地下车库电动汽车充电桩配电设计及变压器容量优化的研究

阎 宏，袁幼哲，柳全成

(甘肃省建筑设计研究院有限公司，兰州 730000)

0 引言

电动汽车的不断普及和发展，推动着充电设施的同步发展。近些年，随着国家能源战略的调整和电能的可靠利用，电动汽车逐步进入了社会的生活圈，不仅减少了对燃油汽车的依赖，而且也对新能源汽车的发展、电能的合理利用及民众低碳环保的意识得到有效的推广。

然而，电动汽车的长途续航能力及电动汽车充电桩设施的建设是制约其发展的重要因素。近几年，为加快电动汽车充电基础设施的建设，国家出台了相关指导性意见和设计规范，要求新建住宅小区配建停车位按100%建设充电设施或预留建设安装条件。

目前，电动汽车在国内外还处于发展阶段，相关规范、标准根据已投入运行的电动汽车充电设施数据，明确了电动汽车充电设施的电气设计参数(如需要系数、变压器规格等)。本文基于充电桩实际工作时的充电数据，分析了充电桩配电容量的计算，着重研究需要系数的合理取值。根据小区变压器负载率的情况，提出了电动汽车交流充电桩配比和可靠运行的优化设计方案，为建筑电气设计人员提供一定的参考。

1 充电桩配电容量的计算

1.1 电动汽车保有量现状

2020年11月发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》中明确了坚持电动化、联网化、智能化、共享化的发展方向。根据有关方面的统计数据，截至2021年6月，全国汽车的保有量为3.84亿辆，新能源汽车的保有量为603万辆，纯电动汽车的保有量的保有量为493万辆，约占新能源汽车总量的81.68%，占汽车总量的1.28%。在国家新能源汽车发展规划的带领下，电动汽车的销量不断增加，预计2025年将达到20%以上。伦敦著名市场调查研究公司IHS Markit预测，20年后，全世界电动汽车的数量占总汽车数量的比例最高可达到35%。

由于全球电动汽车保有量的不断增加和稳定增速，电动汽车充电的基础设施建设也需要不断扩大和完善，需要发展效率更高、布局更合理的电动汽车充电基础设施。截至2021年7月，国内已建成公共类充电桩98.5万台，其中非车载充电机39.9万台、交流充电桩58.6万台、交直流一体充电机414台。

1.2 充电桩的分类和参数

电动汽车充电设施包含非车载充电机和交流充电桩。非车载充电机因其充电速度快的特点被称之为“快充”，其中单台输出功率可达到350kW，充满电动汽车大约只需要10min。而交流充电桩一般额定功率为7kW，比非车载充电机功率低，充电时间较长，充满单台电动汽车的时间约为7～9h。

非车载充电机占地面积大，例如100kW的中型非车载充电机占地面积约为0.64m2，投资费用较大。目前大部分电动汽车都支持交直流两种充电方式，在公共充电桩(站)可采用非车载充电机快速充电，满足出行电量不足的情况；在住宅小区地下车库，通常设置交流充电桩满足业主返程后、闲暇之余长时间充电需求。交流充电桩具有占地小、可挂墙安装等特点，结合民用建筑物的防火要求和降低火灾的危险性，住宅小区地下车库固定车位充电桩适宜采用交流充电桩，而公共充电站、公共建筑的地面停车位和公共交通运营单位等地适宜采用非车载充电机。

1.3 充电桩配电容量的计算

对于地下车库的电动汽车停车位，其单台交流充电桩的计算容量如下式：

(1)

式中，S为单台充电桩的计算容量，kVA；P为单台充电桩的输出功率，kW；Kx为需要系数，此处取值为1；η为充电桩充电时的效率；cosφ为充电桩的功率因数。

住宅小区地下车库充电桩的总计算容量为所有充电桩输入计算容量的代数和，因此，充电桩计算负荷总容量如式(2)所示：

(2)

式中，SΣ为充电桩的输入总容量，kVA；Kx为充电桩同时系数，其值随着交流充电桩数量的变化而调整；P1、P2、Pn为各台充电桩的输出功率，kW；cosφ1、cosφ2、cosφ3为充电桩的功率因数；η1、η2、η3为电池充电的效率。

折合到变压器端，可得出车库变配电室变压器设备安装容量为：

S=S0+S∑

(3)

式中，S0为非充电桩的安装容量，kVA；S∑为车库充电桩设备总容量，kVA；S为车库变压器安装容量，kVA。

1.4 充电桩对车库变压器容量设计指标分析

由式(2)可以看出，车库变压器安装容量值的确定，除建筑物内电气用电设备外，与车库内电动充电桩的计算容量直接相关，而电动充电桩计算容量的大小，关键是需要系数的准确获取，需要系数取值过大，会导致变压器计算容量值过高，不经济运行；取值过小，变压器配电设计不能满足充电用户用电需求。因此，确定需要系数对于准确计算充电设备容量及设计变压器规格具有重要意义。

需要系数由实际运行的功率获得：

(4)

式中，Pc为计算有功功率，称为需要功率，kW；Pe为额定功率，kW。

本文主要讨论交流充电桩需要系数的确定，通常根据实际运行设计需要系数，从而确定变压器额定容量的安装。但是在实际情况中，影响电动汽车充电功率的因素有很多，例如地下车库充电车位配比、用户行为及负荷波动时间的不确定性，因此需要研究获得准确的充电需求特性及其分布的规律。

根据某住宅小区地下车库多台单相7kW交流充电桩同时投入使用的充电数据，如表1所示，表中列出了不同充电桩台数下，充电桩总计算容量所对应的需要系数。

单相交流充电桩需要系数选择表 表1

根据数据得到交流充电桩需要系数Kx曲线如图1所示。

图1 交流充电桩需要系数曲线

结合相关已运行的住宅小区地下车库充电桩的采集数据，对确定充电桩的需要系数提供了可靠依据。在计算地下车库的充电桩用电容量和设计变压器的安装容量时，应该考虑地下车库的规模、充电桩在车库的配比、充电车主的充电需求和习惯。

分析目前市场情况，大部分电动汽车的续航里程为400km左右，平均续航时间为3～5天，即使考虑到车主不会完全用光电量再充电，也可估计每个车主大约两天充电一次。此外，考虑单相交流充电柱的额定功率为7kW，而占大部分的电动汽车的功率为6.3kW。因此，这种情况下还可以降低计算地下车库需要系数Kx的取值。

充电桩容量计算中需要系数的取值是进行电气设计的重要依据，需要系数过高，变压器计算容量偏大，设备运行时变压器的负荷率就会偏低，反之亦然。因此，配电设计阶段应根据住宅小区及用户使用的情况再次合理调整需要系数的取值，供配电系统设计就能达到更加经济节能。

2 电动汽车充电桩需要系数对变压器容量设计的影响

建筑设备中变压器的容量和数量影响配电系统稳定性、经济性以及供电安全可靠性。建设项目用电负荷的情况和增长速度、初次建设投资情况、配电装置和性能指标、负荷性质及可靠性等指标决定其配置变压器的容量和台数。变压器负载率过低，不利于变压器的经济运行，因此变压器维持在合理的负载率区间运行最为经济划算。为响应国家节能减排政策，鼓励企业推动经济运行计划，防止不必要的增容和扩建，研究变压器容量和台数的合理设计具有重要意义。

地下车库变压器容量在方案设计阶段时，可采用单位面积指标法；但在施工图设计阶段，地下车库变压器容量设计应采用需要系数法根据实际充电车位数量来确定需要系数。根据公式(1)计算各台充电桩的输出额定功率，充电桩数量不变的情况下需要系数越高，变压器计算容量越大，实际运行时其负荷率偏低，变压器冗余度就会相应提高。

文献[4]从防火角度提出地下车库充电桩设置应该按照防火单元划分供电，住宅小区地下车库防火单元面积不大于1 000m2，每个车位安装单相7kW交流充电桩，考虑不同充电桩数量、不同充电习惯或峰值对住宅小区车库变压器容量设计的影响，依据上文和GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》中给出的需要系数建议值及式2，分析可知充电桩安装比例较低时，对配电变压器容量影响较少，可与建筑物内其他用电设备共用变压器；随着充电桩比例增加，占用变压器容量负载率就越大，即：有必要为充电桩单独设置变压器。

3 变压器经济运行的研究

配电变压器是连接用户侧和电力系统侧的网络枢纽，具有数量多、容量大的特点。因此，变压器的降损节能和经济运行，是建筑设计企业和用户关注的重要问题。

3.1 变压器负载率的计算及分析

变压器绕组的有功损耗与负载电流平方成正比，正常工作中不得长期运行在满载情况下，因此需要根据变压器实际运行时的负载状态分析。实际设备运行过程中，若负荷可以调整或者转移，应避免轻负载率0.2以下或重负载率0.85以上运行。

依据GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》规定，配电变压器的长期工作负载率不宜大于85%，然而在实际投运建筑中，变压器的负载率往往在40%～50%甚至更低，与规范要求长期运行的负载率上限值之间尚存在一定的余量区间，可理解为变压器容量的余度，余度过大会造成变压器容量的浪费和不经济运行。本文针对既有住宅小区改造扩容局限，无法为业主电动汽车配备充电桩专用变压器的情况，依据变压器长期运行负载率的实际值，合理利用其余度能力，配置相应数量的电动汽车充电桩，使其既能满足小区业主充电的要求，又能达到最佳负载率的目的。

3.2 交流充电桩冗余数量的计算及分析

分析某住宅小区地下车库安装电动汽车充电桩案例，要求既有住宅小区配建充电桩按20%设置充电设施的安装条件，车库变压器容量为1 600kVA、车位设置数量500个、计算变压器不同负载率下充电桩的冗余台数如表2。

不同负载率下交流充电桩冗余数量 表2

因此，既有建筑在设置充电桩数量及配比时，应该综合考虑建筑电力设施的使用性能和投资施工经济效应，基于实际、考虑前景，根据本地实际情况要求，适当设计配建计划。对于新建住宅小区地下车库，考虑到未来电动汽车普及发展，变配电室应预留配电设置的增容和扩建能力，为电动汽车充电桩预留变配电设施的安装条件，提前做好合理实施计划。

4 交流充电桩运行优化设计方案

4.1 定时充电方案

对于住宅小区电动汽车充电用户来说，虽然电网运营企业给出峰、谷电价优惠政策，但实际情况中，由于业主的作息时间需要，不能按照电网用电谷值区间深夜出门充电。基于电网推出的峰谷分时电价政策，本文提出一种地下车库充电桩定时充电方案，峰期用户可以设置充电延迟时间，在满足充电需要的前提下，避开电网峰值充电时段。还可以根据用户的特殊需要，设置保底充电时间和完整充电时间，使得峰谷分时电价优惠政策真正提高用户充电的效率。

4.2 自动充电方案

谷期充电策略与定时充电在性质上类似，用户设置谷期充电模式后根据电网负荷谷期自动充电，充电期间若遇到电网用户负荷峰值期间，会自动断电，峰值过后自动充电，该充电方案满足需求不紧张的用户。

两种充电方案都不限制充电时段，都从避开峰值的角度进行谷值充电，减轻建设单位用电负担的同时，减小了电网峰值供电压力，从而实现用户和建设单位的双赢。

5 结束语