜子可以给多个充电车位充电(图6)。如4个或者6个车位为一组共用一面充电柜，可以将其看做是缩小版的充电主机。充电堆柜内含有管理单元，具备功率分配功能，可以根据本组内的充电情况实时调配充电功率。

图6 充电堆系统简图

以一个6桩360kW充电堆为例，当本组内只有2个桩位充电时，可以给每个桩各调配180kW的功率使其快速充电；当有6个车位充电时，给每个桩各调配60kW的功率。这样能够大大提高充电效率，节省充电时间，对于经营方来说，则意味着更快的流转，更多的现金流。另外在车位较多且集中的情况下，选择充电堆系统，可有效降低线缆成本。

(3)一体机

每个桩内均含有功率模块和管理单元，箱变或变压器与充电桩之间需要设置配电箱，也是市面上最常见的，可以一桩一枪也可以一桩双枪(图7)。

图7 一体机系统简图

以上三种模式，充电主机多用于大功率的充电站，如城市公交、大巴车充电站等。充电堆和一体机常用于私家车充电站，相对来说充电堆模式的充电效率更高，末端设备比较小巧，美观性也更好。而一体机模式比较简单，故障时影响面较小。三种模式各有优缺点，需要根据项目实际情况及业主需求合理选择。

本项目为站前广场综合工程，车流量大，直流桩设置比例高于一般项目，且主要的充电车位设置在地下室，不宜设置箱变，地下室设置有充电桩专用变压器，故本工程直流桩采用充电堆模式、交流桩采用一体机模式。

5 结束语