01 住宅小区车库交流充电桩需要系数取值探讨_吴斌

http: / www. jzdq. net. cn 供电与配电 Abstract：Accordingtorelevantexperimental data，this paper mainly discusses the allowed range of demand coefficient for AC charging piles in garage of residential area to provide the recommended value based on the application features of garage，charging habitofvehicleowners，drivingmileageof mainstreamelectricpassengervehicles，featuresof on-boardchargersforelectricvehiclesandother aspects. Keywords：on-boardcharger；ACcharging pile；electricpassengervehicle；residentialarea； demandcoefficient；simultaneouscoefficient；power reduction coefficient；SOC 摘要： 结合相关试验数据， 从住宅小区车库的 使用特点、 车主充电习惯、 主流电动乘用车的续航里 程、 电动汽车车载充电机特性等方面探讨住宅小区车 库交流充电桩的需要系数取值范围， 并给出推荐值。 关键词： 车载充电机； 交流充电桩； 电动乘用 车； 住宅小区； 需要系数； 同时使用系数； 功率折减 系数；SOC 中图分类号：TM910. 6文献标识码：A doi：10. 3969 / j. issn. 1003 - 8493. 2017. 12. 001 0引言 当前国家正在积极推动电动汽车的发展， 各地电 动汽车充电桩的建设如火如荼。 电动汽车充电设施分 为交流、 直流两类： 交流充电桩需要与车载充电机 配合， 容量较小， 目前国标单相交流充电桩最大为 7 kW； 直流充电设施一般采用非车载充电机形式， 容量较大， 有30 kW、60 kW、90 kW、120 kW不等， 随着技术发展将来可能还会出现更大容量的非车载充 电机。 充电设备的容量大、 数量多， 对供配电系统、 变 压器容量的计算影响较大， 如何选择其需要系数是一 个关键问题。 由于目前电动汽车市场尚处于培育阶 段， 充电设施的大规模建设刚刚开始， 缺少大量实测 数据作为支撑， 故目前取得合理的需要系数尚有一定 困难。 尤其是针对社会公共停车场， 由于其用户使用 性质的不确定导致其系数选择更加困难。 但对于量大 面广的住宅小区停车场， 笔者认为还是有一定规律可 循， 经过分析可以得到一个相对有可操作性的需要系 数取值范围。 下面将从车载充电机充电曲线、 车主充电习惯、 车载充电机功率等方面进行详细分析。 1车载充电机充电曲线 为了分析交流充电桩的需要系数， 首先要了解交 流充电桩在充电过程中的电流、 电压、 功率曲线， 为 此笔者进行了实际测量。 受测车辆型号为众泰云 100EV， 经查其车载充电机额定功率为2. 4 kW， 开 始测量时车辆的SOC值 （State of Charge， 指电池的 荷电量值） 为79 %， 充电完成后其SOC值为100 %。 充电过程耗时149 min。 测量过程中， 一人在车 上监控仪表指示数据 （包含充电时间、 充电机温度、 充电机输出电压、 充电机输出电流、 电池组总电压、 Discussion on Demand Coefficient of AC Charging Pile in Garage of Residential Area WU BinMENG Huanping（Hunan Architectural Design Institute Limited Company，Changsha410011，China） 吴斌孟焕平 （湖南省建筑设计院有限公司， 长沙市410011） 住宅小区车库交流充电桩需要系数取值探讨 作者信息 吴斌， 男， 湖南省建筑设计院有限公司， 高级工程师， 机电院副总工程师。 孟焕平， 男， 湖南省建筑设计院有限公司， 教授级高级工程师， 总院副总工程师。 住宅小区车库交流充电桩需要系数取值探讨 （吴斌孟焕平） 807 3 D e c .2 0 1 7 V o l. 3 6 N o . 1 2 http: / www. jzdq. net. cn 誖 BUILDING ELECTRICITY2017年 第 期12 图4电池组总电压曲线 Fig. 4Total voltage of battery pack curve 图1输入电压曲线 Fig. 1Input voltage curve 图2输入电流曲线 Fig. 2Input current curve 图3输入功率曲线 Fig. 3Input power curve 电池组总电流、SOC值、 单体电池最高电压、 单体电 池最低电压、 电池最高温度、 最低温度）， 另一人在 后台监控软件显示数据 （包含输入电量、 输入电压、 输入电流、 输入功率）。 任何一个数据有变化时， 两 人分别记录所有监控数据的实时值。 在整个监测过程 中， 基本上每一分钟需要记录一次数据。 充电过程中交流充电桩的输入电压、 输入电流、 输入功率、SOC、 电池组总电压曲线分别如图1 图4 所示。 从测试数据可以得出以下结论： a.SOC值达到98 %之前， 交流充电桩输出功 率基本都是最大值； b.SOC值达到98 %以后， 输出功率及充电电 流缓慢下降 （下降时长约30 min）； c.只要车辆充电时SOC值小于98%， 车载充电 机基本处于可允许的最大功率工作状态。 2车主充电习惯 车主的充电习惯将会对住宅小区停车场交流充电 桩的配电容量计算造成较大的影响。 住宅小区停车场与社会公共停车场有一个根本区 别， 就是车位归属权基本可做到固定化。 社会公共停 车场的停车位任何车辆都可以停， 停车时电动汽车的 SOC值是随机的， 车辆的停车时长也是随机的。 而住 宅小区停车场的车位大部分采用租赁或出售的形式分 配到具体住户， 当住户车辆没有停在其车位上时， 其 他车辆也不能使用这个空车位。 相对于单个车位来 说， 住户车辆每天停车的时间段、 停车时长有一定的 规律可循。 在目前阶段， 大部分纯电动私家车辆的用途是作 为市内代步工具， 平均每天行驶里程不会太长， 根据 城市大小会有一定的区别， 以长沙市为例， 可以按日 均50 km考虑。 表1为2016年全年纯电动汽车销量 排行及综合里程、 行驶天数的数据 （数据来源于汽车 之家网站）。 根据表1数据， 按日均50 km计算， 从目前市场 占有量分析， 大部分纯电动汽车续航时间在3 6天 左右， 平均可以按4. 5天计。 而大部分车主不会将电 池电量用尽才去充电， 假设按用完70 %电量去充电 考虑， 也有3. 15天的连续行驶天数。 808 4 http: / www. jzdq. net. cn 图6充电持续时间分布 Fig. 6Distribution of charging duration 图5充电接入时段分布 Fig. 5Distribution of charging period 车型品牌 2016年 销量 排名 综合里程 / km 行驶天数 （日均30km） 行驶天数 （日均50km） 比亚迪E61400138 北汽EV160215053 北汽EU260326085 吉利帝豪EV425385 众泰云100515553 奇瑞eQ615153 比亚迪E57305106 众泰E200816053 知豆D1918063 江淮iEV41017053 比亚迪秦EV11300106 江铃E1001215253 东风日产 启辰晨风 18063 上汽荣威e5018063 长城哈弗M3EV15053 长安奔奔MINI440148 长安逸动EV20064 进口宝马i318263 特斯拉Model S5261710 表12016年国内纯电动汽车排行及综合里程、 行驶天数数据 Tab. 1Rank list，comprehensive mileage and driving days of domestic blade electric vehicles in 2016 但要指出的是， 车主的充电习惯很可能不会与续 航天数相符， 有的车主可能两天或三天充一次， 充电 的时间会较长； 而有的车主则会每天充电， 这样每次 充电的时间则会较短。 根据参考资料7， 住宅小区 电动汽车接入电网充电的时间与人们生活工作规律 基本一致， 如图5所示：78. 5 %的充电开始于下午 17：00以后， 其中21：00 22：00间接入充电的样 本最多， 约占总样本的15 %， 但在18：00仍然存在 一个接入高峰； 凌晨4：00 7：00的负荷低谷时段 没有充电记录。 从 图6看 出 ， 所 有 样 本 的 平 均 充 电 时 间 为 182 min（约3 h），38. 3 %的样本充电时间在3 h左 右，1 2 h的占13. 6 %， 超过4 h的占16. 9 %。 单 次充电的持续时间与车辆的行驶里程、 充电频率都有 关系。 参考资料7 引用资料为2012年数据 （试验 样本单台车电池容量为35 kWh）， 由于技术进步， 目 前主流电动汽车的电池容量持续加大， 故相同SOC 值下单次充电时间会加长， 同时电动汽车的续航里程 也会增加。 对于不同车主， 充电习惯可分为3类： 一类是习 惯于在负荷高峰时段集中充电 （17：00 21：00）； 第二类是习惯于在负荷低谷时段集中充电 （21：00 以后）； 第三类是习惯于多次离散充电， 随时充电。 如果由车主根据自身习惯自由选择充电时间， 会有自 然错峰运行的效果， 不会出现所有交流充电桩都在全 功率运行的情况。 根据本文第1章的实测数据及参考文献7 的数 据， 得到如图7所示的不同时间段交流充电桩同时 使用系数Kd： 假设所有车主均在SOC值为30 %时开 始充电， 目前主流电动汽车的单次充电时长约为300min （按7 h全充时间的70 %计算）， 前270 min充电机基 本为全功率运行， 后30 min时会逐渐下降； 每个时 间段开始接入电网的车辆数量百分比根据图5的时段 分布确定。 由图7可以看出，22：00总体负荷达到峰值， 此时约有61 %的车载充电机都在全功率运行， 故可 以考虑取同时使用系数Kd= 0. 6。 供电与配电 住宅小区车库交流充电桩需要系数取值探讨 （吴斌孟焕平） 809 5 D e c .2 0 1 7 V o l. 3 6 N o . 1 2 http: / www. jzdq. net. cn 誖 BUILDING ELECTRICITY2017年 第 期12 图8不同时间段交流充电桩交流充电桩同时使用系数Kd（2） Fig. 8Simultaneous coefficient Kd of AC charging piles at different time period 图7不同时间段交流充电桩同时使用系数Kd（1） Fig. 7Simultaneous coefficient Kd of AC charging piles at different time period 图7为按照所有电动车辆都充电5 h考虑的， 但 实际上考虑到续航里程因素和车主充电习惯因素， 当 车辆SOC值较高时， 充电时长将相应缩短， 故可考 虑将Kd进一步取小。 假设70 %的车主每天充电 （意味着每天车辆的 SOC值不会太低， 充电时长相应缩短， 按约150 min 假设）； 假设另外30%的车主每23天充一次电 （意 味着充电时车辆的SOC值偏低， 充电时间较长， 按 300 400 min假设）。 图8是按上述假设得到的同时 使用系数Kd取值。 根据图8可以看到， 还是在22：00总体负荷 达到峰值， 此时约有 45%的车载充电机在 全功率运行， 考虑到 一定的余量， 建议取 同时使用系数Kd= 0. 4 0. 6。 这个取值基于 30 %车主 （每2 3 天充一次电） 在同一 天 充 电 的 假 设 前 提 下， 实际上此部分车 主也并不会在同一天 充电， 存在一个错峰 因素， 系数可以进一 步减小。 由于上述充电习 惯模型建立的前提是 住宅小区电动车辆数 量较多， 故上述Kd取 值仅在计入负荷计算 的住宅小区交流充电 桩数量较大时建议采 用； 如果计入负荷计 算的住宅小区交流充 电桩数量较少时，Kd 系数取值建议适当增 大。 根据参考资料 9 交流充电桩需要系 数研究， 笔者对系数 进行了一些调整， 最终建议取值如下：n 10（n为计 入负荷计算的住宅小区交流充电桩数量） 时，Kd= 0. 8 1. 0；10 n 30时，Kd= 0. 7 0. 8；30 50时，Kd= 0. 4 0. 6。 3车载充电机功率 GB / T 20234. 2 -2015电动汽车传导充电用连 接装置第2部分： 交流充电接口 规定了交流充电 接口的额定值， 如表2所示。 由表2可见， 单相交流充电桩的充电电流标准 为10 A、16 A、32 A， 对应的充电功率为2. 2 kW、 810 6 http: / www. jzdq. net. cn 表3部分电动车型充电参数 Tab. 3Charging parameters of electric vehicles 型号 车载充电机功率 / kW 充电电压范围 / V 充电电流范围 / A 江淮iEV42. 32359. 8 江淮iEV52. 4235. 510. 1 北汽ES2105. 624 北汽E150EV2. 7238. 811. 2 北汽E1603. 4232. 814. 1 北汽EV2002. 722012. 3 众泰云100S3. 123513 众泰云100EV2. 4237. 49. 4 众泰芝麻E3022367. 7 表2交流充电接口的额定值 Tab. 2Rated value of AC charging interface 额定电压/ V额定电流/ A 25010 / 16 / 32 44016 / 32 / 63 3. 5 kW、7 kW， 即理论上每个单相交流充电桩能够 提供的最大功率为7 kW。 根据市场调查， 目前市场 上主流的电动汽车车载充电机功率并不大， 如表3所 示。 可以看到， 大部分主流车载充电机的额定功 率在3 kW左右。 目前在负荷计算中， 所有住宅小区交流充电桩的 设备安装功率均是按7 kW计算， 但应该注意到这个 值仅是交流充电桩能够提供的最大功率值， 充电时实 际消耗的功率值是由车载充电机根据电池的具体情况 决定的。 考虑到目前主流电动汽车车载充电机的实际 最大功率值在3 kW左右， 笔者给出建议的功率折减 系数 （相对7 kW的单桩安装容量）Kz= 0. 6。 功率折减系数Kz在实际操作中建议分为两部分 来对待： a.在计算充电回路配电干线时， 考虑到在电缆 全寿命周期内难以更换电缆， 而车载充电机功率虽然 现在普遍偏低， 但在国标允许范围内会逐渐加大， 建 议此时取Kz= 1。 b.在计算变压器侧总负荷时， 考虑到目前电动 汽车的市场占用率还很低， 为了尽量降低变压器初次 安装容量及初装成本， 建议此值近期可取Kz= 0. 6。 4需要系数 需要系数Kx的取值最终与两个因素相关： 第一 是同时充电的车辆数； 第二是车辆充电系统在接入 电网充电时所能承受的最大充电功率。 考虑到目前 主流车载充电机的功率值现状以及电缆更换的难度， 建议在计算变压器、 供电干线时采用不同的Kx系数 取值。 4. 1变压器低压侧 （如表4所示） 表4中Kz系数的取值仅针对目前主流车载充电 机功率， 随着技术的发展， 车载充电机的功率会越来 越大， 最终达到国标允许范围的最高值7 kW， 这将 导致Kz系数不断增大直至最终达到Kz= 1。 但同时 随着电动汽车技术的进步， 其续航里程也会越来越 大， 导致Kd系数不断减小， 笔者认为这两个系数此 消彼长， 对最终Kx系数会带来一定的影响， 但影响 不会太大， 至于实际会是怎样的变化， 有待在实际操 作中进一步验证。 4. 2配电干线侧 （如表5所示） 随着电动汽车技术的进步， 其续航里程会越来 越大， 导致Kd系数不断减小； 另外在实际设计工作 中， 一条供电干线负责给50台以上交流充电桩提供 电源的情况较少出现。 表4住宅小区停车场变压器侧建议需要系数近期取值 Tab. 4Recommended value of demand coefficient for transformers in parking lot of residential area 交流充电桩 数量n 同时使用系数 Kd 功率折减系数 Kz 需要系数 Kx= Kd Kz n 100. 8 1. 0 0. 6 0. 48 0. 6 10 n 300. 7 0. 80. 42 0. 48 30 500. 4 0. 60. 24 0. 36 供电与配电 住宅小区车库交流充电桩需要系数取值探讨 （吴斌孟焕平） 811 7 D e c .2 0 1 7 V o l. 3 6 N o . 1 2 http: / www. jzdq. net. cn 誖 BUILDING ELECTRICITY2017年 第 期12 表5住宅小区停车场配电干线侧建议需要系数近期取值 Tab. 5Recommended value of demand coefficient for main distribution lines in parking lot of residential area 交流充电桩 数量n 同时使用系数 Kd 功率折减系数 Kz 需要系数 Kx= Kd Kz n 100. 8 1. 0 1 0. 8 1. 0 10 n 300. 7 0. 80. 7 0. 8 30 500. 4 0. 60. 4 0. 6 5案例分析 长沙市住宅小区的供电为公专结合形式， 住户用 电由公变变压器提供， 其它所有公共用电则由专变变 压器提供。 一般1台630 kVA的公变变压器可以负责 1. 8万m2左右的住户用电， 假设户均120 m2， 则有 150户住户。 按照长沙市目前规定， 车位配比为0. 7， 则地下室对应需要105个车位。 如果住户充电桩用电由1台630 kVA的公变变 压器提供的话， 按照15 %的车位比比例考虑， 近期 安装到位的交流充电桩数量是16台， 即1台630 kVA 的公变变压器要服务16台交流充电桩。 根据上文的 Kx建议取值，Pjs= 16 0. 42 7 = 47 kW。 可以看 到： 如果按照15 %车位比考虑设置交流充电桩， 可以将负荷分散到各个公变变压器上， 这样每台变 压器增加的负荷并不多， 维持现有的容量或加大一 级均可 （视原有公变变压器负载率不同采用不同措 施）。 如果考虑到终期目标， 所有车位100 %均安装交 流充电桩， 即1台630 kVA的公变变压器服务约 105台交流充电桩， 根据上文的Kx建议取值，Pjs=105 0. 24 7 = 176 kW。 可以看到： 如果按照100 %车 位比考虑设置交流充电桩， 需要设置单独的充电桩公 变变压器或者将现有公变变压器加大1 2级 （视原 有公变变压器负载率不同采用不同措施）。 6结语 电动汽车充电负荷受很多因素的影响，