电动汽车的广泛使用需要精心规划公共场所充电基础设施的建设，并辅以适应电力需求增长的中长期电网改造战略。然而，当电动汽车直接通过家用插座充电时，其对本地供电设施的影响绝不容忽视。

家用充电会给家庭电力系统带来显著干扰，包括中性线电流升高和电压波动等。这可能影响家用电器的稳定性和使用寿命。因此，随着道路上部署的电动汽车越来越多，了解这种不平衡如何影响住宅电力基础设施的运行、安全性和可靠性至关重要。

电动汽车充电器的类型

电动汽车充电器主要分为交流(AC)和直流(DC)两类，尽管电池需要直流电进行充电。

交流充电器通常安装在住宅和公共场所，因为它们直接连接到交流电网，由车辆的车载充电机(OBC)完成交流到直流的转换。

相比之下，大功率直流快速充电器依赖于外部转换器，安装在公共充电站。它们的位置差异很大——从慢速的住宅充电桩到超快速充电桩——这反映了不同的使用模式和需求。

由于社会、经济、人口和环境因素的差异，公共充电站点的地理分布并不均匀。富裕地区，例如美国加利福尼亚州，通常配备了高密度的充电器。新型专用充电中心也正在改变基础设施格局，逐渐取代传统加油站和充电站。

由于目前大多数电动汽车驾驶者日常通勤距离相对较短，家庭和住宅充电仍然是最常见的选择。对于日常驾驶模式，低功率慢速充电器已足够，但大容量充电系统的可用性变得更具吸引力，特别是考虑到许多家庭需要进行昂贵的电力升级。

公寓楼是一个特殊案例，其中电动汽车充电器的推广面临着额外的挑战——包括技术和财务两方面。共享的基础设施可能会降低充电容量，并意味着高昂的改造费用。

很多时候，建筑物缺乏支持多辆电动汽车同时充电的能力，从而导致变压器过载、电压骤降和加速老化等问题。

其他因素也起到作用。驾驶员的行为强烈影响峰值需求和负荷规划，而电动汽车充电器——类似于非线性负载——会将谐波失真和电压不平衡引入系统。研究表明，稳健的设计、适当的负荷处理以及基础设施的增强是确保电能质量保持在运行标准范围内的关键。

一项实证研究

在最近的一篇文章中，作者调查了泰国曼谷一座公寓楼的真实案例。

这项研究——旨在填补技术文献中的空白——定量描述了电动汽车充电在典型住宅环境中的影响，展示了标准条件下相不平衡、异常中性线电流和谐波失真的结果。结果突出表明，需要特定的技术指导和新法规，以使电动汽车的普及更加安全。

测量设置

被测电动汽车充电器安装在停车场的专用区域。它连接到标准的交流配电系统(230V 单相，400V 三相)，并由一个 40 安培的断路器保护。该系统在单相和三相操作下分别可处理 7.4 kW 和 22 kW，并具有内置保护功能。

测量使用符合 EN50160 标准的三相 HT Italia PQA823 电能质量分析仪进行。

该专业仪器测量并记录电流电压有效值、有功/无功/视在功率、功率因数、频率，以及高达 49 次的谐波分析。该仪器还可以显示波形和直方图。数据以 60 秒的间隔记录，持续两周时间，以精确评估充电期间电能质量的变化。

"时间密度"分布图使研究人员能够识别出下午 6 点至晚上 10 点的峰值时段，这与典型的下班后充电时间安排相符;周末也观察到了更多样化的使用情况。这种行为学结果有助于准确解读普通住宅公寓楼的负荷曲线和电能质量。

负荷曲线分析

公寓式建筑的传统电气设计根据预估需求来确定设备规格，但仅基于此因素的预测并未包含与电动汽车充电相关的额外负荷。因此，分析汽车接入充电时的电压和电流波形对于评估其对基础设施的影响至关重要。

电压分析

三个相(V1, V2, V3)的平均电压通常表现出一致的行为。然而，也记录到接近零的电压骤降或超出正常范围的电压增量，尤其是在 V1 和 V2 相。

这些异常是不平衡负载或充电器运行不当的表现。

电流行为

在充电周期中，峰值电流急剧上升，特别是在单相充电时。这表明能量需求增加。

当电动汽车电池不充电时，系统恢复到稳定状态，仅吸收最小电流。单相充电比三相充电需要更大的电流，导致电流分布不均。

同样重要的是，第 2 相和第 3 相偶尔出现的电流尖峰表明负载分布不平衡，这进而会导致谐波失真。

系统影响

充电期间的高电流会给变压器、导线和电压调节器带来压力，影响其使用寿命。

相不平衡会引发电压畸变，使电能质量恶化，并影响连接的设备。高电流相中导线的过度发热增加了火灾隐患的可能性。

相比之下，非充电周期有助于系统稳定，并通过降低压力，使维护干预的需求减少。

功率分析

功耗是另一个问题，因为它可能超过住宅电力系统设计的最大容量。

总有功功率分析揭示了充电周期与非充电周期之间的不对称性：在充电周期中，由于额外的充电器负荷，功率峰值达到 12 kW;在这些时段之外，待机运行仍消耗额外的电力，尽管水平要低得多。

单相充电——占观察案例的大多数——消耗了 3.5 kW 到 4.3 kW，峰值为 7.2 kW，接近其最大容量(7.4 kW)。三相充电事件的功耗则远低于其 22 kW 的额定值。值得注意的是，某些车型内置了对充电功率的限制。

总体而言，测量到的功率曲线揭示了不同的充电习惯，并突显了需要能够适应峰值负荷和高度可变需求的基础设施。

相不平衡

电动汽车充电对住宅配电系统施加了不均匀且可变的负荷，导致单相和三相充电器具有不同的用电特征。

在三相住宅电力系统中，平衡条件下所有相的电流相等(各相差 120°)，使得它们的矢量和——中性线电流——几乎为零。

然而，单相充电——最普遍的充电模式——通过显著增加某一相的负载而造成不平衡。这会导致中性线电流升高和电压不平衡。

充电期间，峰值电压不平衡率达到 2.18%，这会导致导线发热、绝缘老化，并增加其他设备的敏感性。可以通过相负荷监控、可配置的相位分配、适当的中性线规格设计和更智能的充电控制来补救。

谐波失真

谐波失真表示实际的电压或电流波形由于谐波频率分量的贡献而偏离纯正弦波的程度。它可以表示为总谐波失真度(THD)，该指标量化了总能量在谐波间的分布情况。

作者发现，电压失真保持在 2.6% 以下，并因日常使用模式而呈现周期性重复。

在充电期间，观察到电压 THD 略有增加，尤其是在 V1 和 V2 相，其累积效应可能随时间推移降低系统性能。

图 1 描绘了电压 THD 的分布和累积出现情况，说明了失真如何集中在典型运行值附近，以及特定失真水平出现的频率。

图1

研究还表明，I1、I2 和 I3 相的电流 THD 值上升更为明显，数值超过 15%-20%，主要发生在单相运行期间。

由于不平衡的负载分布和不规则的电流汲取，I2 相表现出最大的波动和最高的峰值 THD。相间不平衡会产生更高的中性线电流，放大了整体影响。

另一个值得关注的问题是谐波共振，其中某些频率分量会被放大，导致连接设备和电器出现过电压及其他故障状态。

这些谐波可能导致变压器、导线和中性线过热，以及计量错误和附近通信系统的电磁干扰问题。

有效的缓解措施可能包括谐波滤波、优化的负载平衡，以及在容量有限或老旧建筑物中安装电动汽车充电器时评估谐波影响。

要点总结

结果表明，电动汽车充电器汲取的电流受其运行模式(单相或三相)的影响，其中单相是占主导地位的用户行为。这种主导地位加剧了相不平衡，增加了中性线电流，并提高了与电能质量、电压失真和整体系统稳定性相关的风险。

未来结合住宅类型、用户模式和环境条件的研究，将有助于更全面地理解在更现实的场景下，住宅电力系统如何响应电动汽车充电。