民用建筑中电动汽车充电桩设施设计要点 （建筑车位布置|谐波电流|变压器选择|规范要求）

0 引言

　　近年来，随着电动汽车行业的发展和对生态环境的关注，国家相继出台了一系列的政策和要求来推广电动汽车等新能源汽车的使用和发展，其中国办发〔2015〕73号“国务院办公厅关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见”提出：到2020年基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系，满足超过500万辆电动汽车的充电需求。各部委及地方政府根据指导意见相继出台了具体的标准、措施和实施方案。据统计，到2016年底，我国电动汽车保有量接近100万辆，建设、运营公共充电桩数量接近15万个。为实现指导意见的目标，电动汽车充电桩在今后几年还将迎来快速发展，规模和数量将大幅增加。本文针对目前民用建筑中充电设施的设计、实施过程中需注意的事项及存在的问题提出笔者的看法和建议，以供同行探讨。

1 电动汽车充电设施分类及现状

　　目前公共服务行业如电动公交车、电动出租车等一般都通过设置专门的换电站或集中充电站来补充电能，以提高效率，方便车辆使用。而民用建筑中设置的电动汽车充电设施(以下简称“充电桩”)主要服务对象的是个人及企事业单位使用的电动汽车。根据其输出电流的不同可分成交流和直流两类充电桩。

　　交流充电桩：充电桩输出的电流为交流，安置在电动汽车外，与交流电网相连，完成对车载充电机的交流供电作用。交流充电桩作为电力输出的装置，无法直接向电动汽车储能装置充电，必须要通过车载充电机对电能进行处理后才可以向电动汽车的动力电池充电，相当于只是起了一个控制电源的作用。由于车载充电机一般充电功率相对较小，又被称作“慢充”。

　　交流充电桩的连接示意如图1所示。

　　车载充电机功率目前主要为3.3kW及6.6kW，输入电流分别为16A和32A，输入电压220V。慢充充电速度较慢，一般需6~8h以上才能充满。慢充充电方式为电动汽车标准配置，一般各厂商均随车提供一套家用壁挂式交流充电桩，并通过第三方服务商协助用户安装使用。另外也有充电桩生产服务商提供符合国标要求的交流充电桩，安装在商场、超市停车场等处，通过标准化的通讯协议可满足不同品牌电动汽车充电的要求。

　　直流充电桩：充电桩输出电流为直流，安置在电动汽车外，与交流电网相连，经过电能处理后，可以直接向电动汽车的动力电池输出直流电进行充电的供电装置。直流充电桩的输入为380V交流电，经过整流等环节处理后输出为可调直流电。由于直流充电桩采用三相四线制供电，功率相对于车载充电机大了很多，输出的电压和电流可调范围也更大，可以实现快速充电，又被称作“快充”。其与电动汽车的连接示意图如图2所示。

　　快充的充电功率取决于电池管理系统和充电桩输出功率，一般在1h左右可充满80%的电量。目前主流的充电模块为15kW，因此直流充电桩功率主要有30kW、45kW、60kW、120kW等，同时目前也出现了功率更大的充电桩，被称为“充电堆”，总功率高达几百千瓦的充电模块集中在一起，并配置2个或多个充电枪，形成多个充电终端。直流充电桩目前主要由充电设施服务商安装在高速公路服务区、大型商业办公建筑、高星级酒店、大型停车场等场所，可兼容各品牌电动汽车，但需注意个别型号的电动汽车并不支持直流充电。

2 民用建筑中充电桩设计需注意的一些要点 2.1明确充电桩的配建要求

　　根据住建部在建规[2015]199号文件中提出的要求：“自2016年起，城乡规划主管部门提出的新建居住(小)区和大型公共建筑的规划条件，核发相关建设工程规划许可证时，必须严格执行新建停车场配建充电设施的比例要求，新建住宅配建停车位应预留充电设施建设安装条件，新建的大于2万平方米的商场、宾馆、医院、办公楼等大型公共建筑配建停车场和社会公共停车场，具有充电设施的停车位应不少于总停车位的10%。要将相关要求纳入工程建设强制性标准，施工图审查机构在审查住宅项目和大型公共建筑施工图时，应对充电设施设置是否符合工程建设强制性标准进行审核。”可见住建部明确要求在设计文件中对充电设施的设置作出说明。由于各地发展情况不同，对充电设施的具体设置要求也各不相同，各地方又相继出台了一系列地方要求，有要求按项目配建停车位或规划停车位的数量根据一定比例配置的，也有按区域及项目类别分解落实配建指标的。

　　因此电气设计人员在工程设计时应注意收集资料，主要对充电桩的配建数量、快慢充设置比例、设置区域、设置要求(是安装到位还是预留条件)、负荷容量及相关配套变压器容量的计算要求、是否要求专设变压器、电价计量的要求以及其他消防及安全上的具体要求作详细了解。对充电桩的配建指标及数量应明确要求相关专业在设计文件中体现，落实具体的快慢充的数量，以便相关部门审核。

2.2 充电桩平面布置时对车位的影响

　　电气专业在具体项目实施过程中，应与相关专业紧密配合，仔细考量充电设施及充电车位的设置。目前有关地方标准对充电设施的安装间距作了相关的规定，设计人员在布置时应根据相关要求复核充电设施的安装条件。例如根据浙江省标准《民用建筑电动汽车充电设施配置与设计规范》第4.1.8条第1款要求：“电动汽车与充电设备之间应保证安全距离：充电设备安装在车侧且不妨碍车门开启时，充电设备外廓(含防撞设施)距电动汽车净距不应小于0.4m;妨碍车门开启时，充电设备外廓(含防撞设施)距电动汽车净距不应小于0.6m。

　　充电设备安装在车尾时，充电设备外廓(含防撞设施)距电动汽车净距不应小于0.5m。”而目前建筑专业设计车库停车位时通常为宽2.4~2.5m，长5.5~6m，一般电动乘用车宽度1.8m左右，车长小于。可见如在普通停车位侧方设置充电设施是较难满足规范要求的。建议在排布设置慢充桩停车位时，优先考虑将垂直于行车道且车后为分隔墙体的停车位设置为慢充桩停车位，在车尾处设壁挂式慢充桩，同时在车位处设置后轮车挡保障安全，避免人员在操作充电设施时发生意外，这样可充分利用空间，也便于车位的排布。如需在车辆侧方设置充电设施，设计时应充分考虑充电设施尺寸及间距要求，不能简单地按普通车位的尺寸设置。

　　在设置充电桩时，设计人员应注意实际操作的便利性和安全性。如图3左图所示，设计人员将图示车位划为慢充桩停车位，在附近柱上设置壁挂式慢充，则将对实际使用造成极大的干扰，中间车位充电时充电线缆势必影响两侧停车及人员的通行。而上方停车位充电时因充电线缆较长可能侵占车道，影响车辆通行，造成安全隐患。建议调整为图3右图所示，在车尾处设置立柱式慢充桩，则可避免不利因素，方便实际使用。

　　对于直流充电桩的设置，其体积一般较大，设计人员在平面布置时，应将快充桩的位置进行定位并提资给相关专业，避免今后设置时，占用通道，妨碍使用。如在室外公共区域设置时，可考虑结合绿化带设置，但应注意周围植被及浇灌设施的影响，例如周围不宜种植高大乔木以减少雷击危害，同时也避免妨碍植被的养护工作。快充桩一般功率较大，宜集中设置并靠近变压器以减少线路损耗，主要作为补充及应急充电使用，可考虑设置在便于进出及管理的区域以提高使用率，方便及时维护和应急处理。

　　另外，设计人员应根据项目业态主要的客户群体合理设置快慢充的数量和区域。对于商业、医院、餐饮娱乐等场所，人员流动频繁，人均停留时间相对较短且不固定，其对快充的需求更为迫切。而办公、学校、旅馆酒店等场所人员相对固定，停留时间亦较为稳定，用户可充分估计所需充电时间，对充电时间没有特别要求，则可考虑多设置慢充。特别在综合体项目设计时应充分考虑业态的分布，针对客户群体优化快慢充车位的布置，减少充电桩的闲置，提高用户体验。

2.3 充电桩设置对照明的要求

　　充电桩使用时需要一定的照明。以为DB/1121-2016例，表5.7.1规定充电区的地面照度标准值为50lx，同时要求交流充电桩、非车载充电机等充电设备的操作面需增加局部照明(200lx)，如充电设备操作面自带背景灯(如自带背景灯的触摸液晶显示屏)可不增加局部照明。而根据《车库建筑设计规范》表7.4.3规定，行车道的地面照度值为50lx，停车位的地面照度值为30lx。设计人员在设计时应注意相关标准之间的差异，在浙江省车库内设计充电车位时，可将充电车位区域的灯具与行车道的灯具布置保持一致，这样即可满足充电区的照度要求。目前主流快慢充桩均带液晶屏或背景灯，因此一般无需附加局部照明。对于其他地区如无相关标准的要求，室外及地面充电桩笔者建议参照GB50034-2013表5.5.1对车辆加油站的要求，采用地面照度标准值100lx，并且充电设施操作面处的垂直照度50lx。

2.4充电桩对变压器设置的要求

　　电气设计对充电设施需要考虑的另一个问题就是变压器容量的选取。而变压器容量的选取与需要系数息息相关。充电桩的需要系数是目前的一大难点，缺少大量统计数据的支持。笔者对住宅小区的慢充桩变压器的配置及采取的相关措施提出下列看法，供同行探讨。

　　由于目前电动汽车一次充满电综合里程大约在150~200km，以每日出行里程30~40km计算，一辆电动汽车每周充电2~3次即可满足日常使用需求。同时由于公共场所充电桩由服务商提供，除电价外还收取一定的充电服务费，而居民充电则大多以居民用电电价计费，相比有较大的费用优势，因此预计家庭慢充是家用电动汽车的主要充电模式，而其他场所的充电设施则将作为家庭电动汽车应急或补充充电的手段。对住宅小区来说，居民用电高峰期一般在18：00~23：00之间，而电动汽车充电大多在车主下班回家之后，这样两者时间上将出现重叠，而随着家用电动汽车保有量的提高，该部分用电量的增加将大大影响住宅小区变压器容量的设置。由于居民电价实施峰谷电价，因此设计时可考虑将普通居民慢充设置时控开关，在每天：00之后接通充电线路，与居民生活用电高峰错开，利用谷电充电，这样到第二天早6：00之前有的充电时间，可满足电动汽车的充电要求，不影响车主的出行。另外目前有部分电动汽车厂商所配慢充具有预约或定时功能，亦可通过用户端来实现定时充电的功能。

　　据参考文献[4]调查显示，住宅用电负荷按《住宅建筑电气设计规范》条文说明中表1所给需要系数的下限值设计，仍比实测值大出许多，即使在负荷最大时，仍高出实测值近1倍甚至3倍。如按杭州等地电力部门对住宅小区负荷容量需要系数的规定，则差距更大。如假设某住宅小区共户，需要系数为Kx1，每户用电负荷为PkW，由上述调查结果可得，实际使用的计算负荷为0.5××P×N(kW)，如果将慢充桩负荷平均分布于小区内各住宅供电变压器，同时考虑用户用电负荷的增长，取1.2的可靠系数，按原设计所配置变压器即可满足慢充桩充电功率为(1-1.2×0.5)×Kx1×P××P×N(kW)，如慢充充电桩的需要系数取，每户用电负荷P取6kW，慢充桩按7kW取值，则可满足充电需求的慢充桩数量M=0.4Kx1×6×(7×Kx2)=0.34N×Kx1/Kx2。如按杭州地区供电部门要求Kx1=0.8，极值为1，则Mmin=0.27N，随着住户N的增加，的取值也将减小，可供电的慢充桩数量M便更多。由此可见，如果将杭州住宅小区的慢充桩负荷平均分布至各住宅变压器，采用定时充电模式，错峰充电，原设计至少可满足约住户户均1辆电动汽车的充电需求，而无需增加或增大变压器容量，同时充分利用了变压器的资源，削峰填谷，避免电力资源浪费，节省投资，节约场地。因此在住宅小区设计时，如无相关标准的要求，个人建议在负荷计算时可对慢充桩的需要系统适当取小，减小慢充桩的计算容量，不放大或少量加大变压器的安装容量。将慢充桩负荷平均分配至各住宅变压器，采取定时开断、错峰充电等措施优化配电系统，避免变压器容量过大，造成投资浪费。

　　目前如浙江、江苏及其他地区的相关标准或电力部门的设计导则都对住宅充电桩有规定比例配足变压器容量的要求，这种情况下，设计人员应当注意执行当地的具体要求。

　　对于其他商业、办公、酒店、学校、医院等场所，快慢充桩的设置主要解决用户补充充电和应急充电的需求，其充电时间与工作或营运时间重叠。应充分考虑充电桩的容量，可适当集中设置并设专用变压器，方便运营管理。

2.5 充电桩的谐波影响

　　充电桩对电气设计带来的另一个问题就是谐波干扰。电动汽车充电时需实现AC/DC的变换，而充电机的整流环节是最主要的谐波源。直流充电桩较多采用三相全波整流，整流电路脉动数为6，其特征谐波为6k±1次，即5、7、11、13、17、19、……，谐波次数越低，其谐波幅值越大，谐波幅值与谐波次数成反比。因此充电桩主要的谐波含量为5、7次谐波。同时谐波电流的大小与设备工作时施加在其上的电压幅值有关。系统电压越高，运行点越深入饱和区，空载电流的波形畸变越大，其谐波含量也越高。

　　电动汽车在后半夜充电时，电力系统负荷减少，电压升高，充电设施相应产生的谐波电流也较平时增大。

　　对主要供电负荷为快充的变压器，一般可在无功补偿电容器处串联5%电抗率的失谐滤波器，对5、7次谐波可起到较好的抑制效果。

　　而随着有源滤波技术的发展，产品价格的降低，国家相关标准要求的发布，对谐波的限制要求也引起了相关生产企业的重视，目前已有快充桩采用有源滤波设备，其价格约占快充桩成本的15%。直流充电桩如采用了有源功率因数校正(APFC)及脉宽调制技术(PWM)，其功率因数可达到0.98以上，谐波含量亦限制在国标范围内，电磁兼容性及抗电磁干扰能力大大提高。而目前部分高端电动汽车车载充电器也已开始搭载APF，功率因数接近1，车载充电器的谐波也得到有效的控制。而据相关测试表明，未搭载的电动汽车采用慢充充电时，谐波含量较高，中性线电流可能超过相线电流，对此应引起重视。末端充电设备采用有源滤波将有利于提高整个充电桩供电系统的效率，减少系统损耗，保证电能计量与计费的准确性，保障充电桩通信系统的稳定性，使电动汽车充电装置更能满足智能电网、物联网通信的发展要求。

　　另外由于谐波电流与充电机的充电电流相关，充电负荷越大，则谐波电流百分比越高。目前电动汽车充电大多采用阶段性充电，即先恒流后恒压模式(如图4所示)，因此对于集中设置管理的充电桩，还可通过智能化电能管理系统，分组分时启动充电单元，当一部分充电桩转入恒压充电阶段时，其充电电流开始大幅减小，此时可启动另一组充电单元，这样系统最大的充电电流值就小于所有充电设施同步充电时的电流值，相应产生的谐波电流值也较小。

　　由于对电力系统运行中的谐波情况无法预测，需根据现场情况监测分析，同时目前有源滤波技术也是治理各级谐波最有效的措施，因此在电气设计时，建议在带充电桩负荷较多的变电所内预留有源滤波柜的机位，保证后续有可治理实施的措施即可。

5 结语

　　由于目前充电设施的建设尚处于发展初期，充电桩的设置受充电技术的发展影响也会产生较大的变化，高充放电流比电池技术、大电流脉冲充电以及无线充电技术的发展均会对充电设施的建设产生较大影响，设计人员在电气设计过程中应多关注其发展状况，结合现实情况提出合理建议，使电动车充电桩真正做到设置合理、安全便捷、高效实用，促进节能减排。