直流充電樁的基本工作原理及技術(shù)發(fā)展趨勢

作者/ 張奇志 黃山市萬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。

引言

　　“汽車的電動(dòng)化是大勢所趨，體制優(yōu)勢是推動(dòng)發(fā)展的根本?！背潆姌蹲鳛殡妱?dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越受到中央和地方政府的重視。2016年11月7日，國家發(fā)改委、國家能源局召開新聞發(fā)布會，對外正式發(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)汽車發(fā)展：到2020年，新增集中式換電站超過1.2萬座，分布式充電樁超過480萬個(gè)，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系,滿足全國超過500萬輛電動(dòng)汽車的充電需求。有專家預(yù)測，到2030年，新能源汽車的推廣量將達(dá)到5000萬輛。由此推算，到2020年需要2萬座充電站、507萬個(gè)充電樁;2030年建14萬座充電站、5000萬個(gè)充電樁。一線城市北京、上海、深圳都積極響應(yīng)電動(dòng)汽車的國家戰(zhàn)略政策，紛紛出臺政策規(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60萬輛電動(dòng)汽車的充電需求，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座公交車充電站、225座出租車充電站及3495臺環(huán)衛(wèi)物流專用充電樁。

　　2017年8月9日，安徽省發(fā)展和改革委員會、安徽省能源局、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會、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，建成公交車專用充換電站200座，環(huán)衛(wèi)、物流等專用車充電站100座，城市公共充電站130座， 分散式公共充電樁3萬個(gè)，公務(wù)車與私家車分散式自用充電樁15萬個(gè)，城際快充站170座，為滿足20萬輛以上電動(dòng)汽車充電需求。

　　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)的專業(yè)文章也還很少。本文將介紹充電樁的分類及直流充電樁的基本工作原理。

1 充電樁的分類

　　充電樁分為交流充電樁和直流充電樁。前者俗稱“慢充”，后者俗稱“快充”。

　　充電交流充電樁通過電動(dòng)汽車內(nèi)置的“車載充電機(jī)”將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后對電池充電。車載充電機(jī)(OBC：On Board Charger)目前國內(nèi)市場主要有兩種功率大小：3.3kW(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，所以被稱為“慢充”。交流充電樁根據(jù)其匹配車載充電機(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，所以被稱為“快充”。交流充電樁和直流充電樁對電動(dòng)汽車的充電方式如圖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。其中，按結(jié)構(gòu)形式比較主流的分類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)汽車非車載傳導(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。

　　充電的基本過程是： 在電池兩端加載直流電壓，以恒定大電流對電池充電，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)稱值，SoC達(dá)到95%(針對不同電池，不一樣)以上，繼續(xù)以恒壓小電流對電池充電?！半妷荷先チ?，但電量沒有充滿，就是沒有充實(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，通過控制器將“開機(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充電樁只要有充電模塊，控制板和觸摸屏就可以了; 如果開機(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，那么一個(gè)充電模塊就可以對電池充電了。

　　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，給電動(dòng)汽車充電。 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“啟停”控制與“急?！辈僮?信號燈提供“待機(jī)”、“充電”與“充滿”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?？刂撇僮鳌?/p>

　　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總線來實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊的均流;

　　2.充電模塊的輸入來自電網(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關(guān)(學(xué)名是“塑殼斷路器”)，防雷開關(guān)甚至漏電開關(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題，輸出要有熔斷器;

　　4.安全問題是最高優(yōu)先級的，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WiFi或3G/4G等網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和后臺連接;

　　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，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

　　關(guān)于直流充電樁的技術(shù)發(fā)展趨勢，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)營路線充電的特點(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)出租車和物流車甚至也可能朝這個(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的，每兩個(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，將其它模塊投過來使用，小車來的時(shí)候可以分開使用，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的過去。不同叫法，實(shí)際上是同一意思。

　　對于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)用場景是，可以根據(jù)當(dāng)前待充電車輛數(shù)量來自動(dòng)分配給每個(gè)車多大功率。這樣確保將充電模塊的功率用到極致，在車輛不多的時(shí)候，每輛車被分配的功率很大，可以更快速地充滿。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，也需要對充電控制器的軟件進(jìn)行升級。

3.2 社區(qū)停車場環(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)用場景是：在一個(gè)社區(qū)停車場停放了很多電動(dòng)汽車，中央處理單元主動(dòng)地巡回檢測每臺車的電池電量，在夜間自動(dòng)地輪流將每臺車充滿。這其實(shí)也是一種柔性充電，也需要在社區(qū)停車場安裝超級充電堆。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)家用電器賣場，進(jìn)家庭

　　也許我們可以更加樂觀，在解決了電力配送之后，就是將來有能力將中國過量的電力供應(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)品的銷售模式就像賣電熱器這類商品一樣，在商場里面賣，在JD，TMALL上面賣。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高，這個(gè)趨勢將成為可能。

3.4 “光充儲”充放電一體化

　　光伏、充電、儲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、電網(wǎng)、儲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)汽車充電，也可由光伏電池板提供，還可以由儲能電池提供。儲能電池，電池汽車電池和光伏電池板的電能也可以賣給電網(wǎng)。

3.5 共享充電、免費(fèi)充電

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

　　將來充電站可能在互聯(lián)網(wǎng)的思維下做成了O2O的Off-Line的重要連接節(jié)點(diǎn)，只要有車主來充電，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地資源，這是不難想象的。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李琳.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電方法的研究[D].華北電力大學(xué),2013.

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

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