建筑群地下车库充电桩配电设计方案探讨

王学军

摘要： 本文主要介绍了电动汽车充电桩的设计要求，分析了在充电桩容量计算中，影响需要系数取值的因素及取值建议。以某项目商业办公及住宅综合体地下车库为例，介绍电动汽车充电桩配电设计解决方案。

关键词： 充电桩;需要系数;负荷计算;变压器容量

0  引言

2016年6月，上海市政府相关部门根据住建部下发的《住房城乡建设部关于加强城市电动汽车充电设施规划建设工作的通知》（建规[2015]199号），提出新建项目的规划条件、修规批复以及在《工程建设审批书》中增加以下要求：新建住宅配建停车位应100%建设充电设施或预留充电设施安装条件，每个公共建筑配建停车场、社会公共停车场具有充电设施的停车位不少于总车位的10%。本文针对项目具体情况，在设计院未考虑汽车充电桩方案及容量的前提下，提出针对性的解决方案，并且满足管理部门要求的充电桩供配电设计解决方案。

1  充电桩的分类和技术参数

目前，充电装置一般划分为传导式充电和快速更换电池两类，考虑到更换电池成本较高、更换程序较为复杂，在常见的民用建筑内一般选择传导式充电装置。传导式充电桩的进线输入经由变压器、配电总箱等与交流电网相连接，充电桩的末端通过自带充电插头为电动汽车提供充电服务，常见的安装方式为固定在地面或墙面。

充电桩一般提供常规慢速充电和快速充电两种充电方式，即快速充电方式由直流充电桩提供，其将电网交流电能变换为直流电能，是为电动汽车动力蓄电池充电的专用充电装置，适用于城市交通停车场、高速公路停车场、企业专用停车场，少量设在大型商业办公停车场。充电速度快（1～2H满载），但电池损耗大，且装置占地面积大。而交流充电桩则俗称“慢充”，体积较小，安装方便，但充电时间较长（5～8H满载）可以方便安装于各种公共停车场，为具备车载充电机的电动汽车提供交流电能。分单相和三相两种。[1]

2  用电负荷等级

地下停车库的用电负荷等级在JGJ 100-2015《车库建筑设计规范》中规定，特大型（>1000辆）和大型车库（300～1000辆）按一级负荷供电;中型车库（51～300辆）按二级负荷供电;小型车库（<50辆）按三级负荷供电。而充电桩供电的用电等级根据其使用功能，可不考虑车库的规模，均按三级负荷设计。充电桩的智能监控系统用电按二级以上负荷设计，系统设置UPS电源作为备用电源。[2]

3  充电桩容量计算

3.1   充电负荷计算

单台充电桩输入负荷大小计算[3]见下式，

式中：P—单台充电桩的输出功率，单位为KW;

S—单台充电桩的输入容量，单位为KVA;

Cosφ—充电桩的功率因数，取0.9;

Η—充电桩的工作效率，取0.9;

车库充电桩总输入负荷大小计算见下式，

式中：K—充电桩同时系数，由充电桩数量决定;

3.2   需要系数Kx的取值分析

对于上海住宅小区的地下停车库，需要系数KX的取值应考虑以下因素：电动汽车的保有量占比持续走高，但远未达到人手一部，并且科技技术水平还在不断提升;市面上电动汽车续航里程普遍为150～250km，而市区代步平均每日50km，每隔1～2天才需充电;市场销售主流车型额定功率为6.3kW，而交流充电桩的额定功率为7kW;电动汽车充电主要集中在晚上，此时公建配套和少量商业用电处于用电低谷时段，变压器主要为充电桩供电。综上所述，住宅小区充电桩按100%的车位数设置的需要系数Kx建议为0.15～0.25。充電桩设置占车位30%左右，建议需要系数为0.45～0.55，充电桩设置占车位15%左右，需要系数为0.7～0.8。

对于上海商业办公的地下停车库，需要系数Kx的取值应考虑以下因素： 商业办公停车库主要停放商业消费客户的客户私车、商业办公员工的家用私车两类汽车，前者汽车进出频繁，时间较短，后者上班期间长时间停留。充电桩的类型应根据实际情况快慢结合。直流充电桩和交流充电桩的配比一般可按1：5设置，前者数量少、使用率高，Kx值建议取0.6～0.7;后者数量多、使用率低，Kx值取0.5～0.6。

商业办公停车场的充电桩按防火分区配电，由低压配电房引出配电干线至防火分区充电桩的配电箱，配电干线的需要系数根据充电桩的数量确定，建议取0.5～0.8.

因此，充电桩容量计算中需要系数的取值应根据车库的规模、充电桩设置占停车库车位的比例、以及不同业态停车库的充电桩类型和充电桩的总量合理安排。系数过高，变压器容量计算偏大，变压器的负荷率偏低，供配电设备投资加大;系数过低，充电桩使用数量受限，配电系统不能满足日常需求。只有合理取值，供配电系统设计才能达到经济节能，远近兼顾。

4 项目实例

4.1 项目简介

该项目位于上海市，以南北向的道路分为01和02两个地块。地块南侧以地块外挂商业（地下二层与地铁站台平接处）为过渡，毗邻建设中的轨交车站。

01为商业、办公综合性建筑群，02为住宅小区与商业综合体建筑群。同时两个地块各包含地下一层、地下二层商业（含局部汽车库），地下三层为汽车库，东西两个地块地下二层、地下三层通过跨道路连通道相连通。另外，地块内地下二层商业与地铁外挂商业通过下沉广场等形式于地下二层相连通。01地块内含三幢90米以内的高层办公塔楼（A1#＼A2#＼A3#）及四层商业及酒店裙房。02地块内含C4#＼B5#＼C6#＼C7#四幢高层住宅及一桩20层商业高层塔楼（B8#），商业裙房B0#为三层。

项目总建筑面积约43万平方米。共设9个低压配电站，均位于地下一层。其中1～5#变电站在01地块。6～9#变电站在02地块。

4.2 充电桩的供电方案分析

规划车位总数为2875个（表1所示）。由于地下一层及地下二层层高相对较高，并且由于车位总数不足，大量机械停车位设置于地下一层及地下二层。故地下三层结构完成面为3米的情况下，需统一设置大量汽车充电车位来满足要求。由于原设计院未考虑充电桩电源需求，从节省工期、减少经济损失并满足要求的前提下，提出此方案。满足指导性文件要求的话，本项目最少要设置290个充电车位。

根据现今电动汽车的使用情况以及办公、商业为主的人群对充电桩的习惯，本工程01及02地块地上一层室外采用布置大量直流充电桩（快充）的配置方案。01地块地下三层区域采用大量交流充电桩（慢充）和小部分直流充电桩（快充）相结合的配置方案。而02地块地下三层属于住宅用地，未来主要服务于住宅小区业主。故采用交流充电桩（慢充）为主要充电手段比较适宜。

根据地下三层车库内的停车类别及数量（表2）的具体分布，并考虑充电桩所需安装空间，且需靠墙或柱布置，远离排水沟、井及地漏等条件。住宅区域和商业区域供电也需分开。按防火分区划分找寻集中满足条件的车位，采用按区域集中布置供电的方式配电;室外部分的充电桩（快充）由于功率较大且数量多，变压器低压开关柜出线整定值一般不超过400A，需拆分开出线端以便穿电缆及敷设。考虑到变压器的用电负载率一般不超过80%，充电桩属一般用电，发生火灾时可强切，并与消防等设备错峰运行，可近一步减小变压器同步系数，达到最大经济效益。

室外及01地块区域充电桩用电，采用从10KV变配电站低压侧0.4kV开关柜出线端按放射式的配电方式集中送出至各防火分区配电间;02地块充电桩用电由电业K（P）型站低配柜引入，以电缆穿管埋地进户后转垂直桥架敷设方式至B3F配电间（室）进线柜（PJ1-G型），从出线柜按放射式的配电方式集中送出至各防火分区配电间。

01地块布置30台35kW的直流充电桩（快充）和190台7kW的交流充电桩（慢充），02地块布置70台7kW的交流充电桩（慢充）。

4.3 负荷计算

01地块充电桩负荷计算

1） 单台充电桩输入负荷大小计算

2） 01地块车库充电桩总输入负荷大小计算

3）通过表3可知，单台变压器剩余容量不足以分担充电桩总需求量。低压配电室分布在地下一层各处，便于拆分充电桩需求量，从各低压配电室配出以达到供电需求。

4）按单台变压器负载率0.85（含消防设备）计算剩余容量可带充电桩数量。

以3#变压器TM1为例，设X为0.85负载率情况下的变压器剩余负载：（1810+X）/2500=0.85，X=315 KVA;设Y为剩余容量可带慢充桩数量：0.8×8.64Y=315， Y=45 （台）;设Z为剩余容量可带快充桩数量：0.8×43.2Z=315， Z=9 （台）：此处实际选择安装8台充电桩（快充）。由于8台容量太大，可拆分成5+3。

通过总负荷容量公式求得实际增加容量为0.8×8×35/（0.9×0.9）=276KVA，5台的开关整定值为400A，电缆规格为WDZ-YJY-4x240+E120-CT，3台的开关整定值为250A，电缆规格为WDZ-YJY-4x120+E70-CT。

通过此方法得出所有变压器的可带数量，结合满足安装条件的充电桩位置及配管敷设路由，优化下最终的变压器带充电桩的数量及类别得出表4。由于采用同防火分区的普通用电与消防用电错峰计算，并且满负荷运行时间很短，故实际负载率并未如此高。

02地块充电桩负荷计算

1） 单台充电桩输入负荷大小计算

2） 02地块车库充电桩总输入负荷大小计算

由于引入小区K（P）型站低配柜已有12路进线。用电量基本饱和，无备用抽屉柜。只有另增2路进线。经计算，电源进线13、14的视在功率均为214.4kVA，计算电流为325.95A，所以断路器整定值为400A，进线电缆为WDZ-YJY-4x240+E120。由于小区安装充电桩与商业不同，主要是业主向物业提出申请，电动汽车品牌的充电桩也不尽相同，故仅在B3F进线间的抽屉柜预留。

4.4 结论

通过上述计算方法，01与02两地块的商业变压器无需增容即可满足充电桩用电量需求及安装总数，02地块的住宅区域只需多引2路充电桩专属进线电源即可解决问题。然而考虑到末端后续可能的变动、后续施工的整体难度及拆改成本，结合其他项目的电气设计施工经验，从变电所低压配电柜直接出线，引至地下车库各防火分区充电桩配电总箱为最优方案，配电总箱电源可以放置至防火分区配电间内上空，预留足够长度后做好绝缘保护，也可总箱安装就位，内留足够出线开关供后续接出使用。

5 结束语

车库充电设施的建设，为新能源汽车充电提供了便捷，改善了像上海这种特大型城市的环境污染问题，同时也推进了我国汽车能源结构的转变。地下停车库充电桩电气设计应根据其主体建筑的使用功能性确定，参考当地的使用习惯，合理配置方案，并合理配置直流充电桩与交流充电桩的比例，设计中应当充分考虑充电桩的安全性和使用舒适度，远离排水井地漏，加设短路保护和剩余电流保护，做好配电箱的重复接地。

参考文献：

[1]地下车库电动汽车充电桩电气设计实例分析（蓝云/曾昊）《智能建筑电气设计》2017年6月第11卷第3期

[2]《电动汽车充电站设计规范》GB 50966-2014

[3]《工業与民用配电设计手册》