直流充電樁的基本工作原理及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

作者/ 張奇志 黃山市萬(wàn)邦電子科技有限公司(安徽 黃山 245000)

摘要：充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施逐漸得到普及。本文介紹了直流充電樁的工作原理，給出了直流充電樁的電氣原理圖，闡述了直流充電樁的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

引言

　　“汽車(chē)的電動(dòng)化是大勢(shì)所趨，體制優(yōu)勢(shì)是推動(dòng)發(fā)展的根本?！背潆姌蹲鳛殡妱?dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來(lái)越受到中央和地方政府的重視。2016年11月7日，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，對(duì)外正式發(fā)布《電力發(fā)展 “十三五”規(guī)劃》，提出加快充電設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展：到2020年，新增集中式換電站超過(guò)1.2萬(wàn)座，分布式充電樁超過(guò)480萬(wàn)個(gè)，基本建成適度超前、車(chē)樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系,滿(mǎn)足全國(guó)超過(guò)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的充電需求。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2030年，新能源汽車(chē)的推廣量將達(dá)到5000萬(wàn)輛。由此推算，到2020年需要2萬(wàn)座充電站、507萬(wàn)個(gè)充電樁;2030年建14萬(wàn)座充電站、5000萬(wàn)個(gè)充電樁。一線(xiàn)城市北京、上海、深圳都積極響應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)的國(guó)家戰(zhàn)略政策，紛紛出臺(tái)政策規(guī)劃。到 2020 年，北京將基本建成互聯(lián)互通、智能高效的充電設(shè)施服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，可保障60萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的充電需求，重點(diǎn)區(qū)域的充電服務(wù)半徑小于0.9公里。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，上海將全面建成 651座公共充電站、39座公交車(chē)充電站、225座出租車(chē)充電站及3495臺(tái)環(huán)衛(wèi)物流專(zhuān)用充電樁。

　　2017年8月9日，安徽省發(fā)展和改革委員會(huì)、安徽省能源局、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)、安徽省財(cái)政廳、安徽省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳、安徽省交通運(yùn)輸廳、安徽省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、安徽省物價(jià)局聯(lián)合印發(fā)《安徽省電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃(2017-2020年)的通知》，通知中指出，至2020年，建成公交車(chē)專(zhuān)用充換電站200座，環(huán)衛(wèi)、物流等專(zhuān)用車(chē)充電站100座，城市公共充電站130座， 分散式公共充電樁3萬(wàn)個(gè)，公務(wù)車(chē)與私家車(chē)分散式自用充電樁15萬(wàn)個(gè)，城際快充站170座，為滿(mǎn)足20萬(wàn)輛以上電動(dòng)汽車(chē)充電需求。

　　這樣的政策浪潮下，充電樁行業(yè)發(fā)展迅猛，但對(duì)于絕大多數(shù)普通消費(fèi)者，充電樁還是一個(gè)新生事物，相關(guān)的專(zhuān)業(yè)文章也還很少。本文將介紹充電樁的分類(lèi)及直流充電樁的基本工作原理。

1 充電樁的分類(lèi)

　　充電樁分為交流充電樁和直流充電樁。前者俗稱(chēng)“慢充”，后者俗稱(chēng)“快充”。

　　充電交流充電樁通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)置的“車(chē)載充電機(jī)”將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后對(duì)電池充電。車(chē)載充電機(jī)(OBC：On Board Charger)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要有兩種功率大?。?.3kW(輸入：220VAC/16A，輸出：200V-420VDC / 10A)和6.6kW(輸入：220VAC/32A，輸出：200-420V/20A )。輸出電流小，充電速度慢，所以被稱(chēng)為“慢充”。交流充電樁根據(jù)其匹配車(chē)載充電機(jī)功率不同相應(yīng)有3.3kW和6.6kW之分。直流充電樁內(nèi)置大功率直流充電模塊，充電樁本身將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸出電流可以高達(dá)100A以上，所以被稱(chēng)為“快充”。交流充電樁和直流充電樁對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的充電方式如圖1所示。

　　直流充電樁可以從功率大小、充電槍的多少、結(jié)構(gòu)形式、安裝方式等不同維度進(jìn)行分類(lèi)。其中，按結(jié)構(gòu)形式比較主流的分類(lèi)是將直流充電樁分為兩種：一體式直流充電樁和分體式直流充電樁。

2 直流充電樁的基本工作原理

　　在國(guó)家能源局發(fā)布的直流充電樁相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NB/T 33001-2010：電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導(dǎo)式充電機(jī)技術(shù)條件》中指出，直流充電樁基本構(gòu)成包括：功率單元、控制單元、計(jì)量單元、充電接口、供電接口及人機(jī)交互界面等。功率單元是指直流充電模塊，控制單元是指充電樁控制器。直流充電樁本身作為一種系統(tǒng)集成產(chǎn)品，除了 “直流充電模塊”和“充電樁控制器”這兩個(gè)組件構(gòu)成了技術(shù)核心之外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是整樁可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。 “充電樁控制器”屬于嵌入式硬件和軟件技術(shù)范疇，“直流充電模塊”則代表了電力電子技術(shù)在AC/DC領(lǐng)域的最高成就。

　　充電的基本過(guò)程是： 在電池兩端加載直流電壓，以恒定大電流對(duì)電池充電，電池的電壓漸漸地緩慢地上升，上升到一定程度，電池電壓達(dá)到標(biāo)稱(chēng)值，SoC達(dá)到95%(針對(duì)不同電池，不一樣)以上，繼續(xù)以恒壓小電流對(duì)電池充電?！半妷荷先チ?，但電量沒(méi)有充滿(mǎn)，就是沒(méi)有充實(shí)，如果有時(shí)間，可以改用小電流充實(shí)”。 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)充電過(guò)程，充電樁在功能上就需要有“直流充電模塊”提供直流電源;需要有“充電樁控制器”控制充電模塊的“開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、輸出電壓、輸出電流”;需要有“觸摸屏”作為人機(jī)界面下發(fā)指令，通過(guò)控制器將“開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、輸出電壓、輸出電流”等指令下發(fā)給充電模塊。從電氣層面理解的最簡(jiǎn)充電樁只要有充電模塊，控制板和觸摸屏就可以了; 如果開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)和輸出電壓]輸出電流等指令在充電模塊上做成幾個(gè)鍵盤(pán)，那么一個(gè)充電模塊就可以對(duì)電池充電了。

　　直流充電樁的電氣部分由主回路和二次回路組成。主回路的輸入是三相交流電，經(jīng)過(guò)輸入斷路器、交流智能電能表之后由充電模塊(整流模塊)將三相交流電轉(zhuǎn)換為電池可以接受的直流電，再連接熔斷器和充電槍?zhuān)o電動(dòng)汽車(chē)充電。 二次回路由充電樁控制器、讀卡器、顯示屏、直流電表等組成。二次回路還提供“啟?！笨刂婆c“急?！辈僮?信號(hào)燈提供“待機(jī)”、“充電”與“充滿(mǎn)”狀態(tài)指示;顯示屏作為人機(jī)交互設(shè)備則提供刷卡、充電方式設(shè)置與啟?？刂撇僮?。

　　關(guān)于直流充電樁的電氣原理，總結(jié)如下：

　　1.單個(gè)的充電模塊目前只有15kW，不能滿(mǎn)足功率要求，需要多個(gè)充電模塊并聯(lián)在一起工作，需要有CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊的均流;

　　2.充電模塊的輸入來(lái)自電網(wǎng)，是大功率供電，涉及到電網(wǎng)和人身安全，特別是人身安全，需要在輸入端安裝空氣開(kāi)關(guān)(學(xué)名是“塑殼斷路器”)，防雷開(kāi)關(guān)甚至漏電開(kāi)關(guān);

　　3.充電樁的輸出是高壓、大電流，電池是電化學(xué)品，容易爆炸，要防止誤操作的安全問(wèn)題，輸出要有熔斷器;

　　4.安全問(wèn)題是最高優(yōu)先級(jí)的，除了有輸入端的措施之外，機(jī)械鎖和電子鎖是一定要有的，絕緣檢測(cè)是一定要有的，泄放電阻是一定要有的;

　　5.電池是否接受充電，這不是由充電樁決定的，是由電池的大腦、BMS決定的。BMS下發(fā)“是否允許充電，是否終止充電，可以接受多大電壓，多大電流充電”的指令給控制器，控制器再下發(fā)給充電模塊。因此，需要有實(shí)現(xiàn)控制器和BMS之間的CAN通信，控制器和充電模塊之間的CAN通信;

　　6.充電樁還要接受監(jiān)控管理，控制器需要通過(guò)WiFi或3G/4G等網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和后臺(tái)連接;

　　7.充電的電費(fèi)不是免費(fèi)的，需要安裝電表，需要讀卡器實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)功能;

　　8.充電樁殼體上需要有一目了然的指示燈，通常是三個(gè)指示燈，分別表示充電、故障和電源;

　　9.直流充電樁的風(fēng)道設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。風(fēng)道設(shè)計(jì)除了結(jié)構(gòu)上的學(xué)問(wèn)，需要在充電樁里面安裝有風(fēng)扇，雖然每個(gè)充電模塊里面都有風(fēng)扇。

　　考慮到上述細(xì)節(jié)，直流充電樁作為一個(gè)系統(tǒng)是比較復(fù)雜的。圖3給出某單槍直流充電樁更詳細(xì)的電氣原理框圖的主回路電氣原理圖作為設(shè)計(jì)參考。

3 直流充電樁的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　關(guān)于直流充電樁的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，有5個(gè)方向值得關(guān)注：

3.1 超大功率充電堆-功率動(dòng)態(tài)分配-柔性充電

　　純電動(dòng)公交充電站集中停放、運(yùn)營(yíng)路線(xiàn)充電的特點(diǎn)決定了其充電解決方案可能朝超大功率充電堆的方向演進(jìn)。純電動(dòng)出租車(chē)和物流車(chē)甚至也可能朝這個(gè)方向演進(jìn)。30KW充電模塊需求變得急迫，其主要推動(dòng)力就是充電堆的需求正變得急迫。

　　功率動(dòng)態(tài)分配最先是某公司提出來(lái)的，每?jī)蓚€(gè)模塊后面用一個(gè)功率繼電器，可以把這兩個(gè)模塊投在左槍也可以投在右槍使用;后來(lái)另外一家公司提出新的名詞柔性充電，需要大功率充，電流很大的時(shí)候，將其它模塊投過(guò)來(lái)使用，小車(chē)來(lái)的時(shí)候可以分開(kāi)使用，這樣做是有一定的道理;柔性在電網(wǎng)中有加大功率這樣一層意思在里面，所以提出柔性充電概念也說(shuō)的過(guò)去。不同叫法，實(shí)際上是同一意思。

　　對(duì)于180kW及以下的直流充電樁，談功率動(dòng)態(tài)分配和柔性充電是個(gè)偽需求，甚至分體式的意義都不大，但是雙槍輪充和均充也許有點(diǎn)實(shí)際意義。

　　充電堆的應(yīng)用場(chǎng)景是，可以根據(jù)當(dāng)前待充電車(chē)輛數(shù)量來(lái)自動(dòng)分配給每個(gè)車(chē)多大功率。這樣確保將充電模塊的功率用到極致，在車(chē)輛不多的時(shí)候，每輛車(chē)被分配的功率很大，可以更快速地充滿(mǎn)。這種應(yīng)用就需要更多的繼電器切換充電模塊的功率流向，這會(huì)增加一些硬件成本，可靠性難度也增加了一些，當(dāng)然，也需要對(duì)充電控制器的軟件進(jìn)行升級(jí)。

3.2 社區(qū)停車(chē)場(chǎng)環(huán)行智能充電

　　所謂環(huán)行智能充電，這是個(gè)很時(shí)髦的概念。具體應(yīng)用場(chǎng)景是：在一個(gè)社區(qū)停車(chē)場(chǎng)停放了很多電動(dòng)汽車(chē)，中央處理單元主動(dòng)地巡回檢測(cè)每臺(tái)車(chē)的電池電量，在夜間自動(dòng)地輪流將每臺(tái)車(chē)充滿(mǎn)。這其實(shí)也是一種柔性充電，也需要在社區(qū)停車(chē)場(chǎng)安裝超級(jí)充電堆。這種做法的好處是：比交流充電的效率更高，比安裝若干個(gè)直流充電樁，車(chē)主排隊(duì)等待直流充電的靈活性大，成本也低很多。

3.3 家用型壁掛式充電樁進(jìn)家用電器賣(mài)場(chǎng)，進(jìn)家庭

　　也許我們可以更加樂(lè)觀，在解決了電力配送之后，就是將來(lái)有能力將中國(guó)過(guò)量的電力供應(yīng)輸送到每個(gè)居民小區(qū)的時(shí)候，消費(fèi)者為了追求更快速的充電體驗(yàn),個(gè)人可以自主決定是安裝直流充電樁還是交流充電樁，直流充電樁將做得像家電產(chǎn)品一樣小巧、漂亮。壁掛式直流充電樁將是一種剛需。這種產(chǎn)品的銷(xiāo)售模式就像賣(mài)電熱器這類(lèi)商品一樣，在商場(chǎng)里面賣(mài)，在JD，TMALL上面賣(mài)。這種像家電一樣的產(chǎn)品將去掉直流充電樁組成中一些不太緊要的部件，將充電控制器和觸摸屏功能做到一個(gè)充電模塊大小的外殼里面，但模具會(huì)做得很精致。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，充電模塊功率密度越來(lái)高，這個(gè)趨勢(shì)將成為可能。

3.4 “光充儲(chǔ)”充放電一體化

　　光伏、充電、儲(chǔ)能三者組合在一起的概念已經(jīng)有了具體的產(chǎn)品，就是PowerWall，將來(lái)PowerWall進(jìn)一步發(fā)展，構(gòu)成新型充電站形態(tài)，電能在光伏電池板、電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)、儲(chǔ)能電池四者之間自由地流動(dòng)。直流充電樁既可以由電網(wǎng)提供電能給電動(dòng)汽車(chē)充電，也可由光伏電池板提供，還可以由儲(chǔ)能電池提供。儲(chǔ)能電池，電池汽車(chē)電池和光伏電池板的電能也可以賣(mài)給電網(wǎng)。

3.5 共享充電、免費(fèi)充電

　　如果以互聯(lián)網(wǎng)的共享思維來(lái)思考未來(lái)，任何個(gè)人安裝的充電樁可以提供給任何其他車(chē)主充電，也就是說(shuō)所有的充電樁都是可以隨時(shí)開(kāi)放的。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)工具，車(chē)主很容易找到閑置的個(gè)人充電樁。

　　將來(lái)充電站可能在互聯(lián)網(wǎng)的思維下做成了O2O的Off-Line的重要連接節(jié)點(diǎn)，只要有車(chē)主來(lái)充電，可能就要在充電站等待15分鐘。充電站將作為重要的廣告場(chǎng)地資源，這是不難想象的。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]徐進(jìn).鋰電池充放電特性分析和測(cè)試[J].中國(guó)西部科技. 2011,10(33):3-4.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第63頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。