道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施一體化設(shè)計淺談

袁 亮，程生平，曹蘇隴

(中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施一體化設(shè)計淺談

袁 亮，程生平，曹蘇隴

(中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

我國將發(fā)展電動汽車作為國家戰(zhàn)略，以純電力驅(qū)動的電動汽車為發(fā)展的主要戰(zhàn)略方向，重點發(fā)展純電動汽車、插電式(含增程式)混合動力汽車和燃料電池汽車。純電動汽車和插電式混合動力汽車在純電動模式下單位行駛里程的使用成本及污染物排放較內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車有大幅降低，但電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施配套不足限制了電動汽車的推廣和使用。通過利用城市道路照明供電系統(tǒng)廣泛分布的道路照明專用變壓器白天處在輕載甚至空載狀態(tài)的有利條件和相關(guān)的技術(shù)設(shè)備，在允許機動車?？康穆愤厛龅匾虻刂埔说亟ㄔO(shè)分布式電動汽車充電設(shè)施，更加便捷地為小型電動汽車(即采用低成本慢充技術(shù)路線的車輛)進行充電，可以增強電動汽車的社會使用信心，拓展基礎(chǔ)設(shè)施投資回報渠道，有效地減少因機動車使用帶來的污染物排放。

充電設(shè)施;一體化設(shè)計;道路照明系統(tǒng);電動汽車

0 引言

化石能源是目前全球消耗的最主要能源，在汽車的使用過程中大量消耗汽油、柴油、天然氣，產(chǎn)生碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化硫等污染物，威脅全球生態(tài)。因此，如何在交通領(lǐng)域使用更清潔的可再生能源是今后發(fā)展的方向。我國將發(fā)展電動汽車作為國家戰(zhàn)略，以純電力驅(qū)動的電動汽車為發(fā)展的主要戰(zhàn)略方向，重點發(fā)展純電動汽車、插電式(含增程式)混合動力汽車和燃料電池汽車。純電動汽車和插電式混合動力汽車在純電動模式下單位行駛里程的使用成本和污染物排放均大大低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機驅(qū)動的車輛，但由于公用充電設(shè)施建設(shè)指導(dǎo)思想是以大型快速充電站為主，項目建設(shè)需要解決投資、場地、管理維護等多方面的問題，而且在市區(qū)建設(shè)用地日益緊缺的情況下，建設(shè)專用的電動汽車充電站面臨諸多難題。導(dǎo)致小型電動汽車(采用低成本慢充技術(shù)路線的車輛)駛離專用車位后充電難，如沒有固定車位消費者基本不考慮購買電動汽車。如何更加便捷地為電動汽車提供充電電源是相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)人員尋找的技術(shù)突破口。通過充分利用遍布城區(qū)的道路照明供電變壓器白天處于輕載或空載的有利條件，結(jié)合新建道路工程或因地制宜地將現(xiàn)有道路照明供電變壓器及供配電系統(tǒng)進行改造，在變壓器附近建成電動汽車專用充電設(shè)施。在此基礎(chǔ)上結(jié)合城市的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，科學(xué)合理的規(guī)劃、建設(shè)遍布城區(qū)道路的分布式電動汽車專用充電設(shè)施，可以有效地降低電動汽車使用成本，更加便捷地為電動汽車進行充電，增強電動汽車的社會使用信心，形成良性產(chǎn)業(yè)循環(huán)[1]。

1 系統(tǒng)定位

道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施一體化設(shè)施設(shè)計定位是一種利用遍布城區(qū)的道路照明變壓器白天處于輕載或空載的有利條件，并根據(jù)道路平面布局及當(dāng)?shù)亟煌ü芾硪?guī)定，科學(xué)合理地布置相關(guān)設(shè)備，為小型電動汽車(未做特殊說明均指車輛總長≤5.00 m，總寬≤2.00 m，總高≤2.20 m的小型汽車。[2])充電停車位提供電源(電源額定工作電壓交流220V～380V，充電接口額定電流≤32A[3])，供電動汽車便捷地進行交流慢速充電的基礎(chǔ)設(shè)施。

目前我國充電樁的建設(shè)速度仍然落后于新能源汽車的銷量增速，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施薄弱成為制約新能源汽車發(fā)展的一個重要瓶頸[4]。從2014年6月開始，按照國務(wù)院的分工，國家能源局已經(jīng)開始制定《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》，2014年年底前已經(jīng)完成了第一稿，未來與《規(guī)劃》同時出臺的還有《充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)指導(dǎo)意見》。同時，全國多個城市陸續(xù)推出大規(guī)模建設(shè)充電設(shè)施的發(fā)展規(guī)劃[5]。根據(jù)電動汽車的充換電模式，可以把我國汽車充電設(shè)施劃分為快充和慢充兩大類。快充由專門的充電站完成，采用“高電壓、大電流，快速度”完成對電動車電池的充電;而慢充可以通過直接連接交流充電樁或者家用電源完成充電。通過建設(shè)遍布城區(qū)道路的電動汽車充電設(shè)施，使得電動汽車充電設(shè)施布局更加豐富合理、降低電動汽車使用成本，增強電動汽車的社會使用信心，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一定規(guī)模后科學(xué)合理的設(shè)定充電停車費率，并依托互聯(lián)網(wǎng)云計費管理系統(tǒng)，可產(chǎn)生盈利收回部分基礎(chǔ)設(shè)施的投資、改變基礎(chǔ)設(shè)施只有高額投入回報低的窘境。

2 方案設(shè)計

2.1 方案的提出

建設(shè)專用的電動汽車快速充電站除需要配套相應(yīng)的市區(qū)土地外，還需要進行相關(guān)的土建施工、設(shè)備安裝和場站管理維護，項目前期投資巨大;且受目前的充電技術(shù)限制，單輛車充電時間需要30 min左右，運營后參照城區(qū)的加氣站、加油站使用情況，充電站對其附近的道路交通會造成一定的負(fù)面影響。

道路照明專用供電變壓器白天處于輕載或空載狀態(tài)，且遍布城區(qū)各條道路。本文介紹一種利用路邊停車位和路燈供電變壓器提供電源的電動汽車分布式充電設(shè)施的設(shè)計實施方案，相信隨著該技術(shù)的實際應(yīng)用，可以有效地提高現(xiàn)有路燈供配電設(shè)施的利用率，并緩解電動車充電難的問題。

2.2 設(shè)計指導(dǎo)思想

充分利用現(xiàn)有的道路照明相關(guān)供配電設(shè)備及停車場地、提供一種便捷、安全、可靠、高效的電動汽車充電設(shè)施。

2.3 設(shè)計方案

2.3.1 方案應(yīng)用場景及相關(guān)設(shè)計參數(shù)

由于利用道路或路邊停車對車輛車充電會對道路交通造成一定負(fù)面影響，因此在道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施(以下簡稱該設(shè)施)一體化設(shè)計方案實施道路的選擇上，推薦在次干路、支路上進行該設(shè)施的設(shè)計。路邊綠化帶小于7 m的主干路和快速路一般不予考慮。在設(shè)計實施方案時必須具體到每一條道路與當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃主管部門、交管部門、建設(shè)單位進行充分的溝通，統(tǒng)一意見后進行設(shè)計。

除利用道路和路邊停車場進行該設(shè)施的設(shè)計實施方案外，還可在能提供低壓電源的城市公共停車場、地下停車庫進行相關(guān)改造;在電源的選擇上也不局限于道路照明專用變壓器供電，在有條件提供充電電源的停車場均可實施。每個充電停車位可停放車輛總長≤5.00 m，總寬≤2.00 m，總高≤2.20 m的小型電動汽車。并提供交流電壓220 V～380 V電源，供充電額定電流≤32 A的電動汽車充電使用。

在具體的充電停車位的實施地點選擇上，應(yīng)選擇具備良好視野、出入口距離人行過街天橋、地道和橋梁、隧道引道大于50 m，距離交叉路口須大于80 m的相關(guān)路段進行[2]。同時，在車輛出入口按照《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》(GB5768-2009)設(shè)置交通標(biāo)志、交通標(biāo)線和相關(guān)設(shè)施。為此還專門設(shè)計了三種電動汽車充電停車位的指示標(biāo)志牌供工程設(shè)計安裝選擇使用，見圖1所示。

圖1 電動車充電停車位的指示標(biāo)志、標(biāo)牌圖示

在設(shè)計中如采用路邊停車位作為電動汽車停車充電的停車位，為降低停靠充電車輛對交通的影響，宜采用與道路平行式停車位，不宜采用斜列式及垂直式停車位，實際工程設(shè)計時因綜合考慮各方面因素，選用適合具體場地的停車方式。常見停車位設(shè)計參數(shù)參見表1停車位設(shè)計參數(shù)表。

表1 停車位設(shè)計參數(shù)表

2.3.2 新建道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施-體化設(shè)計方案

新建道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施(以下簡稱該設(shè)施)一體化設(shè)計方案須在道路設(shè)計時與當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃主管部門、交管部門、建設(shè)單位進行充分的溝通，統(tǒng)一意見后進行方案設(shè)計。

設(shè)計方案主要涉及道路、交通、電氣等專業(yè)。應(yīng)先由道路專業(yè)根據(jù)規(guī)劃，分析道路設(shè)計范圍內(nèi)是否適合設(shè)置該設(shè)施。如符合要求，電氣專業(yè)結(jié)合道路照明系統(tǒng)路燈照明專用供電變壓器位置提出擬設(shè)置該設(shè)施的具體位置，再由道路、交通專業(yè)根據(jù)規(guī)劃、近遠(yuǎn)期交通量、設(shè)置該設(shè)施后對相關(guān)道路通行能力的影響進行綜合評價，并提交當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃主管部門、交管部門、建設(shè)單位征求意見后綜合確定該設(shè)施的實施方案。

在新建道路范圍內(nèi)設(shè)置的該設(shè)施配電系統(tǒng)宜采用專用回路供電，即道路照明回路與充電設(shè)施供電回路分別設(shè)置。圖2為該設(shè)施的平面布置示意圖。

圖2 道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施平面布置示意圖

該系統(tǒng)由充電停車位、供配電設(shè)備、安全監(jiān)控設(shè)備、車位控制器等組成。當(dāng)電動汽車需要充電時，由入口通道駛?cè)?，停泊在充電停車位，電動汽車充電設(shè)備輸出端與待充電車輛連接進行充電，同時車輛控制系統(tǒng)工作，檢測車輛位置并啟動車輛限位器禁止車輛移出車位，充電設(shè)備根據(jù)充電模式設(shè)置自動向車主發(fā)送信息或回?fù)茈娫捥崾境潆娗闆r，待充電完成，車主繳費后車輛控制系統(tǒng)解除車輛限位器，車輛可由出口通道駛出。為提高充電車位的利用效率，非電動車停靠充電車位和電動車不充電?？砍潆娷囄豢稍O(shè)置高收費標(biāo)準(zhǔn)，電動車充電完成后一定時間未交費離開，系統(tǒng)自動提高收費標(biāo)準(zhǔn)。圖3為該設(shè)施的系統(tǒng)組成框圖。

圖3 道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施系統(tǒng)組成框圖

電動汽車需要充電時，相關(guān)人員可通過互聯(lián)網(wǎng)或具備網(wǎng)絡(luò)功能的應(yīng)用程序客戶端進行查詢，選擇就近空閑的充電停車位進行預(yù)約、預(yù)約成功后車位控制器啟動，阻止未預(yù)約車輛進入預(yù)約充電停車位并開始計費。待充電電動汽車也可直接由入口通道駛?cè)肟臻e充電停車位?？?，將電動汽車充電設(shè)備輸出端與電動汽車連接進行充電，電動汽車充電設(shè)備可根據(jù)設(shè)定將車輛充電狀態(tài)及時推送至充電車輛駕駛員的手機或其它客戶端(包括平板電腦及其他設(shè)備)進行提醒，電動汽車充電完成后由出口通道駛出。

2.3.3 現(xiàn)有道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施-體化設(shè)施升級改造設(shè)計方案

現(xiàn)有道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施一體化設(shè)施升級改造設(shè)計方案應(yīng)根據(jù)已有道路照明供配電設(shè)施安裝位置、容量，以及當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃主管部門、交管部門、建設(shè)單位的意見進行設(shè)計。配電系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場情況，綜合各方面因素從表2道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施改造供電方案簡介表中選擇。

表2 道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施改造供電方案簡介表

方案一可通過單燈控制器實現(xiàn)供電主干電纜帶電的開關(guān)燈控制，電動汽車充電設(shè)施只需要從就近的路燈供電干線引接電源即可，但至少需要對擬接入電動汽車充電設(shè)施的回路進行改造——在該回路每盞路燈上安裝單燈控制器實現(xiàn)供電干線帶電情況下的單燈開關(guān)燈控制，需要在每盞路燈上安裝單燈控制器，并在每個電動充電設(shè)備電源引入端也需安裝電力載波控制器，防止晚上路燈正常工作時，電動汽車充電設(shè)施接入供電回路造成回路超負(fù)荷。該方案施工改造難度較低，且單燈控制方案作為一種成熟、可靠的路燈控制方案，國內(nèi)外已有多家設(shè)備廠商開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品，并在一些城市進行了安裝使用。結(jié)合道路照明節(jié)能改造工程實施，可以大大降低該方案的工程投資及風(fēng)險。

方案二與新建道路相同，道路照明回路與電動汽車充電設(shè)施分別設(shè)置供電回路，互不影響，但在已有道路改造過程中需要開挖道路進行電纜敷設(shè)作業(yè)，對路面有破壞，對交通也有影響，有一定的施工難度但供電可靠性優(yōu)于方案一。

以改造50臺80 kVA的路燈供電變壓器，每臺路燈變壓器可接入充電樁6臺，所接入充電樁滿負(fù)荷工作8 h，充電樁利用率0.80，充電服務(wù)費按每千瓦時收費上限標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)日北京市92號汽油每升最高零售價的15 %計算[6]，假定92號汽油油價每升5.00元，則1 d的充電服務(wù)費為50×6× 8×0.8×5×0.15=1 440(元)，每年僅充電服務(wù)費一項就達(dá)53萬元?？梢钥隙?，隨著電動汽車充電設(shè)施的完善，以及電動汽車的普及，能有效地緩解由交通出行引起的機動車尾氣排放、環(huán)境污染等問題。

3 存在的問題

由于每臺路燈專用變壓器容量有限，因此由路燈變壓器供電的充電停車位數(shù)量受限。若按每個充電停車位需提供充單相充電功率Pe=7 kW計算，以100 kVA的路燈照明專用變壓器為例，在理想情況下，約能提供約9個充電停車位;如過多預(yù)留充電停車，當(dāng)多個電動汽車在同一時間接上電源，變壓器很快就會超過70%負(fù)荷率[7]，并有可能造成變壓器超負(fù)荷。

因為人們無法確定哪個車主會在哪個時間對電動汽車進行充電，也無法在有限的時間計算出來。所以目前采用了嚴(yán)格限制每臺路燈變壓器供電的慢速充電樁的辦法來防止變壓器出現(xiàn)過負(fù)荷的情況。表3給出了常見路燈變壓器可接入的慢速充電樁數(shù)量。

表3 常見路燈專用變壓器可接入的慢速充電樁數(shù)量表

為方便待充電車輛，目前可通過采用充電停車位預(yù)約導(dǎo)航軟件、或與充電停車位合作的第三方客戶端引導(dǎo)待充電車輛抵達(dá)就近的可用充電停車位。相信未來隨著智能電網(wǎng)配電技術(shù)和智能電源管理系統(tǒng)的成熟，如果能實現(xiàn)智能交互式充電，那么在同樣的變壓器容量下就可以配置更多的樁，更加機動靈活的為電動車輛充電。

4 結(jié)論

道路照明系統(tǒng)與電動汽車充電設(shè)施一體化設(shè)施應(yīng)在具有條件的次干路、支路上進行設(shè)置，且設(shè)計時必須與當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃主管部門、交管部門、建設(shè)單位進行充分的溝通，統(tǒng)一意見后進行設(shè)計。

當(dāng)?shù)缆氛彰髯儔浩魅萘繛?0 kVA時，可接入單相供電、容量為7 kW充電樁數(shù)量不應(yīng)超過6臺;變壓器容量為100 kVA或125 kVA時，可接入單相供電容量為7kW充電樁數(shù)量不應(yīng)超過9臺。

通過充分利用路燈照明供電變壓器白天輕載運行的特點，將電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施偏與道路照明供配電系統(tǒng)進行一體化設(shè)計，可以提高路燈供配電設(shè)施的利用率、有效地降低電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施投資風(fēng)險。而且通過推動路燈供電變壓器為電動汽車分布式充電設(shè)施一體化設(shè)計的工程實際應(yīng)用，可以使電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施更加多樣化;降低電動汽車充電設(shè)施的安裝成本，更加便捷地為電動汽車充電，不僅方便車主、而且還增加了市政基礎(chǔ)設(shè)施的盈利手段;促進電動汽車的消費，有效地降低機動車行駛引起的空氣污染物排放。

[1] 袁亮，程生平.道路路燈供電變壓器與電動汽車充電設(shè)備一體化設(shè)施[P].中國專利:ZL 2014 2 0637181.4，2015-02-25.

[2] 中華人民共和國公安部、建設(shè)部[88]公(交管)字90號.停車場規(guī)劃設(shè)計規(guī)則(試行)[Z].

[3] GB/T20234.2-2011.電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置[S].

[4] 第一電動網(wǎng)，能源互聯(lián)網(wǎng).再次強調(diào)電動汽車充電樁的價值[EB/OL]. http://www.d1ev.com/38512.htm l，2015.

[5] 北極星電力網(wǎng). 電動汽車逐漸興起如何規(guī)劃充電站的建設(shè)[EB/OL]. http://news.bjx.com.cn/htm l/20150316/598080.shtml，2015.

[6] 京發(fā)改[2015]848號.北京市發(fā)展和改革委員會關(guān)于本市電動汽車充電服務(wù)收費有關(guān)問題的通知[Z].

[7] CJJ 45-2006. 城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

U469.72

B

1009-7716(2015)11-0199-04

2005-08-31

袁亮(1979-)，男，甘肅陜西人，高級工程師，從事建筑電氣及道路照明工程設(shè)計工作。