某商场增加电动汽车充电设施的电气设计

李轶凡，林 昊

（1.中铁电气工业有限公司保定铁道变压器分公司，河北 保定 071051；2.荣盛建筑设计有限公司，河北 廊坊 065001）

0 引言

“十三五”期间，我国充电基础设施实现了跨越式发展，充电技术水平快速提升，标准体系逐步完备，产业生态稳步形成，建成了世界上数量最多、辐射面积最广、服务车辆最全的充电基础设施体系。但快速发展的背后仍存在居住社区建桩难、公共充电设施发展不均衡、用户充电体验有待提升、行业质量与安全监管体系有待完善等突出问题，亟须加快相关技术、模式与机制创新，进一步提升充电服务保障能力。到“十四五”末，我国电动汽车充电保障能力将进一步提升，形成适度超前、布局均衡、智能高效的充电基础设施体系，能够满足超过2000万辆电动汽车的充电需求[1]。

近几年，随着国家对电动汽车发展重视程度的逐渐提高，并为了加强新能源汽车的市场推广，政府及有关部门加大扶持力度，纷纷提出了与新能源汽车产业相关的发展和应用措施，并在政策中从财政补贴、公共试点、减免税收以及管理规定等方面入手，提出了更为具体的指导意见及要求。例如，河北省出台《关于加快提升充电基础设施服务保障能力的实施意见》，要求全省各市进一步优化主城区公共充电网络布局，加大外围城区公共充电基础设施建设力度，因地制宜布局充电站，扩大网络覆盖范围，提升公共充电服务保障能力。鼓励充电运营企业通过新建、改建、扩容、迁移等方式，逐步提高快充桩占比，并合理更换老旧充电桩，提升公共充电基础设施利用效率和用户充电体验。鼓励建设占地少、成本低、见效快的机械式与立体式停车充电一体化设施。根据各地新能源汽车推广的实际情况，到2025年，河北省各市要建成不少于1个繁华商圈快充站，充电基础设施不低于停车位20%的示范工程[2]。

1 项目概况

某商场位于某市市区繁华地段，占地约10 000 m2。既有商场变配电所位于商场建筑物地上设备层，变配电所内共设置2台2500 kVA变压器，10 kV高压电源分别取自不同的两路10 kV电源，互为备用。因建成时间较早，该商场变配电所没有预留有关电动汽车充电设施的容量。

为提升公共充电基础设施利用效率和顾客体验，现计划将部分停车位改造为电动汽车充电桩的停车位，一期计划改造30个车位。

2 方案设计

本项目既有停车场分为室内地下停车场和室外地上停车场。改造既有停车位，可以考虑改造室内地下停车场，也可以考虑改造室外地上停车场。

方案1：改造既有室内地下停车场。利用既有室内地下停车场电源配电箱备用回路为充电桩供电。充电桩电源容量需求较大，经现场勘察，既有配电箱内备用回路不能满足数量较多的充电桩电源需求，室内地下停车场也无法增加新的配电柜为充电设施供电，故舍弃方案1。

方案2：改造室外地上停车场。因该商场建成时间较早，设计既有变配电所时未考虑充电设施容量，另根据国家电网公司的有关规范要求，为方便后期运营管理，本项目需进行电力增容，设置充电桩专用变压器，分为2种方案。方案2-1为在既有变配电所内增加专用变压器及高低压成套设备；方案2-2为在室外停车场尽头空地处增加专用箱式变电站。综合考虑既有变配电所内平面空间及项目整体方案的经济性，推荐采用方案2-2。

3 充电桩配置方案选择

3.1 市场概况

电动汽车和充电桩行业发展迅速，交流充电桩主要以7 kW产品为主，直流充电桩有30 kW、60 kW、120 kW、150 kW等多种产品。目前某外资品牌乘用车已支持最高250 kW直流充电，国产品牌乘用车已支持最高150 kW直流充电。随着行业的发展，电动汽车车载电池容量会越来越大，目前，电动汽车车型车载电池容量最高可达150 kW·h，大多数车型车载电池容量达到50 kW·h～100 kW·h。

充电桩配置方案选择要同时考虑整个充电站覆盖范围内的电动车辆数量和车主对充电桩的具体要求。一方面要通过对充电站位置的分析以及对周边交通道路位置的处理，研究整个覆盖范围内所有车辆进入充电站需要的时间，以及整个覆盖区域内的车辆数量。另一方面要分析车辆在行进动中对充电站的具体要求，从而分析整个区域内需要建设的充电站数量，防止车辆在行进过程中由于缺乏充电站的支持导致无法行驶[3]。

电动汽车充电过程分为预充电、恒流充电、大电流正负脉冲充电等3个阶段。考虑本项目目标客户群体以商场顾客为主、营运车主为辅，顾客在商场内停留时间多数在1 h以上、营运车主在商场内停留时间在1 h左右，故直流充电桩选择应满足在1 h内为客户的电动汽车充入80%以上电量的要求，交流充电桩应满足不支持快充的电动汽车车主和停留时间较长的人群（如商场工作人员）的需求。本项目推荐搭配布置120 kW直流充电桩、60 kW直流充电桩及7 kW交流充电桩。

3.2 方案选择

虽然按照图集18D705-2《电动汽车充电基础设施设计与安装》的相关要求，大型商业及商业综合体交直流配比为（8:1）～（4:1），但考虑到目前市场对快充的需求日益增大，尤其是对120 kW直流充电桩及60 kW直流充电桩的需求较大，为减少近期设备更换造成的损失，故120 kW直流充电桩、60 kW直流充电桩、7 kW交流充电桩配比为2:2:1，即120 kW直流充电桩12台、60 kW直流充电桩12台、7 kW交流充电桩6台。

4 配电方案设计

4.1 负荷计算

充电桩容量计算公式如下：

系数Kt取0.80；工作效率η1、η2、η3均取0.95；功率因数cosϕ1、cosϕ2、cosϕ3均取0.90；需要系数Kx1、Kx2取0.60，Kx3取0.70。计算如表1所示。

表1 负荷计算

4.2 电源方案

根据负荷计算结果，室外停车场尽头处对称布置2台800 kVA、10/0.4 kV箱式变电站，为充电桩提供电源。

因管理系统需要，新增交换机、服务器、工作站、打印机、显示器等设备，总负荷约为8 kW。管理系统电源需求较小，设备集中布置在商场既有通信机房内，可利用既有通信机房内备用电源进行供电，无须额外增加电源。

4.3 设备选择

4.3.1 充电桩

一期共增加12台120 kW直流充电桩、12台60 kW直流充电桩、6台7 kW交流充电桩。因既有停车场为露天停车场，充电桩需选用防护等级较高、有防雨设计的一体机产品。

出于经济性和市场需求考虑，120 kW直流充电桩、60 kW直流充电桩可采用双枪同充充电桩，以覆盖更多停车位。本文暂不讨论双枪充电桩方案。

4.3.2 箱式变电站和充电桩终端配电箱（柜）

2台箱式变电站选用欧式箱变。变压器选用干式变压器，装设温度传感器，预留将采集信息上传到管理系统的功能；箱体增加百叶窗和排风扇，采用强迫空气冷却；高压方案采用SF6全绝缘柜，进线柜设置微机保护装置；低压方案采用GGD固定式低压配电柜，并设置240 kVar无功补偿装置，馈线回路装设智能电力仪表，预留将电压、电流、功率等电气参量采集并上传到管理系统的功能。通过加装传感器、智能仪表等措施，可实现对箱式变电站的智能化管理。

充电桩终端配电箱（柜）采用常规设计，但按照《民用建筑电气设计标准》（GB 51348—2019）的要求，回路需设置限流防火保护器[4]。另外按照图集18D705-2《电动汽车充电基础设施设计与安装》的要求，应设置漏电保护和计量装置。

4.3.3 电缆

高、低压电缆均选用阻燃、钢带铠装交联聚乙烯绝缘护套电力电缆，该电缆满足电气和消防设计要求。

5 管理系统设计

根据规范，应当设置充电监控管理系统，系统应具备数据采集、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。充电桩缴费方式建议采用APP支付缴费或小程序支付缴费，充电桩设备单体采用物联网卡接入无线网络，因此，充电站运营服务器可设置在云平台，只需在既有通信机房内增加有关设备。另外，根据运营方的要求，充电监控管理系统应与停车场系统相匹配。停车场安防系统、停车场收费管理系统均利用既有设施，充电桩电气火灾系统接入既有商场电气火灾系统。

针对以上需求，管理系统只需接入外网即可，管理系统设计如图1所示。

图1 管理系统设计

6 平面布置和防雷接地设计

充电桩位置集中、有序布置在车位同一侧，且尽量缩短和箱式变电站的距离，保证供电半径。箱式变电站位置在停车场尽头，方便车辆出入，外形美观，与建筑物协调。充电桩、终端配电箱（柜）、箱式变电站与其他建筑物间距离符合有关电气、消防规范，基础应高出地面200 mm。充电车位设置车挡或其他防撞设施，防止充电车辆撞坏充电桩。

根据图集18D705-2《电动汽车充电基础设施设计与安装》的要求，充电桩周围、室外电动汽车充电车位地面下0.15～0.30 m设置间距为0.6 m×0.6 m的网格状等电位均衡线，并向外延伸0.6 m。车挡与等电位均衡线可靠连接，等电位均衡线与接地极可靠焊接[5]。

本项目防雷接地按图集18D705-2《电动汽车充电基础设施设计与安装》的要求进行设计，保证电动汽车充电用户的人身安全。

7 结语

目前在既有建筑停车场增加电动汽车充电设施的需求越来越大，未来几年仍会是行业关注的焦点。只有根据电动汽车和充电设备发展趋势，以及确定目标客户，合理确定充电桩配置方案、供配电方案，充电设施才能达到经济实用的目标。本文只是针对一个项目进行分析，希望本文的分析和探讨能对今后相关项目有所帮助。