2023.6|程威:电动自行车充电系统负荷计算与开关、导体选型要点

关键词：电动自行车；专用充电设施；智能充电箱；设备功率；充电功率；功率因数；负荷计算；配电方案

引用本文：程威.电动自行车充电系统负荷计算与开关、导体选型要点[J].建筑电气，2023,42（6）：36-41.



随着电动自行车相关火灾事故频发，电动自行车充电场所防火设计逐渐引起重视。电动自行车相关标准的相继实施，促进了电动自行车专用充电设施产品技术的不断完善，安全性不断提高。但笔者多年跟踪发现：现有电动自行车充电设施产品的电气参数经常标注不全，而现行标准和图集并未提及该方面内容，这给电动自行车充电系统的配电设计带来很大不便。

近年来，笔者在工程设计实践和图纸外部审查中发现：很多电动自行车配电系统因功率因数选择不合理，导致负荷计算失准、开关与线缆选型不当。笔者经过长期跟踪、采集数据，旨在弄清电动自行车充电器、智能充电箱等产品参数，为电动自行车充电系统的负荷计算与开关、导体选型提供参考。

电动自行车充电系统的负荷统计

电动自行车充电系统的负荷统计是负荷计算的前提，而准确的负荷统计需要了解电动自行车充电系统的组成，确定电动自行车充电器的充电功率、专用充电设施的充电功率。

>>>>  电动自行车充电系统的组成

根据GB 17761 - 2018《电动自行车安全技术规范》（以下简称《电自规》）第3.1条的定义，电动自行车是以车载蓄电池为辅助能源，具有脚踏骑行能力，能实现电助动或 / 和电驱动的两轮自行车。车载蓄电池完成充电需要匹配专用的充电器，为充电器提供电源的专用设备为电动自行车专用充电设施。根据GB / T 42236.1 - 2022《电动自行车集中充电设施 第1部分：技术规范》第3.2条术语和定义，参考北京市、天津市、江苏省地方标准的相关规定，电动自行车专用充电设施是指专为电动自行车或蓄电池组集中提供电能的相关设施总称，包括交流充电桩、充电柜、换电柜。本文仅讨论交流充电桩，下文提到的电动自行车专用充电设施除特别注明外，均指交流充电桩。充电桩产品通常做成壁挂箱式充电箱，箱内设置交流充电控制器、保护装置、通信装置等，俗称智能充电箱。

电动自行车充电系统通常包括电动自行车车辆（带车载电池）或蓄电池、电动自行车充电器、专用充电设施、专用配电箱等。电动自行车的车载电池通常为铅酸电池和锂电池，本文的讨论以铅酸电池为研究对象。

>>>>  电池型号

根据《电自规》规定：电动自行车蓄电池标称电压不大于48 V，蓄电池的最大输出电压不应大于60 V。市面上电动自行车的车载铅酸蓄电池通常是由若干标称电压为12 V的单块电池串联形成的电池组。常见电池块数为3块、4块，对应总标称电压为36 V、48 V。电池总标称电压相同时，安时（Ah）数越大，电池容量越大，充电功率也越大。

>>>>  电动自行车充电器功率

电动自行车充电器是将AC 220 V整流为低压直流的电器装置，它将市电转换为直流电并输送到电动自行车车载电池内。充电器在工作状态的输出电压要保持在蓄电池标称电压以上，不同厂家、不同电池类型的充电器输出电压有波动，但均高于蓄电池标称电压。表1列出了某大厂品牌充电器型号及参数。

>>>>  电动自行车智能充电箱功率

电动自行车智能充电箱（以下简称充电箱）交流输入、交流输出，属于交流充电设备，具有交流输出电源远程通断控制、充电安全控制、电度计量、按时计费等功能，能通过车配充电器为电动自行车充电。充电箱常见产品为壁挂式，支付方式可选择刷卡、扫码、投币，也可设置成免费型。

目前市面上充电箱普遍采用单相输入，按同时可支持充电的电动自行车数量，分为10路型、20路型，其中10路型应用最为广泛。

对于单台充电箱的电气参数，有的厂家没有标明功率，但标明最大输入电流。从厂家生产角度来看，充电箱无变压、整流功能，只是一个带电子开关的分配电箱，要想得到功率，需要电流、电压、功率因数等参数，而功率因数并非厂家所能控制。比如PZ30配电箱、XL21配电柜，厂家通常标注额定电流，有了电流即可选型开关，因此，标注设备的额定电流对厂家来说更为方便、实际可行。表2列出了主流电动自行车智能充电箱产品参数。

了解到一些以生产低压配电开关为主的厂商也开发此类充电箱，且普遍提供10路型。产品标注了最大输入功率和每路最大输出功率，标注单位是“W”。笔者结合此类产品的最大输入电流参数推断产品的功率参数标注有误，应把功率单位由“W”改为“VA”。修正后的产品参数如表3所示。

电动自行车充电系统负荷计算与开关、导体选型要点 程威（江苏政泰建筑设计集团有限公司，江苏省宿迁市 223800） 摘　要：针对电动自行车充电系统配电设计中存在的功率因数选择不合理，开关与电缆选型不当等问题，通过长期跟踪、采集资料数据，对市面上电动自行车相关产品技术参数进行分析、研究，旨在弄清电动自行车充电系统相关产品电气参数，方便设计人员更加合理地进行电动自行车充电系统配电设计。 关键词：电动自行车；专用充电设施；智能充电箱；设备功率；充电功率；功率因数；负荷计算；配电方案 引用本文：程威.电动自行车充电系统负荷计算与开关、导体选型要点[J].建筑电气，2023,42（6）：36-41. 随着电动自行车相关火灾事故频发，电动自行车充电场所防火设计逐渐引起重视。电动自行车相关标准的相继实施，促进了电动自行车专用充电设施产品技术的不断完善，安全性不断提高。但笔者多年跟踪发现：现有电动自行车充电设施产品的电气参数经常标注不全，而现行标准和图集并未提及该方面内容，这给电动自行车充电系统的配电设计带来很大不便。 近年来，笔者在工程设计实践和图纸外部审查中发现：很多电动自行车配电系统因功率因数选择不合理，导致负荷计算失准、开关与线缆选型不当。笔者经过长期跟踪、采集数据，旨在弄清电动自行车充电器、智能充电箱等产品参数，为电动自行车充电系统的负荷计算与开关、导体选型提供参考。 电动自行车充电系统的负荷统计 电动自行车充电系统的负荷统计是负荷计算的前提，而准确的负荷统计需要了解电动自行车充电系统的组成，确定电动自行车充电器的充电功率、专用充电设施的充电功率。 >>>>  电动自行车充电系统的组成 根据GB 17761 - 2018《电动自行车安全技术规范》（以下简称《电自规》）第3.1条的定义，电动自行车是以车载蓄电池为辅助能源，具有脚踏骑行能力，能实现电助动或 / 和电驱动的两轮自行车。车载蓄电池完成充电需要匹配专用的充电器，为充电器提供电源的专用设备为电动自行车专用充电设施。根据GB / T 42236.1 - 2022《电动自行车集中充电设施 第1部分：技术规范》第3.2条术语和定义，参考北京市、天津市、江苏省地方标准的相关规定，电动自行车专用充电设施是指专为电动自行车或蓄电池组集中提供电能的相关设施总称，包括交流充电桩、充电柜、换电柜。本文仅讨论交流充电桩，下文提到的电动自行车专用充电设施除特别注明外，均指交流充电桩。充电桩产品通常做成壁挂箱式充电箱，箱内设置交流充电控制器、保护装置、通信装置等，俗称智能充电箱。 电动自行车充电系统通常包括电动自行车车辆（带车载电池）或蓄电池、电动自行车充电器、专用充电设施、专用配电箱等。电动自行车的车载电池通常为铅酸电池和锂电池，本文的讨论以铅酸电池为研究对象。 >>>>  电池型号 根据《电自规》规定：电动自行车蓄电池标称电压不大于48 V，蓄电池的最大输出电压不应大于60 V。市面上电动自行车的车载铅酸蓄电池通常是由若干标称电压为12 V的单块电池串联形成的电池组。常见电池块数为3块、4块，对应总标称电压为36 V、48 V。电池总标称电压相同时，安时（Ah）数越大，电池容量越大，充电功率也越大。 >>>>  电动自行车充电器功率 电动自行车充电器是将AC 220 V整流为低压直流的电器装置，它将市电转换为直流电并输送到电动自行车车载电池内。充电器在工作状态的输出电压要保持在蓄电池标称电压以上，不同厂家、不同电池类型的充电器输出电压有波动，但均高于蓄电池标称电压。表1列出了某大厂品牌充电器型号及参数。 >>>>  电动自行车智能充电箱功率 电动自行车智能充电箱（以下简称充电箱）交流输入、交流输出，属于交流充电设备，具有交流输出电源远程通断控制、充电安全控制、电度计量、按时计费等功能，能通过车配充电器为电动自行车充电。充电箱常见产品为壁挂式，支付方式可选择刷卡、扫码、投币，也可设置成免费型。 目前市面上充电箱普遍采用单相输入，按同时可支持充电的电动自行车数量，分为10路型、20路型，其中10路型应用最为广泛。 对于单台充电箱的电气参数，有的厂家没有标明功率，但标明最大输入电流。从厂家生产角度来看，充电箱无变压、整流功能，只是一个带电子开关的分配电箱，要想得到功率，需要电流、电压、功率因数等参数，而功率因数并非厂家所能控制。比如PZ30配电箱、XL21配电柜，厂家通常标注额定电流，有了电流即可选型开关，因此，标注设备的额定电流对厂家来说更为方便、实际可行。表2列出了主流电动自行车智能充电箱产品参数。 了解到一些以生产低压配电开关为主的厂商也开发此类充电箱，且普遍提供10路型。产品标注了最大输入功率和每路最大输出功率，标注单位是“W”。笔者结合此类产品的最大输入电流参数推断产品的功率参数标注有误，应把功率单位由“W”改为“VA”。修正后的产品参数如表3所示。 在关注充电箱具体设备时，用电流、容量（VA）描述更准确，但在负荷计算时，只要考虑了功率因数，用有功功率单位“W”反映充电箱的功耗反而更方便。理论上总充电功率的最大值为每个回路最大功率的叠加，这样统计可以得到一个保守的功率。但是从实际充电活动观察，出现充电箱后每路都充电、每路都在最大充电负载的概率极低。若产品生产厂家按极端低概率事件生产，非常不经济。 >>>>  电动自行车停车库（棚）充电设备功率估算 在电气工程设计中，设备功率是负荷计算的基础，笔者总结几种工程估算法。 >>  设备数量统计法 由于电动自行车无需驾照，重量轻、体积小、可以满足大部分的日常通勤，目前市面上电动两轮车中电动自行车保有量最大。电动自行车车载电池通常有两种规格：48V 12Ah、48V 20Ah，且后者多于前者。笔者通过大量样本统计发现：48V 12 Ah电池对应充电器功率通常不大于130 W，极个别能达到150 W；48V 20 Ah电池对应充电器功率在180~220 W区间内。因此按每辆电动自行车200 W估算充电总容量比较可行。对已划定可充电停车位或明确可充电停车数量的电动自行车停车库（棚），该场所的总充电功率 = 0.2 kW × 可充电停车位数量。 >>  居民户数估算法 充电功率 = 0.2 kW × 户数。按1户1个充电车位的配置基本可以满足充电需求。 >> 面积估算法 面积估算法本质上是间接的设备数量统计法，需要建筑专业先根据当地规划文件要求和经验按地上面积估算电动自行车停车位的数量，电气专业再按设备数量统计法计算即可。 电动自行车充电器的功率因数 笔者查阅国标图集19DX101 - 1《建筑电气常用数据》第7 - 24页，电动汽车交流充电桩功率因数数据栏空白，也未见电动自行车的相关数据。电动自行车功率因数到底是多少呢？为了搞清楚这个问题，笔者采用实验法获取常用电动自行车充电器的功率因数。 笔者几年内先后自购2台不同品牌的简易测量装置，以便互相比对、验证。首先利用该装置测量功率因数、电流、有功功率已知或数据可查的家用电吹风、落地扇、小型LED筒灯等家用电器的功率因数值，同时利用数字万用表来测量设备工作电压和工作电流。上述实验均验证了简易测量装置具有较好的测量精度。 在确定简易测量装置精度的可靠性后，利用该装置测量多台不同品牌、型号铅酸蓄电池型电动自行车充电状态下充电器输入端的功率因数。实验测得的铅酸电池用充电器充电功率因数大多在0.5 ~ 0.6范围内。 电动自行车充电系统的负荷计算 根据前文论述分析的电动自行车充电系统内的单台充电器功率、单台智能充电箱功率、功率因数等参数，若确定合适的需要系数，即可采用需要系数法进行负荷计算。 >>>>  单台充电箱的负荷计算 单台充电箱负荷计算的需要系数与单台充电箱配出的充电插座同时使用率有关。笔者通过日常观察、走访调研多个智能充电箱工作状况，总结出影响单台充电箱需要系数的因素有： a. 单台充电箱可提供的充电插座数量。同一停车场所同时段10路充电箱的利用率一般高于20路充电箱。 b. 单台充电箱可提供的充电插座数与充电箱所服务区域需要充电的车辆比例。一些老旧小区可充电的电动自行车棚数量少、充电箱数量少，但需要充电的车辆多，导致用户需要排队充电。 c. 充电箱所服务用户的作息时间。作息时间越接近，越容易出现充电高峰。 d. 充电箱所服务用户的充电频率。影响充电频率的因素包括：季节、天气、车载电池剩余寿命、用户通勤距离、续航里程、用户个人充电习惯等。寒冷低温天气下铅酸蓄电池续航能力衰减较大，导致用户在此环境下充电需求增加。 e. 充电箱所接电动自行车充电器的功率分布。 笔者以充电箱常规设备容量2 000 W（10路），4 000 W（20路）为基准，按不同需要系数（0.5 ~ 1），不同功率因数（0.5、0.55、0.6）进行计算，计算结果如表4所示。

根据表4计算结果可知：

a. 10路充电箱设备容量2 000 W，最小计算电流为9.09 A，最大计算电流为18.18 A，最大电流与表2中10路充电箱最大输入电流20 A接近。当需要系数取0.8时，该充电箱计算电流14.55 A与表2 中10路充电箱最大输入电流16 A接近。当需要系数取0.9且功率因数取0.5时，该充电箱计算电流16.36 A，略大于16 A，而当功率因数取0.55或0.6时，计算电流仍小于并接近16 A。

b. 20路充电箱设备容量4 000 W，最小计算电流为15.15 A，最大计算电流为36.36 A。当需要系数取0.8时，该充电箱计算电流为29.09 A，与表2中20路充电箱最大输入电流32 A接近。

通过上述计算，可以大致了解充电箱在不同需要系数下的进线计算电流，且需要系数为0.8或0.9时的计算电流比较贴合前文表2列出的充电箱产品最大输入电流等级。因此，表4的负荷计算可为充电箱的规格（总进线电流等级）选型提供参考依据。

综上分析，笔者给出一个参考的需要系数范围：10路充电箱需要系数0.6 ~ 0.9，20路充电箱需要系数0.5 ~ 0.8。


>>>> 专用配电箱的负荷计算

当电动自行车停车库（棚）设置的充电插座超过20个时，需配置多台充电箱，并适合设置三相专用配电箱为多台充电箱供电。不同充电箱应分别通过单相回路引自不同相序，以利于三相平衡。工程实际中，需根据专用配电箱配接的充电箱数量及其配套的充电车位总数，在单台充电箱需要系数基础上，考虑多台充电箱的同时率，综合选择专用配电箱的需要系数。

保护开关的选型
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配电系统

>>>> 几种电动自行车充电系统的配电系统方案

者按不同充电车位数量制定了配电系统方案， 如表 5 所示。

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