陶云飛 / 李 叢 / 張立軍

(深圳華森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司，深圳 518054)

電動汽車充電樁配電系統(tǒng)的優(yōu)化

陶云飛 / 李 叢 / 張立軍

(深圳華森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司，深圳 518054)

通過合理規(guī)劃多組電動汽車的充電時間，避免了用戶集中同一時間內(nèi)充電，在滿足用戶充電要求的同時又可以降低供電系統(tǒng)的成本，有利于促進(jìn)電動汽車的推廣使用。

電動汽車 分時控制 充電樁

0 概述

根據(jù)住建部要求，新建住宅小區(qū)配建停車位應(yīng)100%建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)留建設(shè)安裝條件。預(yù)留建設(shè)安裝條件的，應(yīng)按小區(qū)規(guī)劃停車位數(shù)≥10%的比例配建公共充電樁；新能源汽車保有量超過小區(qū)已預(yù)留充電樁數(shù)量的，充電樁應(yīng)相應(yīng)增加。

但由于電動汽車充電對供配電系統(tǒng)的要求較高，新建工程需要投入較大資金設(shè)置電動汽車專用配電系統(tǒng)，對已有建筑配電系統(tǒng)進(jìn)行改造的成本也相當(dāng)巨大，有些老舊小區(qū)由于配電系統(tǒng)容量較小甚至沒有改造的條件。

本文以住宅小區(qū)地下停車庫為例，說明如果采用分時控制系統(tǒng)給電動汽車充電，能夠很好地解決上述問題。

1 充電樁供配電系統(tǒng)常規(guī)做法

目前工程設(shè)計中，許多設(shè)計院對于電動汽車充電樁配電系統(tǒng)的做法不盡相同，特別是在各級配電系統(tǒng)中同時系數(shù)K的取值方面。本文暫按電動車廠家提供的數(shù)值做參考。

假設(shè)某住宅小區(qū)停車庫采用交流充電樁給居民電動汽車充電，以每個充電樁約7kW、充電電流≤32A為例。

1.1 末端配電設(shè)計

目前常見的做法是每個電動汽車設(shè)專用充電樁，末端配電箱給每個充電樁提供專用充電回路，此處末端配電箱按供給6個充電樁設(shè)計，如圖1所示，需要上級配電箱提供42kW的供電容量。

圖1 末端配電箱系統(tǒng)圖

由于該末端配電箱內(nèi)的6個電動車充電樁回路有同時充電的可能性，按照廠家推薦做法，同時系數(shù)K取1。

該末端配電箱的負(fù)荷計算如下。

Pe=42kW

Pjs=K×Pe=42kW

Ijs=42/0.38/1.732/0.98=65A

進(jìn)線開關(guān)及電纜可以按80A、YJV-4×25+1×16來設(shè)計。

1.2 二級配電設(shè)計

圖2 區(qū)域配電箱系統(tǒng)圖

從變電所引出配電干線，在合適的區(qū)域進(jìn)行二級配電，圖2為采用放射式配電時的區(qū)域二級配電箱系統(tǒng)圖。

該配電箱給36個電動汽車充電樁配電，廠家推薦的同時系數(shù)K為0.6～0.7。

區(qū)域配電箱負(fù)荷計算如下。

Pe=6×42kW=252kW

Pjs=K×Pe=0.65×252=163.8kW

Ijs=163.8/0.38/1.732/0.98=254A

進(jìn)線開關(guān)及電纜可以設(shè)計為315A(或280A)、YJV-4×185+1×95。

另外，二級配電也可以采用如圖3所示的樹干式配電方式(圖3中共帶7kW充電樁36個)。

圖3 樹干式配電系統(tǒng)

1.3 變電所設(shè)計

假設(shè)該車庫需設(shè)計216個電動汽車充電樁。按上述方法，需要從變電所低壓柜配出6個供電回路給二級配電箱供電。

變電所負(fù)荷計算如下。

Sjs=680.4/0.9=756kVA

同時系數(shù)K值根據(jù)廠家推薦可取0.4～0.5。如果變壓器負(fù)載率按75%設(shè)計，選擇1 000kVA變壓器可以滿足此車庫的電動汽車充電要求。

根據(jù)上述計算可知，電動汽車的變壓器裝置指標(biāo)為4.6kVA/臺(即1 000/216)。

2 采用分時控制后供配電系統(tǒng)的變化

對于家用的電動汽車，多數(shù)采用7kW的充電機，每輛車電量充滿需5～6h，充滿一次行程約150～200km，而一般上下班的車輛平均行程≤30km，預(yù)計每輛車平均每天充電時間為1～2h。所以如果能將每輛車的充電時間錯開，6輛車的充電任務(wù)完全可以利用晚上的時間完成。

圖4 六選一控制器原理圖

仍按上文中的6個充電樁共用一個配電箱為例進(jìn)行討論。如圖4所示，對6個充電回路實行分時控制，每個時刻只允許一個充電回路接通，其他充電回路處于等待狀態(tài)，當(dāng)排序第一的充電完成后，排序第二位的回路接通對該回路電動汽車充電。這可稱為六選一控制器。圖5即是采用了六選一控制器后末端配電箱的系統(tǒng)圖，與圖1相比，僅需要上級配電系統(tǒng)提供7kW的供電容量即可。 采用分時控制后，由于末端配電箱功率較小，二級配電建議采用放射式與樹干式相結(jié)合的配電形式。如圖6所示，將36組控制箱(帶216臺充電樁)采用樹干式接線，負(fù)荷計算如下。

圖5 采用六選一控制器的末端配電箱系統(tǒng)圖

圖6 采用六選一控制器的樹干式配電系統(tǒng)圖Pe=36×7kW=252kW

Pjs=K×Pe=0.9×252=226.8kW

Ijs=226.8/0.38/1.732/0.98=351A

此處K值可取0.9～1。從計算結(jié)果可以看出，從變電所引出一路240電纜也是可以滿足要求的。

采用這種方式基本不需新建變電所，也不會對原有配電系統(tǒng)進(jìn)行較大的調(diào)整。如果按照變壓器負(fù)載率75%折算，采取這種方式后電動充電樁的變壓器裝置指標(biāo)為1.4kVA/臺，與常規(guī)做法相比，變壓器裝置指標(biāo)降低了70%。

3 分時控制系統(tǒng)的應(yīng)用

電動汽車作為綠色節(jié)能產(chǎn)品得到政府大力推廣，預(yù)計在未來將有更多的電動車投入使用。但由于大量電動汽車充電對配電系統(tǒng)的要求較高，特別是大容量充電機的普及，為之服務(wù)的配電系統(tǒng)造價也直線上升。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，配電系統(tǒng)給每個充電樁提供專用電源，當(dāng)電動汽車需要充電時，將充電樁插頭與電動汽車充電口接通即可，充滿電后，該線路則處于閑置狀態(tài)。由于存在多輛汽車同時充電的情況，在設(shè)計配電系統(tǒng)時應(yīng)按最大負(fù)荷電流考慮，這樣配電系統(tǒng)成本會大大增加，待18:00～20:00的充電高峰期后，配電系統(tǒng)又會處于閑置狀態(tài)。

本文介紹的電動汽車充電分時控制裝置通過可編程控制器對充電樁的充電情況進(jìn)行控制，通過限制一次接通的充電回路數(shù)量或一次供給的最大電流來限制充電的車輛數(shù)目；當(dāng)前一輛/批電動車充電完成，即斷開通路，同時接通下一輛/批回路繼續(xù)充電，以此類推，直到所有電動車均完成充電，此時斷開所有回路，結(jié)束充電。該控制裝置既可以最大限度利用車輛閑置時間，又可以以最小電源電流完成充電，減輕供電系統(tǒng)的負(fù)荷，一舉兩得，特別是對于已建成小區(qū)供配電系統(tǒng)，在其難以提供較大電流時，利用本裝置仍然可以為多輛車進(jìn)行分時充電。

4 兩種方式的對比

4.1 成本及造價

傳統(tǒng)充電樁配電系統(tǒng)規(guī)模較大，從上文可見，為了提供216臺充電樁，需設(shè)置高低壓供配電系統(tǒng)，即使不考慮電力增容費及外線工程費，車庫內(nèi)部的供配電費用已經(jīng)≥100萬元，而采用分時控制方式后，變電所基本不需改造，內(nèi)部配電系統(tǒng)只需一根低壓主干線，費用大大降低。

4.2 設(shè)計及安裝

傳統(tǒng)方式設(shè)計目前還存在許多有爭論的地方，例如供電等級，以及各級配電系統(tǒng)中同時系數(shù)的取值問題等，國家至今沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前主要依靠各充電樁廠家的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。而采用分時控制方式進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計人員不需要考慮這些問題。

4.3 后期維護(hù)

常規(guī)設(shè)計的充電樁配電系統(tǒng)不但維護(hù)工作量大，而且應(yīng)變能力差。比如將來電動汽車數(shù)量增加或單臺電動車充電機功率增加；又或者是原設(shè)計系統(tǒng)難以滿足要求，需要改造供配電系統(tǒng)以滿足使用要求等。而分時控制系統(tǒng)只需要沿原路徑再敷設(shè)一條低壓電纜，將新增控制箱或原線路上的部分控制箱接到新回路即可。

5 軟硬件設(shè)計

5.1 多路選擇的PLC編程

分時控制充電系統(tǒng)要實現(xiàn)車輛先到者先充、后來者排隊等候充電的過程。首先，要解決多用戶排隊問題，可采用時間定時器對每個待充電車輛進(jìn)行計時，并通過對定時器的排序確定排隊車輛的充電順序。

下面參照西門子S7-200編程器，以分時控制器中的第三路充電樁為例，編寫圖7～9幾個程序供參考(啟動申請部分見圖7、順序排列部分見圖8、執(zhí)行部分(假設(shè)第三路先到)見圖9)。

圖7 第三路申請排隊

圖8 第三路(T39)申請先到

圖9 第三路執(zhí)行輸出

圖10 控制系統(tǒng)原理圖

5.2 硬件擴展

分時控制器可以獨立使用，也可以組網(wǎng)使用。圖10是整個網(wǎng)絡(luò)中的單臺控制器原理圖。組網(wǎng)時，可以在管理室對各控制箱回路進(jìn)行監(jiān)測、計量、控制，也可調(diào)節(jié)各控制箱同時開合數(shù)量，進(jìn)而實現(xiàn)對不同區(qū)域負(fù)荷再分配的功能。

6 結(jié)束語

本文介紹了居住小區(qū)中電動汽車充電樁采用分時控制裝置的優(yōu)勢，為工程設(shè)計人員提供了新的設(shè)計思路。由于篇幅有限，文中對于一些細(xì)節(jié)問題未展開討論，如有不妥之處，還望批評指正。

Optimization for Electric Vehicle Charging Piles Distribution System

Tao Yunfei / Li Cong / Zhang Lijun

Through reasonebly planning the charging time of multiple sets of electric vehicle, avoiding concentrated charge within the same time, which not only satisfied the requirement of the user charge, but also reduced the cost of power supply system, promoting the promotion of electric car use.

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